土石坝渗流监测资料分析方法研究

许孝臣，许小杰，占　川，李洪强，汤明礼

（1.浙江广川工程咨询有限公司，浙江　杭州　310020；2.浙江省水利河口研究院，浙江　杭州　310020）



土石坝渗流监测资料分析方法研究

许孝臣1，2，许小杰1，2，占川1，2，李洪强1，2，汤明礼1，2

（1.浙江广川工程咨询有限公司，浙江杭州310020；2.浙江省水利河口研究院，浙江杭州310020）

为更好地发挥土石坝渗流监测资料的作用，以浙江省现状条件下的监测状况、已研究的渗流分析方法为基础，结合浙江省水利工程标准化建设的要求，研究了渗流监测资料的分析方法，通过分析渗流在时间、空间上的分布规律及其影响因素，对渗流稳定和大坝安全做出判断，有效发挥渗流监测资料的作用。

渗流监测；资料分析；土石坝；分析模型

1　问题的提出

土石坝是当地材料坝，有诸多优点，如造价低、施工技术成熟、便于管理等，在国内外的应用较广。据统计，土石坝在国外占所有大坝的比例超过62.0%［1］，国内土石坝所占的比例更高，尤其是在小型水库中，表现更为明显，如浙江省拥有3 885座小型水库，其中土石坝所占的比例高达90.5%［2］。

土石坝所面临的问题主要有2个，即结构问题和渗流问题。土颗粒在高水头渗流力的作用下容易被带走，进而发展为渗透破坏，表现形式有管涌、流土等。据统计，在土石坝所有的安全问题中，由渗流引起的占37.1%［3］。因此，土石坝的渗流稳定是影响大坝安全的重要因素，渗流分析是大坝安全分析的重要内容。

目前大量的土石坝中埋设了渗压计，可以实现对坝体内渗流场的实时监控，为分析和研究坝体内渗流场的变化提供了宝贵资料，但目前对土石坝监测资料分析的深度和广度有待提高。

从2015年年底开始，为规范水利工程管理，浙江省迅速地推广水利工程标准化建设，把大坝监测工作作为水库管理的重要内容，对大坝监测在数据采集、资料整编、数据分析方面都作出了明确规定。数据采集、资料整编可以通过自动化或软件实现，但资料分析相对困难。因此，本文结合浙江省土石坝的渗流监测现状、以往渗流资料的分析方法研究，研究了基于土石坝渗流监测资料的渗流分析方法，以期为浙江省水利工程标准化建设中的渗流分析提供参考。

2　渗流压力分析

2.1过程线分析

过程线分析是规范中推荐的方法，以时间为横轴，以各观测项目的工程物理量为纵轴，绘制物理量随时间变化的过程线。为分析各影响因子之间的关系，常把库水位、降雨量、温度等影响因子绘制在同一张图上，以便分析不同物理量在时间和空间上的变化过程及变化趋势。着重观察不同变量之间的关系，分析测值和因变量之间的因果关系，查看有无持续增加或减小的趋势，有无突变，结合土石坝渗流分布规律，判断是否存在异常。

2.2浸润线分析

在土石坝断面图上绘制坝体浸润线，可直观地看出断面上渗流压力的分布规律。将实测坝体浸润线与设计坝体浸润线进行比较，当实测坝体浸润线高于设计坝体浸润线，或出现其它异常时，应进行详细分析。

2.3相关性分析

通过计算不同测点或不同时段内渗流压力与水位的相关系数，可分析判断不同位置测点与库水位的相关性大小，根据渗流压力分布规律判断其是否合理。计算不同时段的相关系数，可以分析判断渗流发展趋势，向恶化或者改善方向发展。

2.4滞后性分析

渗流压力的滞后性有2种，一种是测量装置的滞后性，一种是库水位变化导致测点发生变化的滞后性，分析中应加以区别。渗流测量装置一般有测压管或埋入式渗压计，测压管测量渗流压力是通过水渗入和流出测压管内导致管内水位变化，根据水位上升或下降，从而反映渗流压力的变化。测压管补充或排出水量需要的时间，导致测压管出现滞后性，这种效应一般在渗透性较小的土中表现得特别明显，因此《土石坝安全监测技术规范》规定，在土的渗透系数小于1×10-5cm/s的情况下，不适合埋设测压管进行观测。埋入式渗压计不存在测压管的滞后性问题，在有压饱和土体内，渗流压力的传递十分迅速，时间可以忽略不计，但土石坝为无压渗流，常表现出一定的滞后性，分析中应明确滞后性产生的原因。

采用单因子回归模型可以计算渗流压力与水位的滞后时间。通过分析滞后性的原因和时间长短，可以判定测点与库水位的连通性。

2.5渗流分布等值线分析

通过绘制渗流分布等值线图，可以观察坝体不同部位的渗流分布情况，分析渗流分布规律，解释渗流规律成因。绘制可以借助现有软件，例如采用SUFER或其它程序进行绘制。

2.6坝基抗渗分析

计算各断面相邻测点的渗透坡降，与允许渗透坡降进行比较，判断渗透稳定性。

2.7位势分析

拉普拉斯方程可以用来描述稳定的大坝渗流场。对于建在强透水地基上、采用铺盖进行防渗的坝基渗流，可以简化为有压渗流。根据拉普拉斯方程，势函数在渗透介质固定的情况下，是空间位置的函数，不随时间和库水位的变化而变化。对于渗流测点，空间位置确定，作为无量纲量的势函数也不随时间变化，为常数，一旦发生变化，说明渗透介质发生改变。不能简化为有压渗流的情况下，可以分析在同一库水位情况下的位势，也就是库水位一定，渗透介质一定，位势仅是空间位置的函数，在一定库水位情况下，位势可视为常数，若发生变化，说明渗透介质发生变化，可据此来分析渗流监测资料。

势函数可用位势表示。位势和测渗压水位的关系见式（1）：

式中：φ为位势，无量纲量；H为渗透压力水位，m；H1为上游水位，m；H2为下游水位，m。

通过对过程线的观测与分析，判断渗流安全，对分析判断准则进行归纳（见表1）［4］。

表1　位势分析准则表

2.8回归模型分析

采用多元回归方法建立渗流压力统计模型［5］，统计模型的因子为上游水深、降水量、时间等，根据相关系数，就回归效果给出定性结论。回归模型见式（2）～（4）。

根据统计模型可以分析并预测渗流发展趋势，同时对水位、雨量、时效线性项和时效对数项进行分离变量分析。确定各个因素的影响程度，找出主要影响因素。当主要影响因素为时效线性项或水位时，应分析主要影响因素的逐年变化规律，确定大坝是否存在安全隐患。

3　渗流量分析

渗流量过程线分析一般以渗流量为纵坐标，以时间为横坐标，作渗流量过程线图，同时绘出上下游水位过程线和降雨量分布图，这些是常用的资料整理方法。通过对比渗流量和库水位、降雨量的变化过程和相关程度，判断渗流量的影响因素及变化规律。对渗流量同样可以进行相关性分析和回归模型分析，方法同渗流压力分析。

3.1根据测压管水位估算坝基渗流量

通常情况下，浙江省的土石坝下游无水，没有条件安装渗流量观测设施时，无法直接观测渗流量，可以将大坝坝基等效为有限均匀地基，通过坝下游的测压管水位换算坝基渗流量。均匀有限地基上的无压渗流量计算示意见图1。

图1　坝基渗流量计算示意图

渗流速度可采用达西定律，方程如下：

单宽流量方程如下：

分离变量积分可以得到如下方程：

带入边界条件（x = 0时，y = h1；x = l时，y = h2），可以得到单宽流量如下计算方程：

3.2化引流量分析

化引流量可用如下方程进行计算：

式中：Q为总渗流量，m3/s；B为过水宽度，m。

对具体工程，k和B是常数，因此，式（9）可变为：

化引流量和位势分别相当于流函数和势函数，根据式（10），化引流量可作为无量纲量，其分析方法与位势基本相同。对于有压渗透，化引流量不随时间变化；对于无压渗流，在同一库水位下，化引流量不随时间变化，若发生变化，则渗透介质发生变化［6］。将化引流量与周围渗流压力结合进行分析，具体分析准则见表2［4］。

表2　化引流量分析准则表

4　结　语

针对浙江省现状条件下土石坝的监测项目及监测情况，在前人所研究的渗流分析方法的基础上，研究了渗流监测资料的分析方法，通过对渗流压力和渗流量的过程线、分布图、相关性、滞后性、位势、化引流量及渗流模型进行分析，结合渗流在时间、空间上的分布规律及影响因素的分析，可以清楚地了解渗流的分布规律、分布成因及发展趋势，对渗流稳定和大坝安全做出判断，有效发挥渗流监测资料的作用，为大坝安全运行提供技术支撑，以期为水利工程标准化建设的大坝监测资料分析提供参考。

［1］孙少华，谢红强，左林勇.基于有限元法的土石坝渗流特性及防渗效果研究［J］.矿业研究与开发，2009，29（3）：27 - 29.

［2］王良，崔英华.浙江省小型水库土石坝病险分析及对策［J］.浙江水利科技，2009（1）：26 - 28.

［3］丁树云，蔡正银.土石坝渗流研究综述［J］.人民长江，2008，39（2）：33 - 36.

［4］庞毅，王保泽，杨万志，等.土石坝安全监测分析评价技术与工程应用［M］.北京：中国水利水电出版社，2011.

［5］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.

［6］王韦.土坝渗流观测资料的分析及应用［J］.水利水运科学研究，1980（2）：10 - 19.

（责任编辑黄超）

Study on the Analysis Method of Embankment Dam Seepage Monitoring Data

XU Xiao - chen1，2，XU Xiao - jie1，2，ZHAN Chuan1，2，LI Hong - qiang1，2，TANG Ming - li1，2
（1.Zhejiang Guangchuan Engineering Consulting Co.，Ltd.，Hangzhou 310020，Zhejiang，China；2.Zhejiang Institute of Hydraulics & Estuary，Hangzhou 310020，Zhejiang，China）

To better play the role of embankment dam seepage monitoring data，on the basis of monitoring situation under present conditions in Zhejiang Province and previous seepage analysis methods，this paper studied on the analysis method of seepage monitoring data，combining with the requirements of water conservancy standardization construction in Zhejiang Province.By analyzing the distribution rule and its controlling factors of the seepage flow in time and space，it made judgments on seepage stability and dam safety，playing the role of seepage monitoring data effectively.

seepage monitoring；data analysis；embankment dam；analysis model

TV223.4

A

1008 - 701X（2016）05 - 0021 - 03

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2016.05.009

2016-07-22

浙江省科技计划项目（2014F50016）。

许孝臣（1982 - ），男，工程师，硕士，主要从事大坝安全监测、岩土渗流与控制工作。