林芝，孟相君，薛洋，童景輝

（國(guó)家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，311122）

0 引言

土石壩作為就近采用當(dāng)?shù)赝潦牧闲藿ǖ膿跛ㄖ?，建造歷史悠久，生命力強(qiáng)，得到了廣泛應(yīng)用。目前我國(guó)土石壩建設(shè)已突破壩高200 m級(jí)，面板壩和心墻壩逐步成為高土石壩建設(shè)的主流壩型，如云南瀾滄江上的糯扎渡工程為心墻堆石壩，壩高261.5 m，是我國(guó)已建最高的心墻壩[1]；湖北清江的水布埡大壩壩高233.2 m，是目前世界上已建最高的混凝土面板堆石壩[2]。隨著一大批土石壩工程完工投入運(yùn)行，其運(yùn)行性態(tài)是運(yùn)行管理、設(shè)計(jì)、施工單位和國(guó)家監(jiān)管部門關(guān)注的重點(diǎn)，其中滲流穩(wěn)定是土石壩安全運(yùn)行的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)外相關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示，滲透破壞直接導(dǎo)致的土石壩失事概率約占29%～44%[3]。土石壩滲流作為影響大壩結(jié)構(gòu)安全的重要方面，眾多學(xué)者對(duì)此開展了研究分析，之前的大量研究認(rèn)為土石壩滲流受庫(kù)水位、溫度、降雨量的影響，屬于不穩(wěn)定滲流。由于滲流場(chǎng)內(nèi)孔隙水壓力會(huì)對(duì)壩體邊坡的穩(wěn)定性造成影響，較大的出滲坡降會(huì)使下游壩坡出現(xiàn)滲透變形，許多工程缺陷如防滲體破壞、管涌、滲水、裂縫等都可以在滲流效應(yīng)量上得到體現(xiàn)，尤其是通過分析壩后滲流量的變化趨勢(shì)、量值及水質(zhì)情況對(duì)比，可以獲得土石壩整體的滲流控制情況。然而由于大多數(shù)土石壩采用壩后量水堰，滲流量測(cè)值易受客水干擾，特別是在降雨影響下，測(cè)值往往不能直接反映大壩的滲流狀況，從而影響大壩結(jié)構(gòu)安全評(píng)判結(jié)論。

本研究在收集大量土石壩滲流量實(shí)測(cè)資料的基礎(chǔ)上，嘗試采用分段法分析降雨對(duì)壩后量水堰實(shí)測(cè)值的影響，構(gòu)建合理的滲流量預(yù)報(bào)模型，以預(yù)測(cè)不同降雨過程影響下的滲流量值，并結(jié)合灘坑大壩的滲流量實(shí)測(cè)資料進(jìn)行計(jì)算分析。

1 降雨對(duì)土石壩滲流量影響機(jī)理分析

土石壩降雨入滲是指雨水從大壩表面滲入土壤過程中不斷驅(qū)替空氣而飽和空隙的過程，通常根據(jù)降雨強(qiáng)度與土體飽和度、土體入滲能力之間的關(guān)系，將降雨入滲分為3種情況[4]：

（1）情況A：降雨強(qiáng)度小于土體飽和度，雨水將全部入滲，不會(huì)形成徑流。

（2）情況B：降雨強(qiáng)度大于土體飽和度而小于土體入滲能力，雨水將全部入滲，也不會(huì)形成徑流。

（3）情況C：降雨強(qiáng)度大于土體飽和度和土體入滲能力，此時(shí)將形成徑流（以下稱為降雨徑流）。

以上A、B兩種情況下，降雨不會(huì)對(duì)壩后量水堰實(shí)測(cè)值造成明顯干擾，量水堰測(cè)值可以認(rèn)為是大壩實(shí)際滲流量，即Q實(shí)測(cè)=Q大壩；C 情況下，壩后量水堰實(shí)測(cè)值可以認(rèn)為是大壩滲流量和降雨徑流量之和，即Q實(shí)測(cè)=Q大壩+Q徑流。

要確定降雨徑流對(duì)量水堰實(shí)測(cè)值的影響規(guī)律，首先要確定降雨入滲的邊界條件，即降雨強(qiáng)度與土體入滲能力的相對(duì)關(guān)系。很多學(xué)者曾提出了各自的解決方法：高潤(rùn)德等[5]將入滲邊界作為流量已知邊界，直接將降雨強(qiáng)度作為邊界入滲率；吳宏偉等[6]假定70%的入滲量為土體的入滲率；李兆平等[7]根據(jù)降雨強(qiáng)度與飽和滲透系數(shù)的關(guān)系來確定入滲率；榮冠等[8]通過有限元數(shù)值模擬的方法確定入滲邊界。本研究嘗試通過分析壩后量水堰實(shí)測(cè)值和降雨過程實(shí)測(cè)值之間的關(guān)系來確定。

2 分段法構(gòu)建土石壩滲流量監(jiān)控模型

2.1 滲流量測(cè)值相關(guān)因素分析

土石壩壩后量水堰測(cè)值主要受上游水位影響，同時(shí)在不同降雨強(qiáng)度和降雨過程的影響下，會(huì)受降雨徑流的干擾而突增。不同降雨強(qiáng)度和降雨過程對(duì)量水堰測(cè)值的影響不同：當(dāng)降雨強(qiáng)度較小、歷時(shí)較短時(shí)，測(cè)值基本不受影響；當(dāng)降雨強(qiáng)度較大或歷時(shí)較長(zhǎng)時(shí)，測(cè)值會(huì)出現(xiàn)異常增大。因此嘗試將明顯受降雨影響的實(shí)測(cè)值和不受降雨影響的實(shí)測(cè)值進(jìn)行分組分析，構(gòu)造不同降雨過程影響下的滲流量監(jiān)控模型。

2.2 分段法構(gòu)建滲流量監(jiān)控模型

對(duì)于一個(gè)已知的降雨過程，壩后量水堰實(shí)測(cè)值可以表示為Q實(shí)測(cè)=Q大壩+Q徑流。根據(jù)土石壩的降雨量入滲機(jī)理和量水堰實(shí)測(cè)值的相關(guān)因素分析，分段構(gòu)建滲流量測(cè)值表達(dá)式：

對(duì)于運(yùn)行多年且結(jié)構(gòu)無異常的大壩，上游水位、氣溫和時(shí)效對(duì)滲流量的影響是確定的，即在相同的上游水位情況下，Q大壩是一個(gè)確定值，因此式（3）和式（4）中水位、氣溫和時(shí)效的函數(shù)相同，可將全序列數(shù)據(jù)組相應(yīng)的上游水位、氣溫和時(shí)間代入式（4），得到全序列上游水位、氣溫和時(shí)效影響下的滲流量值。

2.3 降雨徑流預(yù)測(cè)

用實(shí)測(cè)滲流量減去上述上游水位、氣溫和時(shí)效影響下的滲流量值，得到降雨過程與Q徑流之間的函數(shù)關(guān)系，即：

借助長(zhǎng)短期記憶人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（LSTM），以某時(shí)刻之前一定時(shí)間內(nèi)（時(shí)段長(zhǎng)度可由降雨過程對(duì)滲流量的影響數(shù)據(jù)得到或取較大值）的降雨過程數(shù)據(jù)為輸入變量，以由該降雨引起的滲流量為目標(biāo)值，構(gòu)建降雨過程與降雨產(chǎn)生的滲流量的定量模型，即

式中，Qt為t時(shí)刻由降雨引起的滲流量；Pt為t時(shí)刻的降雨強(qiáng)度。

采用該模型可對(duì)相同降雨過程下產(chǎn)生的降雨徑流進(jìn)行預(yù)測(cè)，最后用滲流量實(shí)測(cè)值減去降雨徑流，即可得到大壩滲流量。

3 灘坑大壩滲流量監(jiān)控

3.1 工程概況

灘坑大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高162.0 m，水庫(kù)總庫(kù)容41.9億m3，正常蓄水位160.0 m。工程運(yùn)行多年，未見明顯異常，大壩滲流狀態(tài)已經(jīng)穩(wěn)定。大壩滲流量采用壩后量水堰形式進(jìn)行觀測(cè)，取2016年1月—2020年12月的量水堰實(shí)測(cè)值作為樣本進(jìn)行分析，實(shí)測(cè)滲流量與降雨量過程線見圖1，實(shí)測(cè)滲流量與庫(kù)水位過程線見圖2。

圖1 大壩實(shí)測(cè)滲流量與降雨量過程線Fig.1 Process curves of measured dam seepage and rainfall

圖2 大壩實(shí)測(cè)滲流量與上游水位過程線Fig. 2 Process curves of measured dam seepage and up?stream water level

3.2 分段計(jì)算

通過敏感性分析，最終得到“前5 d累積降雨量30 mm”為本大壩降雨入滲的邊界條件分割點(diǎn)，對(duì)前5 d累積降雨量小于30 mm的數(shù)據(jù)，采用式（3）進(jìn)行回歸計(jì)算，得到上游水位、氣溫和時(shí)間的函數(shù)表達(dá)式，將全序列數(shù)據(jù)組相應(yīng)的上游水位、氣溫和時(shí)間代入上述回歸模型方程，得到全序列上游水位、氣溫和時(shí)效影響下的滲流量值，見圖3。用實(shí)測(cè)滲流量減去上述上游水位、氣溫和時(shí)效影響下的滲流量值，得到不同降雨過程影響下的降雨徑流值，見圖4。

圖3 上游水位、氣溫和時(shí)效影響下的滲流量Fig. 3 Seepage under the influence of upstream water level,temperature and time effect

圖4 降雨徑流與降雨量測(cè)值過程線Fig.4 Process curves of rainfall runoff and rainfall

將分離得到的由降雨引起的滲流量和降雨過程數(shù)據(jù)作為L(zhǎng)STM 模型的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，建模效果見圖5，可見模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)降雨徑流非常接近，說明模型預(yù)測(cè)精度較高。從滲流量實(shí)測(cè)值中減去降雨徑流，可以得到扣除降雨影響后的大壩滲流量，見圖6。

圖5 降雨徑流預(yù)測(cè)值過程線Fig. 5 Process curves of predicted and measured values of rainfall runoff

圖6 扣除降雨影響后的大壩滲流量過程線Fig.6 Dam seepage after deducting rainfall impact

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)實(shí)測(cè)滲流量和扣除降雨影響后的滲流量進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見表1。從表1 可見，降雨量越大，對(duì)實(shí)測(cè)滲流量的影響越大，大壩滲流量減少幅度越大?？鄢涤暧绊懞?，大壩實(shí)際滲流量均在55 L/s以內(nèi)，未超出工程允許的滲流量最大值。

表1 典型降雨過程影響下扣除降雨量影響后的大壩滲流量計(jì)算結(jié)果Table 1 Dam seepage calculation results after deducting rainfall impact during typical rainfall processes

4 結(jié)語(yǔ)

（1）本研究在求取離散化處理的分割點(diǎn)L時(shí)采用多次試算的方法，可以進(jìn)一步研究更為合理的分割點(diǎn)求取方法。

（2）預(yù)測(cè)精度主要受實(shí)測(cè)樣本序列長(zhǎng)短、取樣頻次、模型分段數(shù)量的影響，在保證實(shí)測(cè)樣本數(shù)據(jù)質(zhì)量的情況下，可以較準(zhǔn)確地應(yīng)用于受降雨影響明顯的大壩滲流量監(jiān)控?！?/p>