張世泉

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

1 工程概況

汾河水庫(kù)位于太原市婁煩縣杜交曲鎮(zhèn)下石家莊村北約1km汾河干流上游，屬黃河流域，是一座以防洪、灌溉、工業(yè)和城市供水為主，兼顧發(fā)電和養(yǎng)魚(yú)等綜合利用的大（二）型水利樞紐工程。水庫(kù)樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水發(fā)電洞、泄洪隧洞及水電站等建筑物組成，所有泄水建筑物均位于右岸。攔河大壩為水中倒土壩，壩頂高程1131.4m，最大壩高61.4m。

大壩主壩段位于卵石混合土和混合土卵石層上；左岸副壩位于厚19～23m的低液限粉土上，下部為厚約2～3m的卵石混合土；右壩肩位于厚8～25m的低液限粉土上，下部為厚約2～3m的卵石混合土。

2 觀(guān)測(cè)資料分析

2.1 觀(guān)測(cè)資料完整性、時(shí)效性分析

汾河水庫(kù)近十年的大壩安全監(jiān)測(cè)資料沒(méi)有經(jīng)過(guò)校正，無(wú)法利用。本次收集到的觀(guān)測(cè)資料是1983—2000年間的整編資料。滲流觀(guān)測(cè)資料不連續(xù)，且多數(shù)測(cè)壓管或孔隙水壓力計(jì)與庫(kù)水位相關(guān)性較差。河床段共設(shè)壩 0+180，壩 0+230，壩 0+370，壩 0+450，壩 0+490五個(gè)觀(guān)測(cè)橫斷面。

大壩河床觀(guān)測(cè)斷面和測(cè)點(diǎn)雖然較多，但通過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，資料不完整，或測(cè)壓管失效，與庫(kù)水位相關(guān)性較差（數(shù)據(jù)變幅較小），可利用的觀(guān)測(cè)資料不多。分析原因主要有以下幾方面：第一，經(jīng)多年運(yùn)行，測(cè)壓管的進(jìn)水管段已淤積，致使庫(kù)水位升高時(shí)，測(cè)壓管水位上升較慢或幾乎不動(dòng)；第二，有的測(cè)壓管進(jìn)水管段太短，對(duì)庫(kù)水位的反應(yīng)不太靈敏；第三，大壩土體滲透系數(shù)較小，壩軸線(xiàn)上游浸潤(rùn)線(xiàn)較高，壩軸線(xiàn)下游浸潤(rùn)線(xiàn)很快降至下游水位，下游壩面測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)與下游水位相關(guān)，受庫(kù)水位影響較?。坏谒?，測(cè)壓管（滲壓計(jì)）測(cè)點(diǎn)位置不合適，不能如實(shí)反映壩體滲流情況。

為判別實(shí)測(cè)資料的可用性，根據(jù)主河床觀(guān)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)情況，結(jié)合地質(zhì)勘探提供的壩0+230，壩0+370，壩0+490三個(gè)橫剖面圖，選擇相關(guān)測(cè)點(diǎn)的觀(guān)測(cè)資料，做出部分時(shí)段（相關(guān)性較好）的測(cè)壓管（孔隙水壓力計(jì)）過(guò)程線(xiàn)，確定測(cè)壓管滯后時(shí)間，判斷資料可用性。

由于測(cè)點(diǎn)與庫(kù)水位兩者水位差較大，從多年觀(guān)測(cè)資料整編圖上難以看出滯后的時(shí)間和相關(guān)關(guān)系，因此，從中選取測(cè)壓管與庫(kù)水位相關(guān)性較好的1～2年內(nèi)的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)做出過(guò)程線(xiàn)，選擇斷面壩0+370進(jìn)行分析，其余斷面測(cè)點(diǎn)測(cè)壓管過(guò)程線(xiàn)繪制同上。

從測(cè)壓管過(guò)程線(xiàn)可以看出，所選時(shí)段的測(cè)壓管與庫(kù)水位時(shí)間滯后。

2.2 滲流觀(guān)測(cè)資料回歸分析

為了弄清楚庫(kù)水位與各斷面測(cè)壓管水位的相互關(guān)系，進(jìn)而由實(shí)測(cè)資料推測(cè)高水位時(shí)壩體滲流情況，利用現(xiàn)有的觀(guān)測(cè)資料，選取有代表性的相對(duì)穩(wěn)定庫(kù)水位下的測(cè)壓管水位，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行直線(xiàn)回歸，得出每個(gè)測(cè)壓管的庫(kù)水位與管水位之間的表達(dá)式，利用該表達(dá)式預(yù)測(cè)正常高水位1129.0m時(shí)各斷面的測(cè)壓管水位。

在滲流過(guò)程中，影響觀(guān)測(cè)的主要因素為庫(kù)水位、溫度、時(shí)效和降水等。因溫度變化、降水對(duì)土石壩測(cè)壓管水位影響極小，而時(shí)效的影響可從過(guò)程線(xiàn)中推出，因此在相關(guān)分析時(shí)僅考慮庫(kù)水位的影響，即選取庫(kù)水位H和相關(guān)測(cè)點(diǎn)滯后的相應(yīng)觀(guān)測(cè)值h，點(diǎn)繪h—H相關(guān)線(xiàn)，進(jìn)行直線(xiàn)相關(guān)，經(jīng)驗(yàn)公式為h=b×H+a。各測(cè)點(diǎn)擬合的直線(xiàn)方程，相關(guān)系數(shù)R見(jiàn)表1。

表1 回歸分析表

由表1可以看出，所選取的測(cè)點(diǎn)觀(guān)測(cè)值與庫(kù)水位相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)均在0.9以上。根據(jù)這些測(cè)點(diǎn)的觀(guān)測(cè)資料確定大壩壩體滲流系數(shù)。

3 大壩滲流分析斷面選擇

根據(jù)大壩運(yùn)行多年實(shí)際情況（左岸副壩滲漏），結(jié)合大壩測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)壓管運(yùn)行狀況，選擇有代表性的斷面進(jìn)行大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算，分別選取主河床段最大壩高斷面壩 0+370，0+230，0+490（副壩）斷面進(jìn)行計(jì)算分析。

4 大壩反演計(jì)算確定滲透系數(shù)

計(jì)算時(shí)，首先選取與庫(kù)水位相關(guān)性較好的測(cè)點(diǎn)；其次根據(jù)地質(zhì)專(zhuān)業(yè)提供的滲透系數(shù)對(duì)不同斷面在穩(wěn)定滲流情況下進(jìn)行滲流計(jì)算，并與觀(guān)測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比；最后根據(jù)在地質(zhì)條件確定的滲透系數(shù)基礎(chǔ)上調(diào)整計(jì)算參數(shù)，直至各測(cè)點(diǎn)誤差均較小，即可認(rèn)為該滲透系數(shù)比較合理，能夠反映壩體滲流特性。

本次復(fù)核時(shí)，地質(zhì)勘察資料（豎井）結(jié)果為：主壩壩體土滲透系數(shù)為：Kx=0.0275～0.54m/d，Ky=0.022～0.224m/d，平均值為 Kx=0.156m/d，Ky=0.091m/d。

卵石混合土的滲透系數(shù)若采用地質(zhì)建議值，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際比較誤差大，參考類(lèi)似工程和原設(shè)計(jì)值，采用K=9m/d。壩體計(jì)算區(qū)域內(nèi)其他土層參考類(lèi)似工程選取：淤泥Kx=Ky=0.0086m/d，排水棱體Kx=Ky=20m/d，截水槽及帷幕灌漿Kx=Ky=0.0052m/d。

計(jì)算時(shí)均選取相對(duì)穩(wěn)定的庫(kù)水位（持續(xù)時(shí)間大于30d），并采用北京理正研究院編制的《滲流分析計(jì)算》進(jìn)行計(jì)算。

通過(guò)分析大壩觀(guān)測(cè)資料，選擇壩0+230，0+370主河床斷面，0+490副壩利用管水位和庫(kù)水位相關(guān)性較好的測(cè)點(diǎn)，選取水位相對(duì)較高、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)、測(cè)點(diǎn)觀(guān)測(cè)資料相對(duì)齊全的庫(kù)水位進(jìn)行滲流計(jì)算，經(jīng)反復(fù)比較后選取庫(kù)水位為1122.6m（1983年1月）。對(duì)測(cè)點(diǎn)水頭與滲流計(jì)算的水頭進(jìn)行比較，不同滲透系數(shù)、不同斷面計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 滲流計(jì)算結(jié)果表 單位：m

從表2計(jì)算值和觀(guān)測(cè)值比較看出，測(cè)點(diǎn)Ⅱ-5誤差一直很大，該測(cè)點(diǎn)予以剔除。除此之外，壩體土滲透系數(shù)Kx=0.129m/d，Ky=0.015m/d時(shí)，其他測(cè)點(diǎn)滲流計(jì)算的計(jì)算值與觀(guān)測(cè)值相對(duì)誤差較小。

為了驗(yàn)證所選滲流參數(shù)的合理性，對(duì)地質(zhì)勘察提供的壩體斷面0+230，0+370，0+490進(jìn)行滲流對(duì)比計(jì)算。結(jié)果顯示，3個(gè)斷面4個(gè)勘探點(diǎn)的水位吻合均很好，僅在0+490斷面有1個(gè)勘探點(diǎn)水面略高于實(shí)測(cè)，說(shuō)明通過(guò)反分析確定的滲流參數(shù)比較合理。最終確定壩體各土層滲透系數(shù)見(jiàn)表3。

表3 各土層滲透系數(shù)表

5 結(jié)語(yǔ)

由于土石壩是三維滲流場(chǎng)，用滲流基本方程計(jì)算成果很難與大壩實(shí)際運(yùn)行情況一致，考慮大壩邊界條件的復(fù)雜性，壩體、壩基滲流的非均勻性，根據(jù)實(shí)測(cè)資料對(duì)滲流參數(shù)進(jìn)行反演分析，確定合理的滲透參數(shù)，再進(jìn)行滲流有限元計(jì)算，從而推測(cè)出正常高水位下的滲流場(chǎng)及浸潤(rùn)線(xiàn)位置，為大壩穩(wěn)定計(jì)算提供依據(jù)。