李嬋娟，焦有權(quán)，馮 吉，荀志成

(1.密云水庫管理處，北京 101512；2.北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，北京 102442)

0 引 言

白河樞紐主壩是密云水庫中最重要的一個(gè)建筑物，白河主壩位于白河溪翁莊村北約1km ，在密云縣城以北約20km。壩址為無階地的箱型河谷，兩岸陡立，左岸坡85°-90°，右岸坡70°-80°。河床高程94m-98m，兩岸山頂高程約250m，岸高約150m。河谷底寬900-100m，順河方向長700m。水庫總庫容 43.75億m3，設(shè)計(jì)工況水位157.5m，校核工況水位 158.5m，是一座以防洪、供水為主的多年調(diào)節(jié)大型水利樞紐工程。

壩址區(qū)巖層主要有前震旦紀(jì)片麻巖，震旦紀(jì)石英巖，中生代火成巖及第四紀(jì)砂卵石麻巖風(fēng)化很深，滲透性??；石英巖節(jié)理發(fā)育，滲透性強(qiáng)，火成巖多呈脈狀侵入兩岸巖層倒轉(zhuǎn)，傾向上游。由于構(gòu)造發(fā)育，斷層、擠壓破碎帶和裂隙很發(fā)育。卵石覆蓋層最深達(dá)44m，平均滲透系數(shù)范圍為500-800m/d。

白河主壩壩型為壤土斜心墻砂礫石壩體的土壩，壩基覆蓋層防滲處理采用壤土齒槽、水泥灌漿帷幕及混凝土防滲墻的綜合垂直防滲。白河主壩最大壩高66.39m，壩頂高程160m，壩頂寬8m，壩長960.2m，壩底最大寬370m，上游壩坡為1∶2.65-3.5，下游壩坡為1∶2.2-1∶2.5，濾水壩趾斜坡為1∶8，壩址排水體頂高程103m，地基防滲線全長953m，其中靠近兩岸為壤土，長178.14m，中間偏西為黏土水泥灌漿帷幕，長240m；混凝土防滲墻東段長418.86m，西段長150.17m，共長569.03m。壩頭右岸巖石按1∶0.75劈坡；左岸巖石斜墻部分按1∶0.7劈坡，砂礫石壩體部分按1∶0.5劈坡。壩址設(shè)排水體和排水溝，下游壩面與山坡連接處作截流排水溝。下游壩坡設(shè)有兩道土壩臺(tái)階，每道寬19m。壩頂修硬化路面，上游防浪墻高1m，下游側(cè)有路邊石。沿壩頂設(shè)有路燈。壩體設(shè)有沉降位移標(biāo)點(diǎn)37個(gè)，壩體和壩頭巖岸設(shè)測(cè)壓管監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

科學(xué)的對(duì)大壩滲流進(jìn)行監(jiān)測(cè)對(duì)水庫安全運(yùn)行、壩體安全穩(wěn)定具有十分重要的意義。在監(jiān)控大壩所處的滲流狀態(tài)時(shí)，通常是構(gòu)建大壩的滲流監(jiān)控模型，由于滲流相對(duì)滯后于水庫水位，因此在建立模型是，很難用某一指標(biāo)去做衡量參數(shù)，工程中測(cè)壓管水位經(jīng)常被引入模型，因此測(cè)壓管水位的數(shù)據(jù)是監(jiān)測(cè)大壩安全的重要指標(biāo)和參數(shù)。

因此，文章連續(xù)10a對(duì)密云水庫白河主壩特征測(cè)壓管水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，利用描述性統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)原理進(jìn)行計(jì)算得到特征值，通過繪制測(cè)壓管數(shù)據(jù)變化圖譜，對(duì)測(cè)壓管水位動(dòng)態(tài)變化特征進(jìn)行分析，以為水庫安全運(yùn)行、壩體安全穩(wěn)定提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

白河樞紐水工建筑物包括白河主壩、走馬莊副壩、北白巖副壩、西石駱駝副壩、南石駱駝副壩、白河輸水發(fā)電隧洞、白河泄洪支洞、白河廊道、白河泄空隧洞、走馬莊隧洞、調(diào)節(jié)池工程。白河主壩共有測(cè)壓管39個(gè)，均采用人工和遙測(cè)兩種手段監(jiān)測(cè)(遙測(cè)由監(jiān)測(cè)中心負(fù)責(zé))，整編數(shù)據(jù)以人工觀測(cè)值為準(zhǔn)。2009年，白河主壩最高庫水位為137.55m(7月23日)，最低庫水位為135.85m(6月27日)，水位較差1.70m。白河地區(qū)全年降水量為626.4mm，降水天數(shù)60d，最大日降水量為116.9mm(8月1日)。利用2009—2018年白河主壩10a間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)壓管水位第10號(hào)管的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析。

1.2 研究方法

文章首先應(yīng)用office2019 Excel對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將10a間的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，篩選出數(shù)列較好的10號(hào)管數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，利用描述性統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)原理，借助Origin2019b數(shù)據(jù)分析軟件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與檢驗(yàn)。

描述性統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)原理如下：

1)幾何均值：

樣本數(shù)據(jù)x1，x2，…，xn的幾何均值m可以根據(jù)下式求得：

(1)

2)標(biāo)準(zhǔn)差：

有兩種樣本數(shù)據(jù)x1，x2，…，xn的標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式，分別為：

(2)

式中：樣本均值為

(3)

3)總和：是指統(tǒng)計(jì)值的算術(shù)求和值。

4)極值：包括數(shù)列中最大值和最小值，最大值與最小值的差值為極差。

5)中位數(shù)：數(shù)列排序后，處于正中間的數(shù)值。

1.3 數(shù)據(jù)選取

連續(xù)10a，每年各月5日、10日、15日、20日、25日的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 連續(xù)10a每月5日測(cè)壓管數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化特征分析

連續(xù)10a間各月5日測(cè)壓管數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2009—2018年各月5日測(cè)壓管數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表，見表1。從表1可以看出，測(cè)壓管10號(hào)管的在在2011年平均值最大，達(dá)到81.07083；但從標(biāo)準(zhǔn)差來看，2011并不是最大的，而是2018年，標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到0.61274，說明該年度來水量年內(nèi)分布非常不均勻，從標(biāo)準(zhǔn)差來看，測(cè)壓管水位最均勻是2009年，它的極差只有0.16。

連續(xù)10a各月5日測(cè)壓管數(shù)據(jù)變化，2009—2018年各月5日測(cè)壓管數(shù)據(jù)變化圖，見圖1。從圖1可以看出，大多數(shù)觀測(cè)數(shù)據(jù)在每月5日的變化波動(dòng)都比較規(guī)律，每年1、2、3月份波動(dòng)不大，但在每年的9月5日，數(shù)據(jù)波動(dòng)非常大，因?yàn)樗畮熘饕獊硭竟?jié)在7、8、9月份，這些月份的豐水年與枯水年測(cè)壓管數(shù)據(jù)變化非常顯著。

表1 2009—2018年各月5日測(cè)壓管數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

圖1 2009—2018年各月5日測(cè)壓管數(shù)據(jù)變化圖

2.2 連續(xù)10a每月10日測(cè)壓管數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化特征分析

連續(xù)10a間各月10日測(cè)壓管數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2009—2018年各月10日測(cè)壓管數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表，見表2。從表2中可以看出，各月份10日測(cè)壓管測(cè)壓管10號(hào)管的在2011年平均值最大，達(dá)到81.06417；但從標(biāo)準(zhǔn)差來看，2011并不是最大的，而是2018年，標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到0.61274，說明該年度來水量年內(nèi)分布非常不均勻，從標(biāo)準(zhǔn)差來看，測(cè)壓管水位最均勻是2009年，它的極差只有0.22。

連續(xù)10a各月10日測(cè)壓管數(shù)據(jù)變化，2009—2018年各月10日測(cè)壓管數(shù)據(jù)變化圖，見圖2。從圖2可以看出，大多數(shù)觀測(cè)數(shù)據(jù)在每月10日的變化波動(dòng)都比較規(guī)律，每年1、2、3月份波動(dòng)不大，但在每年的9月10日，監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)波動(dòng)非常大，因?yàn)樗畮熘饕獊硭竟?jié)在7、8、9月份，這些月份的豐水年與枯水年測(cè)壓管數(shù)據(jù)變化非常顯著。

圖2 2009—2018年各月10日測(cè)壓管數(shù)據(jù)變化圖

2.3 連續(xù)10a每月15日測(cè)壓管數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化特征分析

連續(xù)10a間各月15日測(cè)壓管數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2009—2018年各月15日測(cè)壓管數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表，見表3。從表3中可以看出，各月份15日測(cè)壓管測(cè)壓管10號(hào)管的在2011年平均值最大，達(dá)到81.06；但從標(biāo)準(zhǔn)差來看，2011并不是最大的，而是2012年，標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到0.61144，說明該年度來水量年內(nèi)分布非常不均勻，從標(biāo)準(zhǔn)差來看，測(cè)壓管水位最均勻是2009年，它的極差只有0.22。

連續(xù)10a間各月15日測(cè)壓管數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2009—2018年各月15日測(cè)壓管數(shù)據(jù)變化圖，見圖3。從圖3中可以看出，大多數(shù)觀測(cè)數(shù)據(jù)在每月5日的變化波動(dòng)都比較規(guī)律，每年1、2、3月份波動(dòng)不大，但在每年的9月15日，數(shù)據(jù)波動(dòng)非常大，另外7月15日監(jiān)測(cè)值也發(fā)生明顯波動(dòng)，因?yàn)樗畮熘饕獊硭竟?jié)在7、8、9月份，這些月份的豐水年與枯水年測(cè)壓管數(shù)據(jù)變化非常顯著。

表3 2009—2018年各月15日測(cè)壓管數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

圖3 2009—2018年各月15日測(cè)壓管數(shù)據(jù)變化圖

2.4 連續(xù)10a每月20日測(cè)壓管數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化特征分析

連續(xù)10a間各月20日測(cè)壓管數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2009—2018年各月20日測(cè)壓管數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表，見表4。從表4中可以看出，各月份20日測(cè)壓管測(cè)壓管10號(hào)管的在2013年平均值最大，達(dá)到81.05833；但從標(biāo)準(zhǔn)差來看，2011并不是最大的，而是2014年，標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到0.63651，說明該年度來水量年內(nèi)分布非常不均勻，從標(biāo)準(zhǔn)差來看，測(cè)壓管水位最均勻是2009年，它的極差只有0.26。

連續(xù)10a間各月20日測(cè)壓管數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2009—2018年各月20日測(cè)壓管數(shù)據(jù)變化圖，見圖4。從圖4中可以看出，大多數(shù)觀測(cè)數(shù)據(jù)在每月5日的變化波動(dòng)都比較規(guī)律，每年1、2、3月份波動(dòng)不大，但在每年的9月20日，數(shù)據(jù)波動(dòng)非常大，同時(shí)從2016年的8月20日，數(shù)據(jù)波動(dòng)也非常大，因?yàn)樗畮熘饕獊硭竟?jié)在7、8、9月份，這些月份的豐水年與枯水年測(cè)壓管數(shù)據(jù)變化非常顯著。

表4 2009—2018年各月20日測(cè)壓管數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

圖4 2009—2018年各月20日測(cè)壓管數(shù)據(jù)變化圖

2.5 連續(xù)10年每月25日測(cè)壓管數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化特征分析

連續(xù)10a間各月25日測(cè)壓管數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2009—2018年各月25日測(cè)壓管數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表，見表5。從表5中可以看出，各月份25日測(cè)壓管測(cè)壓管10號(hào)管的在2013年平均值最大，達(dá)到81.04167；但從標(biāo)準(zhǔn)差來看，2011并不是最大的，而是2018年，標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到0.61274，說明該年度來水量年內(nèi)分布非常不均勻，從標(biāo)準(zhǔn)差來看，測(cè)壓管水位最均勻是2009年，它的極差只有0.26。

表5 2009—2018年各月25日測(cè)壓管數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

連續(xù)10a間各月25日測(cè)壓管數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2009—2018年各月25日測(cè)壓管數(shù)據(jù)變化圖，見圖5。從圖5中可以看出，大多數(shù)觀測(cè)數(shù)據(jù)在每月25日的變化波動(dòng)都比較規(guī)律，但在2013年的9月25日和2018年9月25日數(shù)據(jù)波動(dòng)非常大，其他時(shí)間趨于平穩(wěn)。

圖5 2009—2018年各月25日測(cè)壓管數(shù)據(jù)變化圖

3 結(jié)論與建議

1)白河主壩測(cè)壓管監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)年內(nèi)是分布不均勻，從連續(xù)10a每月1次的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，測(cè)壓管10號(hào)管在每月10日的變化中，均方差最大值達(dá)到0.66055，年內(nèi)各月份波動(dòng)較大，這對(duì)水庫大壩的管理，尤其是防滲及護(hù)岸等工作提出較高的要求。

2)白河主壩測(cè)壓管監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)年際間波動(dòng)較大，整體來看，10a間測(cè)壓管監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在79.5-82.0m之間波動(dòng)，管水位波動(dòng)范圍接近3m，對(duì)于一個(gè)特大型水庫來水，其管理難度可想而知，這也為相關(guān)工作提出更高的要求。

3)白河主壩測(cè)壓管監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在豐水期與枯水期的差異較大，從連續(xù)10a每月10日的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來看，每年1月、2月、3月數(shù)據(jù)波動(dòng)最小，8月、9月數(shù)據(jù)波動(dòng)最大，這與密云水庫季節(jié)性來水保持正向相關(guān)性。

4)單點(diǎn)測(cè)壓管監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不足以反映水庫的整體變化，建議在今后的工作中，要增加測(cè)壓管監(jiān)測(cè)的頻次，提高數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性分析，強(qiáng)化基于大數(shù)據(jù)支撐的動(dòng)態(tài)監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)壩體水位變化的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)可視化。