汾河水库大坝渗透系数反演计算方法简述

张世泉

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

1 工程概况

汾河水库位于太原市娄烦县杜交曲镇下石家庄村北约1km汾河干流上游，属黄河流域，是一座以防洪、灌溉、工业和城市供水为主，兼顾发电和养鱼等综合利用的大（二）型水利枢纽工程。水库枢纽工程由大坝、溢洪道、输水发电洞、泄洪隧洞及水电站等建筑物组成，所有泄水建筑物均位于右岸。拦河大坝为水中倒土坝，坝顶高程1131.4m，最大坝高61.4m。

大坝主坝段位于卵石混合土和混合土卵石层上；左岸副坝位于厚19～23m的低液限粉土上，下部为厚约2～3m的卵石混合土；右坝肩位于厚8～25m的低液限粉土上，下部为厚约2～3m的卵石混合土。

2 观测资料分析

2.1 观测资料完整性、时效性分析

汾河水库近十年的大坝安全监测资料没有经过校正，无法利用。本次收集到的观测资料是1983—2000年间的整编资料。渗流观测资料不连续，且多数测压管或孔隙水压力计与库水位相关性较差。河床段共设坝 0+180，坝 0+230，坝 0+370，坝 0+450，坝 0+490五个观测横断面。

大坝河床观测断面和测点虽然较多，但通过统计发现，资料不完整，或测压管失效，与库水位相关性较差（数据变幅较小），可利用的观测资料不多。分析原因主要有以下几方面：第一，经多年运行，测压管的进水管段已淤积，致使库水位升高时，测压管水位上升较慢或几乎不动；第二，有的测压管进水管段太短，对库水位的反应不太灵敏；第三，大坝土体渗透系数较小，坝轴线上游浸润线较高，坝轴线下游浸润线很快降至下游水位，下游坝面测点数据与下游水位相关，受库水位影响较小；第四，测压管（渗压计）测点位置不合适，不能如实反映坝体渗流情况。

为判别实测资料的可用性，根据主河床观测资料统计情况，结合地质勘探提供的坝0+230，坝0+370，坝0+490三个横剖面图，选择相关测点的观测资料，做出部分时段（相关性较好）的测压管（孔隙水压力计）过程线，确定测压管滞后时间，判断资料可用性。

由于测点与库水位两者水位差较大，从多年观测资料整编图上难以看出滞后的时间和相关关系，因此，从中选取测压管与库水位相关性较好的1～2年内的观测数据做出过程线，选择断面坝0+370进行分析，其余断面测点测压管过程线绘制同上。

从测压管过程线可以看出，所选时段的测压管与库水位时间滞后。

2.2 渗流观测资料回归分析

为了弄清楚库水位与各断面测压管水位的相互关系，进而由实测资料推测高水位时坝体渗流情况，利用现有的观测资料，选取有代表性的相对稳定库水位下的测压管水位，将实测数据进行直线回归，得出每个测压管的库水位与管水位之间的表达式，利用该表达式预测正常高水位1129.0m时各断面的测压管水位。

在渗流过程中，影响观测的主要因素为库水位、温度、时效和降水等。因温度变化、降水对土石坝测压管水位影响极小，而时效的影响可从过程线中推出，因此在相关分析时仅考虑库水位的影响，即选取库水位H和相关测点滞后的相应观测值h，点绘h—H相关线，进行直线相关，经验公式为h=b×H+a。各测点拟合的直线方程，相关系数R见表1。

表1 回归分析表

由表1可以看出，所选取的测点观测值与库水位相关性较好，相关系数均在0.9以上。根据这些测点的观测资料确定大坝坝体渗流系数。

3 大坝渗流分析断面选择

根据大坝运行多年实际情况（左岸副坝渗漏），结合大坝测点布置及测压管运行状况，选择有代表性的断面进行大坝渗流稳定计算，分别选取主河床段最大坝高断面坝 0+370，0+230，0+490（副坝）断面进行计算分析。

4 大坝反演计算确定渗透系数

计算时，首先选取与库水位相关性较好的测点；其次根据地质专业提供的渗透系数对不同断面在稳定渗流情况下进行渗流计算，并与观测资料进行对比；最后根据在地质条件确定的渗透系数基础上调整计算参数，直至各测点误差均较小，即可认为该渗透系数比较合理，能够反映坝体渗流特性。

本次复核时，地质勘察资料（竖井）结果为：主坝坝体土渗透系数为：Kx=0.0275～0.54m/d，Ky=0.022～0.224m/d，平均值为 Kx=0.156m/d，Ky=0.091m/d。

卵石混合土的渗透系数若采用地质建议值，计算结果与实际比较误差大，参考类似工程和原设计值，采用K=9m/d。坝体计算区域内其他土层参考类似工程选取：淤泥Kx=Ky=0.0086m/d，排水棱体Kx=Ky=20m/d，截水槽及帷幕灌浆Kx=Ky=0.0052m/d。

计算时均选取相对稳定的库水位（持续时间大于30d），并采用北京理正研究院编制的《渗流分析计算》进行计算。

通过分析大坝观测资料，选择坝0+230，0+370主河床断面，0+490副坝利用管水位和库水位相关性较好的测点，选取水位相对较高、持续时间较长、测点观测资料相对齐全的库水位进行渗流计算，经反复比较后选取库水位为1122.6m（1983年1月）。对测点水头与渗流计算的水头进行比较，不同渗透系数、不同断面计算结果见表2。

表2 渗流计算结果表 单位：m

从表2计算值和观测值比较看出，测点Ⅱ-5误差一直很大，该测点予以剔除。除此之外，坝体土渗透系数Kx=0.129m/d，Ky=0.015m/d时，其他测点渗流计算的计算值与观测值相对误差较小。

为了验证所选渗流参数的合理性，对地质勘察提供的坝体断面0+230，0+370，0+490进行渗流对比计算。结果显示，3个断面4个勘探点的水位吻合均很好，仅在0+490断面有1个勘探点水面略高于实测，说明通过反分析确定的渗流参数比较合理。最终确定坝体各土层渗透系数见表3。

表3 各土层渗透系数表

5 结语

由于土石坝是三维渗流场，用渗流基本方程计算成果很难与大坝实际运行情况一致，考虑大坝边界条件的复杂性，坝体、坝基渗流的非均匀性，根据实测资料对渗流参数进行反演分析，确定合理的渗透参数，再进行渗流有限元计算，从而推测出正常高水位下的渗流场及浸润线位置，为大坝稳定计算提供依据。