棉花滩大坝渗流监测资料分析

徐世元

(福建棉花滩水电开发有限公司，福建龙岩 364000)

1 工程概况

棉花滩水电站位于福建省永定县境内，工程属I等枢纽工程，大坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高113.0 m，坝顶全长 308.5 m，坝顶高程为 179.0 m.水库正常蓄水位173 m，校核洪水位177.80 m.工程于1998年4月正式开工，2000年12月18日下闸蓄水.坝址河谷狭窄，为地形基本对称的“V”形河谷，枯水期河面宽20.0～30.0 m，两岸山体雄厚.基岩为花岗岩，微风化，致密坚硬.岩体内发育有岩脉和多组断层.坝基扬压力孔布置在纵向基础廊道以及三个横向廊道内，共有25个测点，编号UP1～UP25.UP1～UP16位于1#～6#坝段纵向基础灌浆廊道，UP17～UP25位于三个横向廊道内，所有测点均有人工和自动化测值［1］.UP5孔在2003年6月后新建一个扬压力观测孔，新旧孔分别命名UP5-NEW和UP5-OLD.人工一般每月监测3次监测，自动化每天监测一次，本文资料系列人工为2001年9月～2008年12月;自动化为2002年11月～2008年12月.棉花滩大坝渗漏量采用三角堰来测量.其中，(76.00 m廊道集水井两侧的上下游排水沟内各设置两个量水堰，分别测量坝体和坝基的渗流量，坝体渗流量的测点编号分别为WE1和WE3，测坝基渗流量的测点编号为WE2和WE4;在左右排水平洞的排水沟中各设置一个量水堰，测点编号分别为WE5和WE6.在▽96.00 m、▽120.00 m和▽140.00 m出坝廊道的下游出口段共设了4个(▽140.00 m高程布置两只)量水堰，测点编号分别为WE7、WE8、WE9和WE10.

2 坝基扬压力性态分析

图1为典型坝段扬压力UP5(5#坝段)测孔水位实测过程线.由监测资料表明:

(1)上游水位是影响坝基扬压力测孔水位变化的主要因素，降雨次之，而扬压力测孔水位受温度变化的影响不大;

(2)高水位时段5#和3#坝段的扬压力系数超过设计值，5#横断面上测压孔水位呈上下游较高，中间测孔水位相对较低分布，且UP17和UP18孔水位有逐渐增大的趋势，这与坝段基础有F18等断层穿过，地质情况复杂有关，建议加强监测和分析.

(3)扣除由于监测误差引起的测值突变和跳跃现象后，UP9、UP11、UP17和UP18孔的孔水位有逐渐升高的趋势;除上述测孔外，其余测孔测值变化比较稳定，无明显的趋势性变化.

图1 5#坝段UP5扬压力测孔水位实测过程线

(4)根据扬压力折减系数公式计算［2］，棉花滩大坝在高水位时段(水位高于170 m)时的最大扬压力折减系数大部分小于设计采用值.其中UP5、UP6、UP11和 UP15超过设计值.其主要原因有:①1#岸坡坝段的UP15测孔，除受库水位及降雨影响外，山坡地下水和渗流不利地质是重要影响因素;②5#坝段的UP5、UP6孔基础条件复杂，有F18等断层穿过.图2为2008年最高水位时各测孔扬压力折减系数及设计值分布.图3为5#坝段2008年8月29日实测和设计扬压力图形.

图2 2008年最高水位时各测孔扬压力折减系数及设计值分布

3 渗漏量性态分析

图4为典型测点渗漏量过程线，监测资料分析表明:

(1)上游库水位变化是影响各测点渗漏量变化的主要因素，库水位上升时，渗漏量增大;库水位下降时，渗漏量减小;库水位变化对大坝渗漏量影响有滞后效应.

图3 5#坝段2008年8月29日实测和设计扬压力图形

(2)降雨是影响各坝段渗漏量变化的因素之一，降雨量较多及库水位较高的时段，渗漏量较大;降雨量较少及库水位较低的时段，大坝渗漏量较小.

图4 渗漏量WE6实测过程线

(3)温度变化对各坝段坝基渗漏量有一定的影响，但总体影响比库水位及降雨变化要小.

(4)时效对各坝段渗漏量也有一定的影响，但影响较小.

总体而言，若扣除监测误差及横缝止水问题等影响，则坝体及坝基的渗漏量测值总体变化较为平稳，无明显的趋势性变化.

4 绕坝渗流性态分析

图5为典型测点绕坝渗流测孔水位过程线.监测资料分析表明:

(1)帷幕前测的点R1和L1所监测的绕坝渗流量的变化受库水位变化的影响较大，库水位升高，绕坝渗流孔水位上升;库水位下降，绕坝渗流测孔水位下降;同时，库水位变化对地下水位影响有一滞后过程.

(2)温度变化对两岸绕坝渗流变化有一定的作用，一般温度较低季节，地下水位较高，而温度较高季节，则地下水位较低.

(3)降雨对两岸绕坝渗流也有影响，降雨较多的季节，库水位较高，则地下水位较高;反之，降雨较少季节，库水位较低，则地下水位较低;同样地下水位的变化较降雨也有一个滞后过程.

(4)两岸绕坝渗流孔水位变化比较平稳，时效呈平稳变化.

图5 绕坝渗流左岸测点L1实测过程线

5 大坝渗流监测资料统计模型分析

5.1 渗流监测统计模型

吴中如［3］坝基扬压力、渗漏量和绕坝渗流的统计模型采用以下表达式.

(1)坝基扬压力测孔水位监测资料统计模型

其中:H—拟合值;Hh—水位分量;HT—温度分量;

HP—降雨分量;Hθ—时效分量.

ai—水位分量回归系数(i=1～5);

hi—观测日、观测日前1天、前2～4天、前5～15天、前16～30天的上游平均水位(i=1～5);

h0i—初始观测日各时段上游水位平均值(i=1～5).

t—从监测日至始测日的累计天数;

t0—资料序列的第一个测值至起测日的累计天数;

b1i、b2i—温度因子的回归系数(i=1，2).

Pi—为观测日、观测日前1天、前2～4天、前5～8天的降雨量均值(i=1～4);

P0—初始监测日各时段平均降雨量(i=1～4);

ci—降雨量因子的回归系数(i=1～4).

d1、d2—时效分量的回归系数;

θ—t除以 100;θ0—t0除以 100.

(2)渗漏量回归模型

式中符合意义同(1)式.

(3)绕坝渗流测孔水位回归模型

式中符合意义同(1)式.

5.2 渗流统计模型成果分析

(1)回归模型精度

扬压力26个测点有15个复相关系数＞0.9，5个测点介于 0.8～0.9之间，小 6个测点于 0.8，UP25测点复相关系数最低，为0.724.

各分区渗漏量8个测点以及坝体坝基及大坝总体渗漏量中，有3个测点复相关系数＞0.8，另外8个测点相关系数在0.5～0.8之间.

14个绕坝渗流测孔的统计模型复相关系数R，＞0.9的测孔有5个，在0.8～0.9之间的测孔有5个，在0.7～0.8之间的测孔有5个，还有1个测孔的复相关系数R为0.637.

因此，渗流回归模型的精度较高，可以用于分析各影响量对渗流监测量的影响.

(2)渗流影响因素分析

①上游水位是影响坝基扬压力、渗漏量和绕坝渗流的主要因素.坝基扬压力、渗漏量和绕坝渗流测点，选中上游水位因子的测点数分别占总测点数的96.15%、95.2%和100%，库水位升高，扬压力测孔水位升高;库水位下降，扬压力测孔水位降低，孔水位变化滞后于库水位的变化.在典型年坝基扬压力、渗漏量和绕坝渗流测值年变幅中，水压分量分别约占50% ～70%、30% ～60%和35% ～45%.

②温度对坝基扬压力、渗漏量和绕坝渗流有一定的影响，所有测点都选中了温度因子.在典型年坝基扬压力、渗漏量和绕坝渗流测值年变幅中，温度分量约占10% ～20%、15% ～25%和10% ～20%.

③降雨对坝基扬压力测孔水位、渗漏量和绕坝渗流变化有一定的影响，且岸坡测点受降雨的影响大.在典型年坝基扬压力、渗漏量和绕坝渗流测值年变幅中，降雨分量约占15% ～25%、15% ～30%和30% ～40%.

④所有坝基扬压力、渗漏量和绕坝渗流测点均选中时效因子.在典型年坝基扬压力、渗漏量和绕坝渗流测值年变幅中，时效分量约占年变幅的5%左右.

6 结语

通过坝基扬压力、渗漏量和绕坝渗流监测资料的定性和模型分析，对棉花滩大坝渗流性态有如下结论:

(1)坝基坝基扬压力、渗漏量和绕坝渗流测孔水位主要受水位因素影响，时效分量已经稳定.

(2)UP9、UP11、UP17和 UP18等扬压力测点孔水位在逐渐升高，UP5、UP6和UP15孔水位较高以及扬压力折减系数也较大，应加强对上述部位的监测和分析.

(3)各测点在2002年和2003年的监测值波动较大，随后渐渐平稳.若扣除监测误差及横缝止水问题等原因后，各量水堰测点渗漏量测值总体变化平稳，无明显趋势性变化，但仍要加强监测和分析.

综上，棉花滩大坝渗流变化性态基本正常.

［1］金 秋，陈新杰.棉花滩大坝扬压力综合分析［J］.人民黄河:2010，32(3):114-117.

［2］中华人民共和国国家经济贸易委员会.DL/T5178-2003混凝土坝安全监测技术规范［S］.北京:中国电力出版社，2003.

［3］吴中如.水工建筑物安全监控理论及其应用［M］.北京:高等教育出版社，2003.