張雪芹

（新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局，新疆烏魯木齊830000）

0 引言

在土石壩各斷面的壩體和壩基適當(dāng)部位設(shè)置一些測(cè)壓管和滲壓計(jì)并進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)了解水庫(kù)運(yùn)行過程中的壩體浸潤(rùn)線位置和各區(qū)域的滲透壓力。通過監(jiān)測(cè)資料的分析，可較好地掌握大壩的滲流狀態(tài)，對(duì)指導(dǎo)水庫(kù)的合理運(yùn)行具有很大的實(shí)際意義。

1 工程概況

某水利樞紐為大（1）型Ⅰ等工程，攔河壩壩型為粘土心墻砂礫石壩，壩頂高程1003 m，最大壩高108 m，壩頂長(zhǎng)度362 m，壩頂寬12.0 m，上游壩坡1∶2.5，下游綜合壩坡1∶2.33，心墻防滲體頂高程1001.0 m，頂寬6.0 m，心墻上、下游邊坡1∶0.3。河床強(qiáng)風(fēng)化層厚度2～5 m，弱風(fēng)化層厚度20～30 m。心墻位于弱風(fēng)化層巖體的上部，基礎(chǔ)巖性為泥晶灰?guī)r夾凝灰?guī)r。由于心墻嵌入兩岸巖體中的長(zhǎng)度較大，建基面坡度較緩，使土體與基巖接觸較好，并延長(zhǎng)了庫(kù)水的滲徑，有利于壩肩防滲。壩址呈“V”型橫向河谷，兩岸山體雄厚，巖層產(chǎn)狀直立，巖性為石炭系凝灰質(zhì)類巖石，巖體強(qiáng)度軟硬相間，差異風(fēng)化明顯，壩肩地形欠完整性，系溝梁相間起伏差較大的梳狀地形，適宜于修建當(dāng)?shù)夭牧蠅巍?/p>

2 監(jiān)測(cè)儀器及布置

2.1 監(jiān)測(cè)儀器

壩體測(cè)壓管采用NYZ型壓阻式壓力傳感器測(cè)量滲水荷載壓力值，電壓測(cè)量范圍為-5～5 V。所有測(cè)量?jī)x器均接入自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)以定時(shí)測(cè)量為主、實(shí)時(shí)測(cè)量為輔的測(cè)量方式。測(cè)量周期為1次/d，采集數(shù)據(jù)每天自動(dòng)入庫(kù)，人工只要定時(shí)檢查系統(tǒng)的運(yùn)行情況是否良好及初步分析數(shù)據(jù)的合理性即可。

2.2 儀器布置

大壩滲流監(jiān)測(cè)為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，利用滲壓計(jì)及測(cè)壓管對(duì)壩基、壩體和繞壩滲流進(jìn)行監(jiān)測(cè)。整個(gè)壩體共埋設(shè)了45支滲壓計(jì)（S）和12個(gè)測(cè)壓管（UP），主要分布在3個(gè)主監(jiān)測(cè)橫剖斷面的帷幕前后、心墻以及下游壩殼料內(nèi)。在兩壩肩灌漿平硐內(nèi)和沿岸坡左、右岸各布置4根測(cè)壓管，以監(jiān)測(cè)壩肩帷幕效果及繞壩滲流情況。在右岸邊坡布置4個(gè)測(cè)壓管UP9～UP12，管底高程分別為911.570 m、912.959 m、913.907 m和914.496 m，管口高程分別為1001.56 m、988.144 m、965.025 m和945.498 m，軸距分別為13.13 m、41.217 m、97.914 m和157.107 m，見圖1。

圖1 大壩測(cè)壓管布置圖Fig.1 Distribution of piezometers

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)和處理

利用設(shè)置在大壩及基礎(chǔ)的監(jiān)測(cè)儀器獲得了大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，包含了在各種荷載因素長(zhǎng)期作用下大壩及基礎(chǔ)的運(yùn)行性態(tài)及其變化的有用信息，但是未加工的原始數(shù)據(jù)并不能直接用來評(píng)估大壩的安全狀況，必須經(jīng)過處理和分析，才能提煉出反映大壩和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)性態(tài)及安全狀況的有用信息。

觀測(cè)數(shù)據(jù)的誤差通常分為三類，即粗差、偶然誤差和系統(tǒng)誤差。其中偶然誤差的檢驗(yàn)和處理比較簡(jiǎn)單，可用一般的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法予以解決。系統(tǒng)誤差的檢驗(yàn)比較復(fù)雜，但這類誤差一般多產(chǎn)生在大壩內(nèi)部觀測(cè)儀器的測(cè)值中，可以利用儀器的特性來處理。而粗差在任何測(cè)量過程中都可能產(chǎn)生，在人工監(jiān)測(cè)中，粗差很容易被發(fā)現(xiàn)和處理，但在自動(dòng)化監(jiān)測(cè)中就必須有一套有效的檢驗(yàn)和處理方法。

3.1 數(shù)據(jù)的可靠性檢驗(yàn)

對(duì)數(shù)據(jù)作可靠性檢驗(yàn)先要考慮測(cè)點(diǎn)序列在時(shí)間意義上的一致性。由于測(cè)值序列都是在有規(guī)律的原因量的影響下產(chǎn)生的，因此其自身的變化也滿足一定的規(guī)律?，F(xiàn)以UP9、UP10測(cè)點(diǎn)為例，運(yùn)用移動(dòng)極差[1]進(jìn)行數(shù)據(jù)檢驗(yàn)。極差為前后兩測(cè)值之差，即

取n個(gè)順序測(cè)值可得極差序列：

W1，W2，W3，…，Wn-1。

在正常情況下，極差Wi應(yīng)在W±σw范圍內(nèi)變化，超出者說明測(cè)值異常，應(yīng)進(jìn)一步分析以便找出原因。

圖2 大壩右岸測(cè)壓管UP9監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性檢查Fig.2 Check on reliability of monitoring data of piezometer UP9

圖3 大壩右岸測(cè)壓管UP10監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性檢查Fig.3 Check on reliability of monitoring data of piezometer UP10

從圖4可以看出，2007年4～8月及2008年5～8月測(cè)點(diǎn)UP9速率變化超過允許變化范圍，經(jīng)過查看相關(guān)點(diǎn)測(cè)值的變化和降雨量的變化發(fā)現(xiàn)，測(cè)點(diǎn)UP9與降雨量相關(guān)密切，由于每年4～8月降雨比較頻繁，直接造成UP9變化速率過大。測(cè)點(diǎn)UP10、UP11、UP12總體在允許變化范圍內(nèi)，只有少數(shù)測(cè)值異常。UP10、UP11整體變化比較平穩(wěn)，UP12變化較為明顯。在2006年5～8月、2007年5～8月UP12變化頻率比較高，個(gè)別速率變化超過允許變化范圍，并在2010年2～5月有較明顯波動(dòng)，其速率變化超過允許變化范圍較多，多發(fā)生在3月，個(gè)別粗差已刪除。

3.2 數(shù)據(jù)的處理

通過數(shù)據(jù)的可靠性檢查，可以發(fā)現(xiàn)各測(cè)點(diǎn)之間的相互關(guān)系并找出異常測(cè)值。消除誤差造成的異常數(shù)據(jù)，反映水庫(kù)運(yùn)行情況的異常測(cè)值則予以保留，并對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)注，詳細(xì)記錄其異常變化的原因。利用此方法，能夠剔除大部分粗差，但部分系統(tǒng)誤差仍然存在，可利用最小二乘回歸方法[1]檢驗(yàn)儀器的系統(tǒng)誤差，為以后的分析處理工作做必要的準(zhǔn)備。

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析解釋

對(duì)監(jiān)測(cè)資料的分析和解釋要通過兩個(gè)步驟進(jìn)行，首先是根據(jù)實(shí)測(cè)資料，靠監(jiān)測(cè)技術(shù)人員的能力和經(jīng)驗(yàn)來觀察某測(cè)點(diǎn)效應(yīng)量的變化趨勢(shì)，其次要建立監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的解釋模型，根據(jù)實(shí)測(cè)效應(yīng)量值和模型預(yù)測(cè)效應(yīng)量值兩者應(yīng)基本符合的原理來建立數(shù)學(xué)模型并解釋資料，以判斷建筑物的運(yùn)行狀態(tài)是否正常。

4.1 數(shù)據(jù)的趨勢(shì)性分析

對(duì)監(jiān)測(cè)值序列以365 d為區(qū)間、步長(zhǎng)為10 d進(jìn)行滑動(dòng)濾波，以濾去序列中年周期以內(nèi)的短周期變化和隨機(jī)波動(dòng)，得到反映其序列長(zhǎng)期性變化趨勢(shì)的過程線。通過對(duì)各測(cè)點(diǎn)測(cè)值趨勢(shì)性和周期性的分析與比較，可找到測(cè)點(diǎn)之間的相關(guān)程度和滯后相位。UP10與庫(kù)水位相關(guān)密切，水位變化趨于同步；UP9、UP11的水位變化主要受降雨量的影響，但有7 d左右的滯后期；UP12與庫(kù)水位無明顯的相關(guān)性，應(yīng)主要受右岸邊坡地下水位及降雨等的影響。庫(kù)水位與測(cè)壓管水位測(cè)值過程線見圖5～8。

4.2 統(tǒng)計(jì)分析

圖4 庫(kù)水位與大壩右岸測(cè)壓管水位測(cè)值過程線Fig.4 Graph of reservoir level and monitored piezometer level

圖5 降雨量、庫(kù)水位與大壩右岸測(cè)壓管UP9水位測(cè)值過程線Fig.5 Graph of rainfall,reservoir level and monitoring data of piezometer UP9

圖6 庫(kù)水位與大壩右岸測(cè)壓管UP10水位測(cè)值過程線Fig.6 Graph of reservoir level and monitoring data of piezometer UP10

圖7 庫(kù)水位與大壩右岸測(cè)壓管UP11水位測(cè)值過程線Fig.7 Graph of reservoir level and monitoring data of piezometer UP11

圖8 庫(kù)水位與大壩右岸測(cè)壓管UP12水位測(cè)值過程線Fig.8 Graph of reservoir level and monitoring data of piezometer UP12

對(duì)壩體滲流而言，各測(cè)點(diǎn)水位與其所處的位置、上下游水位變化、降雨量、筑壩材料的滲透性等因素有關(guān)，由于庫(kù)水位變化傳遞到心墻和其它區(qū)域的測(cè)點(diǎn)存在一定的滯后時(shí)間，所以相應(yīng)測(cè)點(diǎn)還與前期庫(kù)水位有關(guān)。氣溫也一樣，與前期氣溫有關(guān)。歸納起來，影響壩體滲流變化的因素主要包括庫(kù)水位、降雨量、氣溫和時(shí)效。根據(jù)具有自由表面的無壓滲流支配的基本特性，大壩右岸繞壩滲流總體的統(tǒng)計(jì)模型[2]可表示為：

式中：H為滲壓水位；H0為當(dāng)日庫(kù)水位；Hi-j為前期庫(kù)水位均值；R0為當(dāng)日降雨量；Ri-j為前期降水量均值；T0為當(dāng)日氣溫；Ti-j為前期氣溫平均值；t為時(shí)效。

根據(jù)選定的統(tǒng)計(jì)模型，取測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行逐步回歸，部分測(cè)點(diǎn)簡(jiǎn)要回歸成果見表1。

大壩右岸繞壩滲流測(cè)壓管UP9統(tǒng)計(jì)模型為：

式中，H為滲壓水位；H0為當(dāng)日庫(kù)水位；H1-3為前3日庫(kù)水位平均值；T0為當(dāng)日氣溫；T1-3為前3日氣溫平均值；R1-3為前3日降水量平均值；t為觀測(cè)日期距時(shí)效算日間隔天數(shù)；時(shí)效首日期為2005年11月30日。

右岸邊坡地下水位主要受到上游水位、邊坡地下水位、氣溫變化及降雨等的影響，但不同部位主導(dǎo)因素不同。

右岸測(cè)壓管均靠近右壩肩山體，受積雪融水、降雨和綠化灌溉的影響較大。壩面綠化帶經(jīng)過灌溉后，右岸滲壓水位均有不同程度的小幅上升趨勢(shì)，其中UP9上升幅度最大。利用人工澆灌試驗(yàn)[3]，對(duì)4支測(cè)壓管區(qū)域分別澆灌同等份量的水，發(fā)現(xiàn)測(cè)壓管與澆灌后的變化趨勢(shì)相一致。

圖9 大壩右岸測(cè)壓管水位模擬過程線及實(shí)測(cè)過程線比較圖Fig.9 Comparison of simulated piezometer level and moni?tored piezometer level

表1 大壩右岸測(cè)壓管回歸分析簡(jiǎn)要成果Table 1:Results of regression analysis on piezometer level

表2 大壩右岸測(cè)壓管水位測(cè)值特征值統(tǒng)計(jì)表Table 2:Statistics of eigenvalues of monitored piezometer lev?el data

4支測(cè)壓管的施工工藝均相同，但受地理位置及回填料的影響，影響測(cè)壓管滲壓水位的主導(dǎo)因素不同。經(jīng)日常數(shù)據(jù)顯示及試驗(yàn)成果分析，測(cè)壓管UP9埋設(shè)地質(zhì)情況較復(fù)雜，周圍巖體存在較大裂隙，致使UP9滲壓水位受裂隙水影響較大，而其余三支測(cè)壓管地質(zhì)條件較好，受裂隙水影響較小。右岸測(cè)壓管自投入運(yùn)行以來運(yùn)行良好，無淤堵現(xiàn)象。

大壩右岸邊坡測(cè)壓管在2005年11月30日始有測(cè)值，UP9在941.26～956.95 m之間波動(dòng)，變幅為15.69 m，與庫(kù)水位存在一定的相關(guān)性，主要受右岸邊坡地下水位及降雨等的影響；UP10在929.72～936.48 m之間波動(dòng)，變幅為6.76 m，與庫(kù)水位存在一定的相關(guān)性，主要受到通過大壩的滲流以及右岸邊坡地下水位等的影響；UP11在917.50～926.49 m之間波動(dòng)，變幅為8.99 m，與庫(kù)水位存在一定的相關(guān)性，受到通過大壩的滲流、右岸邊坡地下水位以及降雨等的影響；UP12在915.66～922.18 m之間波動(dòng)，變幅為6.52 m，與庫(kù)水位無明顯的相關(guān)性，主要受左岸邊坡地下水位及降雨等的影響。

大壩壩體及右岸滲透總體是穩(wěn)定的。

5 結(jié)語

通過對(duì)壩體監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行分析，可以掌握壩體右岸滲流狀態(tài)變化的規(guī)律[4]：右岸邊坡地下水位主要受到上游水位、邊坡地下水位及降雨等的影響，但不同部位主導(dǎo)因素不同。此外，壩體輪廓、土體固結(jié)等都能對(duì)壩體滲流產(chǎn)生影響。根據(jù)所掌握的規(guī)律建立數(shù)學(xué)模型，可以較好地反映大壩的滲流狀態(tài)，分析結(jié)果表明，壩體滲流狀態(tài)逐漸趨于穩(wěn)定，滲流狀態(tài)正常?！?/p>

[1]國(guó)網(wǎng)南京自動(dòng)化研究院大壩及工程監(jiān)測(cè)研究所,南京南瑞集團(tuán)公司大壩工程監(jiān)測(cè)分公司.大壩及工程安全監(jiān)測(cè)儀器及自動(dòng)化系統(tǒng)培訓(xùn)教材[M].2008:205-206.

[2]吳中如.水工建筑物安全監(jiān)控理論及其應(yīng)用[M].北京:高等教育出版社,2003.

[3]梁波.土石壩測(cè)壓管水位觀測(cè)資料分析方法[J].大壩與安全,2005,(4):36-38.

[4]中國(guó)水利水電科學(xué)研究院.新疆恰甫其海水利樞紐工程安全監(jiān)測(cè)資料分析評(píng)價(jià)[R].225-231.