艾志娟，周清勇，熊 磊

（1.撫河河道堤防維護(hù)中心,江西 撫州 344100；2.江西省水利科學(xué)院,江西 南昌 330029）

江西省水庫眾多,已建成水庫有10819 座,其中大中型293 座、小型10526 座,95%以上壩型為土石壩結(jié)構(gòu)。水庫工程對(duì)地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定等均發(fā)揮了重要的作用。大壩安全監(jiān)測是水庫運(yùn)行期的重要管理設(shè)施之一[1],是保障大壩安全的主要非工程措施,特別是大中型水庫的運(yùn)行管理應(yīng)更為重視。大壩安全監(jiān)測設(shè)施中,最直觀的監(jiān)測設(shè)施是在大壩下游壩腳處的集水溝設(shè)置量水堰。量水堰觀測設(shè)施對(duì)于運(yùn)行管理單位而言,容易觀測及維護(hù),也容易判斷土石壩的運(yùn)行情況。本文以大（2）型水庫為例進(jìn)行其運(yùn)行期建模計(jì)算及回歸分析。

水庫[2]坐落于鄱陽湖水系贛江左岸瀘水河上游,禾水二級(jí)支流東谷水支流上。壩址以上控制流域面積345.0 km2,工程為粘土心墻防滲的土石壩,大壩壩頂高程149.80 m,最大壩高67.80 m,壩頂長度290.0 m,壩頂寬度8.0 m,總庫容1.26×108m3。設(shè)計(jì)灌溉面積33 萬畝,電站裝機(jī)16 MW,是一座以灌溉和發(fā)電為主,兼顧防洪及其他效益的大（2）型水庫。工程于2015 年12 月完成單位工程的驗(yàn)收。目前水庫已正常運(yùn)行多年,主體工程運(yùn)行性態(tài)還未進(jìn)行安全分析,本文采用實(shí)測滲流量、有限元模型及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)回歸模型等進(jìn)行評(píng)價(jià)水庫運(yùn)行期的大壩安全[3-5]。

1 有限元模型分析

為真實(shí)地模擬分析土石壩運(yùn)行期間的滲流穩(wěn)定狀態(tài),利用多年系列觀測資料選取合理的數(shù)值進(jìn)行反演,以獲取更為可靠的材料滲透系數(shù)。本次采用有限元法進(jìn)行計(jì)算,選取運(yùn)行期大壩最大斷面測壓管水位值對(duì)大壩壩體土層分區(qū)的滲流滲透系數(shù)進(jìn)行反演[6-9],并以此進(jìn)一步對(duì)大壩滲流安全進(jìn)行評(píng)價(jià)。

基于飽和-非飽和滲流理論,非飽和土中滲流為隨土層基質(zhì)吸力變化的二階函數(shù),土體中體積含水率隨時(shí)間變化而不同,將達(dá)西定律導(dǎo)入連續(xù)性方程中,采用有限元法求解滲流場的拉普拉斯控制方程如下：

控制方程的邊界條件為：第一類邊界為上下游水位以下的出入滲面及自由滲出段,水頭為已知；第二類邊界為滲流自由面和不透水層。本次采用極限平衡上限解分析,該有限元法軟件由加拿大巖土軟件開發(fā)商GEO-SLOPE 公司開發(fā)的面向水利、巖土、地質(zhì)工程等領(lǐng)域開發(fā)的一套仿真分析軟件。

大壩測壓管斷面布置圖大壩典型斷面見圖2,本文選取樁號(hào)0+165 典型斷面,壩體計(jì)算分區(qū)見圖1,據(jù)斷面3 個(gè)滲壓計(jì)測點(diǎn)管水位過程線及考慮大壩常年運(yùn)行下庫水位而言,采用常水位即多年平均庫水位137.49 m 作為滲流系數(shù)反演計(jì)算,將某時(shí)段對(duì)應(yīng)的測壓管水位與計(jì)算獲得的浸潤線進(jìn)行多次對(duì)比,直至達(dá)到兩者浸潤線相對(duì)吻合狀態(tài),最后確定現(xiàn)狀壩體土層中粘土心墻、上下游壩殼料層及排水棱體層等的滲透系數(shù)。本水庫工程以滲壓計(jì)測值正常有效以此作為反演依據(jù),計(jì)算結(jié)果見表1,常水位下反演計(jì)算見圖2,計(jì)算浸潤線與測壓管實(shí)測值較吻合,反演效果較理想。

表1 各分區(qū)土層有關(guān)滲透系統(tǒng)指標(biāo)采用值表

圖1 壩體計(jì)算分區(qū)圖

圖2 典型斷面穩(wěn)定滲流情況下反演計(jì)算成果圖

分析可知,水庫壩體防滲心墻測壓管水位隨庫水位變化明顯；大壩壩體防滲心墻上側(cè)即壩軸線上游水位與壩軸線下游側(cè)水位監(jiān)測數(shù)據(jù)反映出心墻消減近50%的水頭,防滲效果明顯,且防滲心墻下側(cè)測壓管監(jiān)測數(shù)據(jù)總體走勢較平穩(wěn),過程線無明顯突變。

土石壩運(yùn)行期壩體土層材料會(huì)因蓄水上升及土體固結(jié)的影響,發(fā)生一定變形致使某些土層材料的滲透系數(shù)局部改變。本次以滲透系數(shù)反演后的參數(shù)值進(jìn)行有限元計(jì)算[10],分析結(jié)果見表2 及圖3。

表2 大壩壩體滲流計(jì)算及總滲流量計(jì)算估值

圖3 正常蓄水位148.00 m 下穩(wěn)定滲流計(jì)算成果圖

由表2 及圖3 可知,大壩浸潤線在心墻上游近似呈水平分布,在心墻內(nèi)呈斜線形,下游壩殼料中浸潤線緩慢降落,大壩滲流計(jì)算等勢線分布符合心墻滲流規(guī)律。結(jié)合筆者的現(xiàn)場查看,庫水位136.61 m,量水堰處滲漏量約為0.75 L/s,經(jīng)分析多年平均庫水位137.49 m 下,計(jì)算其壩體滲流量換算值約0.82 L/s,滲流量不大且為清水,防滲效果較好,壩體發(fā)生滲透破壞可能性小。

2 滲流量實(shí)測資料分析

水庫滲流量監(jiān)測布置在大壩下游河床處的集滲溝處,位于大壩下游集水溝進(jìn)口2.0 m 處設(shè)置的三角形量水堰,三角堰中設(shè)有水尺,采用自動(dòng)結(jié)合人工讀取數(shù)據(jù)。以近幾年水庫運(yùn)行期壩體實(shí)測滲流量觀測作為分析,如圖4 為2015 年～2021 年的滲流量觀測,觀測頻率為每日觀測1 次,剔除連續(xù)降雨、因泄洪下游水位升高及暴雨數(shù)據(jù)不準(zhǔn)未進(jìn)行觀測統(tǒng)計(jì)外,最大滲漏量為2016 年8 月9 日11.02 L/s,其原因是當(dāng)日降雨量達(dá)到55 mm 且當(dāng)日前后連續(xù)降雨,從而造成數(shù)據(jù)偏大。最小滲漏量為2020 年12 月25 日的0.57 L/s,平均滲漏量小于1.3 L/s。滲流量的大小基本與上游水位成正比。

圖4 2015 年～2021 年滲流量與庫水位變化過程線

由圖4 分析可知,扣除個(gè)別誤差外,運(yùn)行期水庫下游壩腳實(shí)測滲流量比本次有限元模型計(jì)算壩體總滲流量偏小,說明水庫運(yùn)行期大壩運(yùn)行狀態(tài)正常,壩體滲透穩(wěn)定。

3 滲漏量統(tǒng)計(jì)回歸模型分析

壩體滲流是土石壩主要監(jiān)測項(xiàng)目之一。為了解水庫滲流穩(wěn)定運(yùn)行性態(tài),對(duì)本工程最大斷面的部分滲壓計(jì)所測水位與庫水位等建立統(tǒng)計(jì)模型。大壩為粘土心墻土石材料,其滲漏量主要受上游水深、降雨入滲以及防滲體時(shí)變特性和壩前淤積等的影響,土石壩材料一般不考慮溫度分量影響。

本次利用滲漏量統(tǒng)計(jì)模型[11-12],根據(jù)滲漏量與實(shí)際影響因子之間的相關(guān)性,可更直觀地分析大壩滲漏狀態(tài)。回歸建模時(shí)主要考慮與上游水位的一次方和二次方、下游水位一次方、前期平均1 天、2 天、3 天水位觀測值、降雨量及時(shí)效因子等,具體統(tǒng)計(jì)監(jiān)控模型如下：

滲流量統(tǒng)計(jì)模型為：

式中：Q 為滲流量實(shí)測值,L/s；QH為上下游水深分量；Qp為降雨分量；Qθ為時(shí)效分量；aui為上游水深分量的回歸系數(shù)；H1i為監(jiān)測日上游水深m；為監(jiān)測日前i 天的平均上游水深,m；m1為滯后天數(shù)；ad為下游水深分量的回歸系數(shù)；H2為監(jiān)測日下游水深,m；m1為滯后天數(shù)；di為降雨分量的回歸系數(shù)；pi為前期降雨量,mm；c1、c2為時(shí)效的回歸系數(shù)；θ為起測日開始的天數(shù)除以100；a0為參數(shù)項(xiàng)。

依據(jù)水庫滲流量、降雨量及庫水位等實(shí)測資料,定量分析典型大壩斷面管水位原形觀測資料,應(yīng)用逐步回歸分析方法,建立滲流量回歸模型,即：

經(jīng)分析可知,復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.999,標(biāo)準(zhǔn)偏差S=0.846,回歸模型的精度較高,回歸計(jì)算結(jié)果成果見圖5。

圖5 滲漏量變化過程線

由回歸模型和圖5 分析可知,擬合效果較理想,在對(duì)滲漏量的影響程度中,影響從大到小依次為水壓分量、時(shí)效分量、降雨分量。水壓分量與滲漏量關(guān)系較為顯著,滲流量與庫水位變化基本同步,據(jù)實(shí)測值與回歸值分析過程線,滲流量呈逐漸減少的整體趨勢,表明大壩整體滲透性較穩(wěn)定。

4 結(jié)語

本文以水庫運(yùn)行期滲流監(jiān)測資料為基礎(chǔ),對(duì)土石壩典型斷面及土層參數(shù)進(jìn)行了有限元和數(shù)據(jù)回歸分析,主要結(jié)論如下：

1）水庫常水位下,選取壩體滲壓計(jì)測值作為滲流系數(shù)反演,計(jì)算出壩體浸潤線與測壓管實(shí)測值較吻合,反演效果理想。

2）運(yùn)行期水庫下游壩腳實(shí)測滲流量比有限元模型計(jì)算壩體總滲流量整體偏小,說明水庫運(yùn)行期大壩運(yùn)行狀態(tài)正常,壩體滲流量基本穩(wěn)定。

3）建立滲漏量回歸統(tǒng)計(jì)模型,可知回歸模型精度較高,擬合效果理想,在對(duì)滲漏量的影響程度中,水壓分量與滲漏量關(guān)系較為顯著,回歸過程線可知滲流量呈逐漸減少的整體趨勢,表明大壩整體滲透性較穩(wěn)定。