红石大坝渗漏量监测资料分析

红石大坝渗漏量监测资料分析

舒心

松花江水力发电有限公司吉林白山发电厂 吉林 吉林 132001

摘要：详细介绍大坝总渗漏量和各量水堰渗漏量测值变化规律，深入分析测值变化产生的原因。建立统计回归模型，进行基本数值预报，为大坝安全监测提供依据。

关键词：大坝安全；监测资料；渗漏量；统计模型。

1 概述：红石大坝渗漏监测系统在基础廊道共设有排水孔165个，而采用在廊道排水沟内布置7个量水堰的方式进行分段测量，监测坝基和坝体的渗流量，由于没有对单点进行测量，因此无法对坝体及坝基渗漏量进行分离分析。渗漏量汇集于12^#坝段的集水井内，由两个排水泵轮流抽水排出大坝。7个量水堰分别设在7^#、12^#、16^#三个坝段，其中测点HLS16的所测的水量汇入测点HLS12-4、测点HLS07的所测的水量汇入测点HLS12-2，总渗漏量为12^#坝段各量水堰渗漏量的和。

2监测资料变化规律分析

（1）测点LS12-1、LS12-2、LS12-5及总漏水量受气温变化的影响，具有一定的年周期性，其大致规律为：各测点每年均存在两个极大值，分别在春季及夏季出现，其中春季出现的极大值亦为当年测值的最大值；每年11~12月份至次年2~3月份测值持续增大至年最大值；随后至4~5月份测值减小至略大于去年11~12月份水平；随后至7~8月份期间测值缓慢增大，达到当年第二个极大值后再次减小，直至11~12月份达到极小值。经询问相关人员，红石大坝渗漏量变化规律存在一显著特征，即：每年出现两个极大值，且渗漏量最大值出现在每年春季。经查气温资料，2~3月份坝区气温接近0℃，结合三向测缝Y向测值变化规律可知该时间段内坝体接缝开度达到最大值，恰逢缝冰消融导致渗漏量增大；夏季次极大值或由于降雨集中致使库区水位及岸坡地下水位升高导致。

（2）总漏水量采用人工测量，数据完整性较好，规律性较明显。2000年~2006年期间春季峰值约为60.00L/min，夏季峰值约为31.33L/min；2007年~2009年期间春季峰值减小至约50.00L/min，夏季峰值亦有少量减小；2010年出现分析时间段内最大值，约为101.00L/min，经查该测值是由于2010年7月份洪水导致，洪水过后测值即恢复正常；2011年~2012年期间监测数据不完整，出现两次峰值，2012年后测值峰值减小，春季峰值约为31.33L/min，夏季峰值约为19.00L/min。

（3）总体上，上次定检以来，大坝总渗漏量及各量水堰渗漏量测值变化规律性明显，年际测值变化平稳，无异常趋势性现象。

3 特征值统计

图4-2- 漏水特征值分布图

漏水特征值包括测值系列内的极大值、极小值、最大年变幅、最小年变幅、最大年均值、最小年均值等，其统计值见Error: Reference source not found。由Error: Reference source not found可以看出：

（1）总渗漏量特征值

大坝总漏水量最大值为101.00 L/min，发生在2010年7月28日洪水期，可能为外水入侵引起的；扣除该数值后，大坝总漏水量测值在8.10 L/min（2012年12月2日）~66.55L/min（2012年2月3日）之间变化；年均值在18.49 L/min（2015年）~36.26 L/min（2011年）之间。

（2）各量水堰特征值

各测点漏水极大值测值在3.61 L/min ~53.67 L/min之间变化，测值的极大值发生在LS12-3测点，为53.67 L/min，发生于2012年2月3日；各测点漏水极小值测值在0.00 L/min ~11.61 L/min之间变化，极小值发生在LS07和LS16测点，为0.00 L/min，分别发生于2007年2月5日和2016年5月11日。

各测点漏水年变幅测值在0.00 L/min ~53.28 L/min之间变化，测值的最大年变幅发生在LS12-3测点，为53.28 L/min，发生于2012年；最小年变幅发生在LS16测点，为0.00 L/min，发生于2006年。LS12-3测点测值年变幅在11.61 L/min ~53.28 L/min之间；LS16测点测值年变幅在0.00L/min~4.59L/min之间。

各测点漏水最大年均值测值在1.76 L/min ~23.56 L/min之间变化。其中LS12-3测点最大年均值为23.56 L/min，发生于2011年，LS16测点最大年均值为1.76 L/min，发生于2011年。各测点漏水最小年均值测值在0.00 L/min ~6.39L/min之间变化。其中LS12-3测点最小年均值为6.39L/min，发生于2016年，LS16测点最小年均值为0.00 L/min，发生于2006年。

5 系统运行方式

4统计回归模型

4.1建模原理

对渗漏量进行统计回归模型分析，考虑受水压、温度、降雨及时效影响，即变形主要由水压分量、温度分量和时效分量组成：

式中： Q — 坝体渗漏量的拟合值；

Q_h — 坝体渗漏量的水位分量；

Q_T — 坝体渗漏量的温度分量；

Q_P — 坝体渗漏量的降雨分量；

Q_θ — 坝体渗漏量的时效分量。

结合红石大坝的具体情况，各个分量因子分别取以下表达式。

1. 上游水位分量

红石大坝属于混凝土重力坝，坝体在水压作用下渗漏量水压分量δ_H与大坝上游水深的1~3次方有关。因此，水压分量的表达式为：

式中：Q_u、Q_u0 — 监测日、始测日所对应的上游水头，即上游水位测值与坝底高程之差；

a_i — 水压因子回归系数。

2. 温度分量

由前述分析可知，渗漏量呈年周期变化，主要受温度变化影响。考虑红石大坝已运行多年，坝体温度基本上呈准稳定温度场变化，选用周期项因子模拟坝体温度场的变化，及坝体混凝土内任一点的温度变化用周期函数表示，则可表示为：

式中：t — 位移监测日到起始监测日的累计天数；

t₀ — 建模资料系列第一个监测日到始测日的累计天数；

b_1i、b_2i — 温度因子回归系数。

3. 降雨分量

坝基渗漏量变化与降雨有关，尤其是岸坡坝块，一般降雨量增大，渗漏量增大。此外，渗漏量的变化与降雨变化有一定的滞后现象，即渗漏量与前期降雨量有关。因此，降雨分量表达式取为：

式中：P_i — 监测日、监测日前1天、前2至4天、前5至8天的平均降雨量均值；

P₀ — 初始监测日上述各时段对应的平均降雨量；

c_i — 降雨量因子回归系数。

4. 时效分量

大坝产生时效变形的原因极为复杂，它综合反映坝体混凝土与基岩的徐变、蠕变以及岩体地质构造的压缩变形等。采用下式来表示位移变化的时效分量

式中：θ — 位移监测日至始测日的累计天数t除以100；

θ₀ — 建模资料系列第一个监测日到始测日的累计天数t₀除以100；

c_1­、c₂ — 时效因子回归系数。

综上所述，根据红石大坝的特点，并考虑初始值的影响，得到红石大坝的扬压力统计模型为：

4.2回归模型及成果分析

1. 资料序列

对红石大坝共3个坝段测点的监测资料建立回归模型，监测资料建模序列自2000年4月20日起至2017年5月18日止，分析时间段为2000年4月20日起至2016年12月8日止。

2. 回归模型

根据式采用逐步回归方法对观测资料建立回归模型。回归系数及复相关系数（R）、剩余标准差（S）分别见附表 4-2-1，附图4-2-9~附图4-2-10给出了其实测值、拟合值及残差过程线。

3. 统计模型精度分析

由附表 4-2-1可以看出，所选渗漏量典型测点统计模型的复相关系数均大于0.8，可见所选典型测点拟合精度较高。

4. 各分量对渗漏量的影响效应分析

为了分析各分量对渗漏量的影响，以2016年实测渗漏量年变幅为例，用回归模型分离了各个变量，分离结果见表 4-2- 。结合附图所示的实测值、拟合值及残差过程线及附表统计回归分析成果，对各影响量对坝顶倾斜的效应作如下分析：

1. 水压分量δ_H

由于红石大坝属于日调节水库，上游水位变化不大（一般小于1m），故水压分量对大坝的影响不明显。如在表 4-2- 中各特征点水压分量占比均小于3%。

2. 温度分量δ_T

温度变化对坝体渗漏量变化有较大的影响。每年3月份裂缝张开且缝冰消融，漏水量出现极大值；每年7月份降水增多，漏水量出现次极大值。在2016年坝体渗漏量年变幅中，各测点温度分量约均大于97%。

3. 时效分量δ_θ

时效分量反映大坝的不可逆变形，是评估大坝安全的重要依据。从附图4-2-9~附图4-2-10及回归模型计算结果可以看出，各点时效性较小，时效分量占比均小于2%。

表 4-2- 2016年典型测点渗漏量年变幅各分量分析

1. 预报模型

由大坝渗漏量监测测点的回归模型，可得到坝体各测点渗漏量的预报方程为：

若 正常；

若 跟踪监测，如无趋势变化为正常，否则为异常；

若 异常。

式中： 、S—分别为回归模型计算值和标准差，S详见附表4-2-1；

—渗漏量实测值。

5.渗漏量监测资料分析结论

（1）大坝总渗漏量和各量水堰渗漏量测值变化主要受气温变化的影响，具有一定的年周期性规律，每年春季及夏季出现两个极大值，且年渗漏量最大值出一般现在春季。春季最大值主要是春季坝区气温接近0℃，大坝接缝和裂缝开度达到最大，恰逢缝冰消融引起的；夏季次极大值可能是由于降雨集中致使库区水位及岸坡地下水位升高产生。

（2）大坝总漏水量最大值为101.00 L/min，发生在2010年7月28日洪水期，可能为外水入侵引起的；扣除该数值后，大坝总漏水量测值在8.10 L/min（2012年12月2日）~66.55L/min（2012年2月3日）之间变化；年均值在18.49 L/min（2015年）~36.26 L/min（2011年）之间。

（3）统计模型分离成果表明，大坝总渗漏量及各量水堰渗漏量主要受温度变化影响，温度分量约占90%以上；受库水位和时效变化的影响很小，其中，时效分量在2%以内。

综上所述，大坝总渗漏量及各量水堰渗漏量测值变化规律性明显，尤其是上次定检以来，年际测值变化平稳，无异常趋势性现象。

6参考文献

[1]《历次定检红石大坝观测资料分析报告》

[2] 《混凝土坝安全监测技术规范》DL/T5178-2016

[3] 《混凝土坝安全监测资料整编规程》DL/T 5209-2005

[4] 《大坝安全监测自动化技术规范》 DL/T 5211-2005

以上所列标准，在合同执行过程中按新的有效版本执行，当有关标准相互矛盾时，按要求高的版本执行。