堤坝渗流监测管理系统的研究与开发硕士毕业论文

中文摘要中文摘要我国是世界上拥有水库大坝座数最多的国家之一，而溃坝率亦位居世界前列。因此，在注重其巨大社会与经济效益的同时，科学合理地对每座大坝进行渗流监测是非常必要的。本文在阐明我国大坝安全监测现状的基础上，结合尔王庄水库的实际情况，系统地论述了堤坝防渗加固效果分析及堤坝渗流监测资料管理系统的设计原理与方法。通过绘制测压管水位过程线、相关线，定性分析了水库堤坝防渗墙堤内侧与堤外侧不同位置测压管的管水位与库水位的相关关系，分析表明大部分断面防渗墙堤外侧测压管水位基本不受库水位变化的影响，说明防渗墙的防渗效果非常明显。利用GEOSTUDIO有限元软件对堤坝进行了渗流分析，比较了堤坝在防渗加固前和加固后的出逸点高度和渗流量，结果表明堤坝在进行防渗加固后，渗流出逸点高度和堤坝渗流量都比加固前有明显的减少，可见采用防渗墙方式加固病险水库可以取得较好的效果。分别建立多元回归模型和灰色GM0，N模型对测压管水位的影响因素进行了分析，并对计算值和实测值进行比较，吻合良好，表明两种模型都能很好的反映测压管水位与库水位及时效因素的关系，从而为评价堤坝工作状况和发现异常迹象提供依据。论文最后阐述了开发的监测软件的功能，堤坝渗流监测管理系统包括三个模块数据管理模块包括数据输入、数据查询、数据修改、数据删除、报表打印；图形绘制模块包括过程线、库水位线、相关线；数据处理模块包括多元回归模型和灰色GMO，N模型。关键词堤坝防渗墙渗流管理系统ABSTRACTABSTRACTCHINAISONEOFTHECOUNTRIESWHICHHAVETHEMOSTAMOUNTSOFDAMSINTHEWORLD，ANDTHEDAMBREAKWASALSORANKEDHIGHESTINTHEWORLDTHEREFORE，GREATEMPHASISONITSSOCIALANDECONOMICBENEFITSATTHESALNETIME，SCIENTIFICANDRATIONALMANNERONEACHOFTHEDAMTOFLOWMONITORINGISESSENTIALTHEEFFECTOFREINFORCINGTHEDAMIMPERVIOUSDAMSEEPAGEMONITORINGANDDATAMANAGEMENTSYSTEMDESIGNPRINCIPLESANDMETHODSISDESCRIBEDONTHEBASISOFCHINASDAMSAFETYMONITORINGANDER。WANGZHUANGRESERVOIROFTHEACTUALSITUATIONINTHISPAPERDRAWINGWATERPRESSURETHROUGHTHEPROCESSLINE，THERELEVANTLINE，QUALITATIVEANALYSISOFTHECUTOFFWALLANDTHEINNERDIKEEMBANKMENTDIFFERENTLOCATIONSOUTSIDEOFTHEPRESSUREOFTHEWATER，LEVELANDTHELEVELOFCORRELATIONBETWEENTHECROSSSECTIONITISSHOWNTHATPRESSUREOFWATERLEVELDONTCHANGEFORMTHEWATERLEVELINMOSTSECTIONOFCUTOFFWALL，ANDTHECUTOFFWALLIMPERVIOUSEFFECTOBVIOUSGEOSTUDIOISUSEDONDAMSEEPAGEANALYSISINTHISPAPER乃EYATHEIGHTANDSEEPAGEDISCHARGEBEFORETHEREINFORCEMENTOFDAMARECOMPAREDWITHTHEREINFORCEDDAMSTHERESULTSSHOWEDTHATTHEYATPOINTHEIGHTANDSEEPAGEDISCHARGEHAVESIGNIFICANTLYREDUCEDAFTERTHEDAMREINFORCEDTHATMEANSCUTOFFWALLREINFORCEMENTDANGEROUSRESERVOIRSCANBEAOBTAINGOODRESULTTHEESTABLISHMENTOFSEPARATEMULTIPLEREGRESSIONMODELSANDGREYGM0，NTHEPRESSUREOFTHEWATERLEVELMODELTHEIMPACTOFFACTORSWEREANALYZEDANDMEASUREDANDCALCULATEDVALUESTOCOMPARETHERESULTSSHOWEDTHATTWOMODELSAREAGOODREFLECTIONOFMEASUREMENTPRESSUREOFTHEWATERLEVELANDTHELEVELOFRELATIONSANDAGINGFACTORS乃EMONITORINGSOFTWAREISINTRODUCEDINTHEENDOFTHISPAPER功EDAMSEEPAGEMONITORINGANDMANAGEMENTSYSTEMINCLUDESTHREEMODULES。DATAMANAGEMENTMODULES，INCLUDINGDATAENTRY，DATAQUERY，DATAMODIFY，DATADELETE，STATEMENTSPRINTDRAWINGGRAPHICSMODULES，INCLUDINGTHEPROCESSLINE，THEWATERLINE，RELEVANTLINEDATAPROCESSINGMODULES，INCLUDINGMULTIPLEREGRESSIONMODELSANDGREYGM0，N1MODELABSTRACTKEYWORDSDAM,CUTOFFWALL，SEEPAGE，MANAGEMENTSYSTEM，第一章绪论11概述第一章绪论20世纪50年代以来，共修建约八万三千座堤坝，其中15M以上的大坝约一万八千座，30M以上大坝约三千多座，装机约六千多万千瓦，万亩以上灌区有八千多处，灌溉面积八亿两千万亩。这些工程在国民经济中产生了巨大的社会经济效益。然而，由于多种原因，如水文、地质、施工质量以及老化等原因，部分大坝存在安全问题，影响着这些工程效益的发挥，甚至威胁下游人民的生命财产安全，如法国的MALPASSET拱坝、美国的TETON坝以及我国的板桥、石漫滩等大坝失事都引起了下游的严重灾难U儿“。随着水利资源的深入开发，坝址的地质条件越来越复杂，大坝的规模也向高、大方向发展，如近几年来我国建成的150M以上高坝有二滩、龙羊峡、乌江渡、东江、白山和刘家峡等大坝，拟建或正在修建的有三峡、岩滩、小湾、龙滩和拉西瓦等高坝。因此，大坝安全问题已引起政府和人民的普遍关注U。国际大坝会议“关于大坝和水库恶化”小组委员会记录了1950年至1975年1100座大坝失事实例，并进行了统计分析。其中，30左右是由于遭遇特大洪水、设计洪水偏低和泄洪设备失灵，引起洪水漫坝而失事；27左右是由于地质条件复杂、基础失稳和意外的结构事故；20是坝基渗漏引起扬压力过高、渗漏量增大、渗透坡降过大引起坝基渗透变形等11是由于大坝老化、建筑材料变质如开裂、侵蚀和碳化以及施工质量等原因，使材料强度降低，而引起的失事；12是不同的特有原因所致。从大坝失事的成因和频率分析，可以提高对大坝安全认识的透明度。同时，使人们逐渐认识到安全监测对保证大坝等水工建筑物安全运行的重要性51。12大坝安全监测的意义和内容121大坝安全监测的意义大坝安全监测是通过仪器观测和巡视检查对大坝坝体、坝基、坝肩、近坝区岸坡及坝周围环境所作的测量及观察。监测对象包括与大坝有关的各种水工建筑物和设备；“监测”既包括对堤坝固定测点一定频次的仪器观测，也包括对大坝第一章绪论外表及内部大范围对象的定期或不定期的直观检查和仪器探查。1大坝安全监测是保证大坝安全的重要措施大坝安全监测的首要目的是掌握大坝的实际性状，为判断大坝安全提供必要信息。大坝所拦蓄的水在正常利用时会带来显著的经济效益和社会效益，但一旦溃坝，突然失控的水流将给下游人民的生命财产带来巨大的灾害。尽管大坝在设计时采用了一定的安全系数，使大坝能安全承担所考虑的各种荷载组合，但是由于设计时不可能对大坝的工作条件及承载能力作出完全准确的估计，施工质量也不可能完美无缺，大坝在运行过程中还可能发生某些不利的变化，因此国内外仍有一些大坝曾出现失事。大坝安全监测可以及时获取第一手的资料来了解大坝的工作性态，为评价大坝状况和发现异常迹象提供依据。从而可以制定适当的水库控制运用计划及大坝的维护修理措施来保障大坝安全，在发生险情时还可发布警报减免事故损失，因此大坝安全监测是保证大坝安全的重要措施，是坝工建设和运行管理中非常必要、不可或缺的一项工作瞄儿副。我国1991年以第77号国务院令发布的水库大坝安全管理条例规定“大坝管理单位必须按照有关技术标准，对大坝进行安全监测和检查；对监测资料应当及时整理分析，随时掌握大坝运行状况。”2大坝安全监测是检查设计和施工的重要手段大坝监测除了作为判断安全的耳目以外，还是检验设计和施工的重要手段。由于实际情况的复杂性和坝工科技水平的限制，至今大坝设计理论还不够成熟和完善，一些设计前提带有某种程度的假定性，若干因素只能简化地加以考虑，作用于结构上的某些荷载还不能准确算出，对结构破坏机理、发展过程、安全界限等的认识都不够清楚和准确，坝体和坝基各部位的物理力学参数更难以精确给定。而大坝监测项目全、测点多，观测频次密、跨越时期长，能体现现场复杂的实际条件及反映出大坝的真实状态，因此可以作为检验设计方法、计算理论、施工措施、工程质量、材料性能等的有效手段。它可以改变和加深人们对坝工有关问题的认识，开发更合理的设计准则，改善设计和施工，从而促进坝工学科的发展。在坝工史上诸如对混凝土坝坝基扬压力的存在和分布规律的了解、对帷幕及排水降压作用的验证、对混凝土坝变形与应力受温度变化影响的认识、对地震时坝体加速度分布图形的掌握、对地震动水压力威斯特伽特计算公式的检验以及根据应力应变实侧值对拱坝试载法的验证等，都是通过实际监测得到的。大坝监测对坝工技术进步做出了重要的贡献瞄儿制。3大坝安全监测是现代工程管理的需要现代工程管理体制普遍通过制订相关的法规，要求和规范大坝安全监测行为，达到指导水库大坝安全运行、规范水库大坝运行管理的目的。有关大坝安全2第一章绪论监测方面己颁布的条例、技术规范和整编规程如水库大坝安全管理条例、土石坝安全监测技术规范SL6094和土石坝安全监测资料整编规程SLL6996等，有效推动了水库大坝管理工作的现代化和法制化，使管理工作更加有序嘲5L。122大坝安全监测的内容大坝安全监测工作贯穿于坝工建设与运行管理的全过程。监测工作包括观测方法的研究和仪器设备的研制、生产，监测设计、监测设备的埋设安装，数据采集、传输和储存、资料整理和分析，大坝实测性态的研究、评价等瞄。在工程设计阶段，需提出大坝安全监测系统的总体设计方案，监测布置图，仪器设备清单，施工详图及埋设安装技术要求，各监测项目测次的规定，监测系统的工程概算等。在施工阶段，需作好仪器设备的检验、率定、埋设、安装、调试、维护，施工期的监测，竣工报告及监测报告的编写等。在运行阶段，需进行日常的及特殊情况下的监测工作，定期采集数据及作巡视检查，及时整理、整编和分析监测成果并编写监测报告，建立监测档案，做好监测系统的维护、更新、补充、完善工作。第一次蓄水期是大坝安全的一个关键时期，应专门制定监测计划，拟订主要的安全监控指标，精心做好监测工作。在运行期若遇地震、大洪水以及大坝工作状态异常时，应作为特殊情况，加强巡视检查和重点部位的监测H。不同级别的大坝要求监测的项目有所不同。对于一级和二级大坝，仪器监测主要有下列项目。1工作条件监测包括大坝上、下游水位，库水温，气温，坝前淤积，下游冲淤等监测。2渗流监测包括渗流量，绕坝渗流，渗水透明度及化学分析，混凝土坝的扬压力，土石坝的漫润线、坝基渗水压力、导渗降压等监测。3变形监测包括水平位移和垂直位移，接缝和裂缝，混凝土坝的挠度和倾斜，土石坝的固结等监测。4应力应变及温度监测包括混凝土坝的混凝土应力、应变，钢筋应力，钢管、蜗壳的钢板应力，混凝土温度、坝基温度，土石坝的孔隙水压力、土压应力等监测。5其他监测包括近坝区岸坡稳定，局部结构的应力、应变，坝体地震反应，水力学项目等监测N儿到。13国内外安全监测的发展大坝监测是顺应大坝安全的需要并随着坝工建设的进展而发展起来的，可划第一章绪论分为三个阶段。第一阶段是从远古到19世纪末，是早期阶段。筑坝材料是土石，对大坝的监测、了解只是外表观察、感性认识1。第二阶段是20世纪初到50年代末，是发展阶段。坝工理论逐渐形成体系，混凝土坝大量建成，当地材料坝也有很大发展。为监测混凝土坝的扬压力普遍安设了测压管，为测定水平位移和垂直位移出现了三角测量法、视准线法和精密水准法；以后又出现了观测大坝挠曲的垂线法和观测倾斜的静力水准法；随着电测仪器的发明，许多大坝埋设了电测仪器，开展了坝内温度、应变、应力、接裂缝张合和孔隙压力等观测项目。到了50年代，大坝观测已形成较齐全的体系，大坝的各主要观测项目都有了成型的观侧仪器，光学的、机械的和电测的方法得到了普遍应用。这一阶段取得了大量监测资料，对实测值与设计值及实测值和模型值之间作了许多比较。一些设计计算方法如拱坝试载法、重力坝坝基扬压力计算法等因被观测资料所验证而得到肯定和推广N儿引。第三阶段是20世纪60年代以来的成熟阶段。新建的高坝迅速增加，许多大坝建在复杂的地形、地质条件下。涌现了一些新的结构形式和新的施工方法，坝工建设对大坝监测提出了更高的要求。这一阶段大坝监测的对象从坝体及坝基浅部扩展到坝基深处及近坝区更大范围，对地基、坝肩及岸坡的观测给予了更多的重视，出现了观测深部岩体变形的多点位移计、滑动测斜仪等新仪器。观测技术向更高水平发展，自动化和半自动化仪器逐渐取代了手工观测仪器。大坝监测从逐个单点就地观测发展为遥测、遥控、自动成批地观测，采用了与计算机网络相连结的自动化监测系统。在监测资料分析上普遍应用了数学模型技术，正分析和反分析方法都有不少进展，监控指标的建立被深入研究，不少大坝建立了监测数据库或监测信息系统，基于监测资料的大坝实际性态研究取得了丰富成果1。我国的水工建筑物观测工作起步于20世纪50年代。目前我国大、中型混凝土坝都已开展了变形、渗流量、基础扬压力、应力和温度等项目的观测；土石坝大都已开展了竖直位移、水平位移、测压管和渗流量等项目的观测。80年代以来我国水工建筑物的观测工作有了较大的发展，1983年9月成立了“水电站大坝安全监测技术组”，1984年3月建立了“南京大坝观测资料分析中心，1985年底建立了“水电站大坝安全监察中心”，1987年又建立了“水利大坝安全监测中心”，并且相应地开展了各种学术活动，推动了观测工作的开展。在观测设备的研制方面也取得了较大的进展，研制出不少新仪器，例如在变形观测的仪器方面有南京自动化研究所的QX型电感式倾斜仪、BW型电感式变位仪、RZ一50型电容式垂线仪、WYCL00一B型微机遥测垂线仪、们YIOOB型微机遥测引张线仪等。在土石坝变形观测仪器方面有南京电力自动化设备厂等单位的4第一章绪论BV型电阻应变式倾斜仪、CTL型电磁式沉降仪等。在渗流观测仪器方面有北京自动化仪器设备厂的SM型电压式水位遥测仪、江西拓林水电厂的光电式水位遥测装置等。在孔隙压力观测仪器方面有南京水利科学院的GKD型钢弦式孔隙压力计和北京水利科学研究院的双管式孔隙水压力计。在应力观测仪器方面有南京自动化研究所和南京自动化设备厂的TY25型电阻片式应变计等。在探测仪器方面有山东水利科学研究所等单位的土坝探伤仪，能够探测土坝裂缝、软土夹层、白蚁洞穴、坝基渗漏、管涌通道、岩溶裂隙漏水带等隐患。在观测资料整理分析方面，国外在20世纪50年代以前主要是对测值的描述和解释。1955年意大利的FANELLI和葡萄牙ROCHA等，率先用统计回归定量分析了大坝的变形监测资料U引。从这以后，葡萄牙、意大利、奥地利、前苏联等国的学者相继对观测值的定量分析进行了研究。70年代以前，我国对监测资料的分析属于定性分析。70年代末期在河海大学陈久宇教授的带领下，我国也开始了运用数理统计方法对监测资料进行定量分析U引。近年来许多单位开展了研究工作，取得了一定的成果。例如南京观测资料分析中心对里石门、陈村、新安江、恒山、参窝大坝的观测资料进行了整理分析，得到了大坝变形的统计模型和混合模型，并且通过对观测资料的分析肯定了恒山水库提高蓄水位的可能性。长委勘测总队将逻辑分析法和统计法相结合，建立了葛洲坝的变形预报模型。河海大学利用模糊数学和结构可靠度理论进行大坝的位移预测及安全度评价。成都勘测设计院科研所和中科院计算中心等单位合作研究了纵缝张开的重力坝的应力和变形问题。天津院对刘家峡大坝一期和二期混凝土的冷却和接缝灌浆效果进行了详细分析。长江科学院对葛洲坝工程的应力资料进行了系统分析，提出在二期工程冲沙闸中增加配筋的方案瞄儿副旧1。14课题的工程背景及主要工作本课题研究的水库位于天津市宝坻县，引滦明渠中段右侧，是引滦线路中段距天津市区最近的一座中型平原水库，一方面，它具有调蓄作用，调节水量的供求关系，可提高对天津市供水的保证率，另一方面，在上游停水时或引滦明渠护砌、渠道清淤、泵站维修及水闸维修时又可作为向下游供水的水源。水库自建成以来，在20多年运行中，取得了显著的社会效益和经济效益，但是由于各种原因，逐渐出现了许多工程问题，其中围堤渗流破坏严重影响着水库的安全运行；围堤普遍存在渗流稳定问题，浸润线出逸点普遍较高，曾发生多处管涌破坏。堤身与堤基接触带土层渗透系数较大，部分堤段破脚有明流出现。为此水库的防渗加固从降低渗流的破坏能力，降低堤身浸润线和渗流出口比降入手，采用高压喷第一章绪论射灌浆全封闭防渗墙加固措施。由于年久失修、保护不善，加上在除险加固过程中，堤基防渗墙、围堤纵横裂缝等的施工必然会对现有观测设施造成不良影响甚至损毁，因此测压管损失严重。水库在除险加固中，考虑到原有的测压管大部分损坏或失效，且测压管尺寸也不满足自动化监测要求，因此，对测压管进行了重新布设。大坝安全监测资料整理工作项目繁杂，工作量十分巨大。在绝大多数水工工程中，人工整理己不能满足工程安全监测及时、快速、全面、准确、可靠等方面的要求。由于计算机软、硬件技术的进步，在各类水工建筑物安全监测工作中，采用计算机进行监测资料整理已成为现代发展的趋势U川。课题是结合本水库的实际情况以土石坝监测资料整编规程为依据开发的具有工程信息管理和资料整编分析功能的监测资料管理系统。大坝渗流监测管理系统，力图做到对数据进行入库保存，及时整理分析这些数据，建立模型，并且通过计算形成监控信息，帮助用户综合分析和判断大坝的运行性态，进而找出大坝运行不利的原因。本系统主要包括以下内容1应用软件采用结构式模块化软件，功能软件模块或任务模块具有完整性和独立性，同时应用软件环境的设计使用户能安全地实现应用软件的补充、修改和移植。数据管理采用人工输入的方式，将观测到的数据录入数据库，并可进行数据查询、修改、删除，以便对数据进行统一管理。2系统提供与其他报表系统如EXCEL格式转换的窗口，可以利用EXCEL强大的表格排版及打印功能实现本系统的报表生成。图形绘制窗口能方便地制作供分析报告应用的各种监测过程线、相关线等。3系统的数据处理功能提供多元回归和灰色模型两种方式对观测到的数据进行分析，通过计算各测压管水位与库水位的相关性，来初步判断防渗墙的防渗效果，并对受库水位影响较大的测压管进行拟合、预测，从而实现对水库管理人员提供预警的功能。6第二章原型渗流观测资料分析第二章原型渗流观测资料分析土石坝的坝体和坝基渗流监测是土石坝运行监测中不可缺少的重要内容。在坝体和坝基的适当部位设置一定数量的测压管进行观测，可以了解坝体的浸润线和各点渗透压力的大小。这对坝体的稳定分析和渗流分析都具有很大的实用意义。土石坝的测压管布设在坝体的一些典型断面，反映的是这些部位的渗流状况，而渗流量则是坝体一定范围内工作状况的反映。因此，在土石坝观测中应同时观测土石坝各部位的测压管水位和渗流量，获取实测资料，并及时进行分析。大坝安全监测资料分析内容一般包括一初步分析，重点判识有无异常观测值，监测设备是否正常工作。二根据特定重点监测时段的工作需要，开展较为系统全面的综合分析，通常采用数学物理模型，或地质、结构和渗流等领域的专门性方法及理论知识，分析工作的成果将作为安全预报、安全评估的基本依据和重要组成部分“。大坝安全监测资料的分析方法可分为以下几类NU1定性的常规分析方法。如比较法、作图法、特征值统计法和测值因素分析法等。2定量的数值计算方法。如统计分析方法、有限元分析法、反分析法等。3数学物理模型分析方法。如统计分析模型、确定性模型和混和模型等。本章的主要工作是堤坝渗流监测资料的初步定性分析。21测压管水位滞后因素的分析通过观测人们发现，土石坝测压管的水位变化比较小，而且管水位的变化与库水位的变化不同步。管水位达到峰谷值的时刻往往比库水位达到峰谷值的时刻来得晚，存在着时间差，即存在“滞后时间”，而且同一断面各测压管水位滞后时间明显不同。由于坝身防渗体的渗水性小，坝身测压管水位的滞后时间比较明显。因此，对测压管水位观测资料分析时，需要把滞后时间找出来。这样做一方面在因子选择时考虑其影响，另一方面可以作为分析坝身渗透状态的一项指标。造成测压管水位“滞后时间“的原因是很复杂的，它是各种因素综合影响的结果，具体可归纳为如下几个方面U。1水压力传递需要时间。由于土体为一松散介质，尽管施工时碾压密实，第二章原型渗流观测资料分析但仍然有大量空隙。在水从库内渗透到库外的过程中，水充填空隙必然要有一定的时间，因此，同一断面不同测压管的滞后时间不一样。当水位降低时，水体的排出同样也需要一定的时间。2测压管本身充放水需要时间。当测压管的水位突然变化幽时，在管内外水位差幽作用下，内外水位渐趋相等。测压管从坝体中收集或消散相当于幽高的水柱，需要一定的时间，所以测压管水位的升降必然滞后于土体中水位的升降。3非饱和土体的充水或无压饱和土体水的消散需要时间。因为处于自由面变动范围内的土体孔隙相当于贮存或释放水的容器。当自由面随时间变化时，它们的充放水都需要相应的时间。4不稳定渗流的影响。水库中的水位是不断变化的。在某一水位条件下要形成稳定渗流必然需要一定时间，而在这个时间过程中，可能库水位早已发生变化。这种作用水头的变化也必然影响到测压管水位的变化。坝身测压管水位的滞后时间主要是由于不稳定渗流过程造成的。5坝身填筑质量不均匀性影响。坝体填筑质量的不均匀直接影响坝体的密实度，这也必然影响到水压力的传递时间。由于实际情况的复杂性，测压管水位的滞后时间是很难求得的。通常可根据测压管水位和库水位的时程曲线来估算。其方法有如下两种U训。A当库水位和管水位各有一段较长的相对稳定时段时，在它们各自的时程曲线上选出由稳定状态开始变化时两转折点的时差，即为相应测压管的滞后时间。B取二时程曲线对应的峰、谷值时差作为滞后时间。22测压管水位过程线分析为了分析测压管水位和库水位的关系以及坝体的渗流状态，可分别对库水位和测压管水位建立时程曲线，即以时间为横坐标，库水位和管水位为纵坐标，绘制曲线，即为过程线。根据过程线，可以分析管水位时程曲线与库水位时程曲线的相似性与滞后性，分析库水位与管水位的变幅、各断面区间透水介质渗流通道的稳定性。221测管布置本水库堤坝测压管的具体位置如表21所示，各断面测压管及防渗墙位置如图21所示。第二章原型渗流观测资料分析表21测压管位置距堤内侧坝顶的水平距离M测压管底段面号ABCD高程M100015085020004200702000150850200042007O300015085020OO42OO一603010150850200042OO07400015085020OO42007O50001508502000420070600015085020004200，100602015085020004200077000150850200042OO1008000150850200042OO70845015085020OO42OO9088501508502000420090910015085020OO42007094501508502000420070947015085020OO42OOO710800150850200042006O1157015085020OO42OO一7O1173015085020004200701280015085020OO42OO10012820150850200042000713400150850200042005O14000150850200042OO85测压管222过程线分析图21断面测压管及防渗墙位置以时间为横坐标，库水位和测压管水位为纵坐标，绘制的部分断面测压管水9第二章原型渗流观测资料分析位过程线如图22一图211所示。B搁0约40100时间图221000断面测压管水位过程线图232000断面测压管水位过程线555O454O35302520151O55504540353O2520151005O2040601000时间D2040100时FJD图243000断面测压管水位过程线图253010断面测压管水位过程线5550454O353025201510055504540353O2520152040601000时间D20406080100时间D图264000断面测压管水位过程线图275000断面测压管水位过程线一5掣舡幽嚣3迥舡鲤嚣畲一趟趣蹬露3迥繁靴幽露一3掣扯幽露畲一趟敏出孱第二章原型渗流观测资料分析占迥篙扭崩露营、_，趔瓤幽聪04080100时伺D舍、G缸邕燕图286000断面测压管水位过程线图296020断面测压管水位过程线时间D信、趟洳幽羼0102030405060时间D图2109470断面测压管水位过程线图21112820断面测压管水位过程线堤坝进行防渗墙防渗加固后，正常情况下，测压管水位过程线的形状，防渗墙堤内侧的测压管大体上与库水位过程线相似；防渗墙堤外侧的测压管与库水位基本呈现无关性或者弱相关性；由于防渗墙的防渗作用，堤内侧的测压管水位与堤外侧的测压管水位会有明显突变。从图24和图27可以看出3000断面和5000断面的A管、B管、C管及D管水位都随着库水位的升降而升降，说明四个测压管都在正常工作，但是A管和B管的管水位没有出现较大的突变，根据前面的分析，可以说明该断面的防渗墙作用效果不明显。从图25和图2一LO可以看出3010断面的A测压管水位和9470断面的B测压管水位不受库水位的影响，而且在库水位较低时超过库水位，说明测压管工作异常，应该做检查修复。总的来说大多数断面B、C、D管水位较A管水位有明显减小，同时其变化幅度远远小于库水位变动幅度，说明防渗墙的防渗效果非常明显。5O5050505055443322115O50505055443322第二章原型渗流观测资料分析23测压管水位相关线分析测压管水位相关线是以测压管水位为横坐标，以库水位为纵坐标，绘制的曲线，是鉴别观测数据正确与否的指标。本文分别以6000、9470断面为例，说明测压管水位相关线的分析方法。两断面测压管水位相关线如图212和图2一13所示。信、，牮苌世畲、，趔世A测压管水位蛐畲、趔长世畲、_，趔世图2126000断面测压管水位相关线12第二章原型渗流观测资料分析5550345G长40世353O012345C测压管水位信、，趟世图2139470断面测压管水位相关线从图212可以看出6000断面的四个测压管水位变化“轨迹”都为一条斜直线，表明四个测压管水位都与库水位呈线性关系，库水位的变化直接影响到各测压管水位。同一库水位时，各测压管水位相差不大，可以认为防渗墙并没有有效的阻止库内的水向外渗透，该断面处防渗墙的作用不明显。图213的A测压管，由于测压管水位滞后于库水位及渗透系数的不稳定，造成同一库水位有不同的测压管水位，通常情况下，相同的库水位，在库水位上升时对应的管水位比库水位下降时对应的管水位低。B、C、D测压管水位相关线为一竖直直线，排除测压管工作异常的情况，可以认为防渗墙的防渗效果非常理想，库水位的变化反映不到防渗墙堤外侧的测压管水位上。测压管水位受多种因素的影响，如库水位、温度、降水、季节和地下水位等，因此单凭几个月的监测资料并不能准确的判断防渗墙的效果是否明显，测压管的工作是否正常、滞后时间的长短等。合理的做法应该是在大量监测资料的基础上，充分考虑各种因素的影响来分析防渗墙的防渗效果。第三章基于有限元方法的堤坝防渗效果分析第三章基于有限元方法的堤坝防渗效果分析渗流计算是在已知定解条件下求解渗流基本方程，以求得渗流场水头分布和渗流量等渗流要素，是工程设计的重要内容，也是评价水工建筑物工作性能的重要方面。本章基于GEOSTUDIO有限元分析软件，分析防渗墙的防渗效果。31有限元法概述传统的渗流计算解析法有流体力学法和水力学法。流体力学法是根据流体力学的基本原理及渗流的边界条件直接求解渗流问题的一种方法，计算结果比较精确，但是这种方法只能对比较简单的渗流边界有解答，而且计算复杂。水力学法对边界条件进行某种简化，求出的结果是某一渗流截面上的平均渗流要素，而不能计算渗流场中任意一点的渗流要素，与实际情况有一定出入。有限元方法是利用计算机求解数学物理中或工程实际中的微分方程问题，主要是偏微分方程问题的一种系统化的数值计算方法U“。由于有限元方法对于复杂的数学物理问题有着广泛的适应性，而且特别适合在计算机上使用，因此发展十分迅速，在力学、物理以及工程实际的许多领域中已得到了广泛的应用。1965年两位固体力学工作者ZIENKIEWICZ和CHEUNG提出了有限元方法解决位势问题的可行性，被认为是有限元方法用于解决渗流问题的起点U洲。WDLIANFIAN、RLTAYLOY和CBBROWN等研究了具有自由面的土坝稳定渗流问题。REVOLKER、SRNEUMAN和CSDESM等进行了渗流自由面随着时间变动的非稳定渗流问题的研究。ODEN对均质矩形坝自由边界问题采用变分不等式数值求解U。可以认为，有限元方法已经成为渗流问题中进行理论研究、实验分析以及解决工程实际问题强有力的数值计算工具。渗流分析中有限元方法的数学基础是变分法或加权余量法，由此导出的变分表达式或加权余量表达积分式是有限元方法求解的出发点。有限元方法的求解思想，概括地说就是“分块逼近”。也就是将渗流场的求解区域剖分成有限个互不重叠的子区域，这些子区域成为“单元”；在每个单元体内，选择若干个合适的点作为求解函数的插值点，这些点成为“结点”；方程所要求的近似解将由各个单元中的近似函数逼近，而单元中的近似函数可以表示为己知的单元基函数的线性组合。这些线性组合表达式中的待定系数正是近似解在结点上的函数值或导14第三章基于有限元方法的堤坝防渗效果分析数值，它可以通过总体有限元方程的求解加以确定，从而获得近似解N7M引。32二维渗流的有限单元计算方法321水头计算在平面渗流二维渗流的情况下，对于符合达西定律的各向异性连续体中的渗流，可以用下列微分方程来表示N引缸警KYOHQO3_1上式中KX、KYX方向和Y方向的渗透系数；9入渗或蒸发的流量；H一水头。计算时首先将渗流场离散成单元体，假定单元体内工，Y方向的渗透系数KX和K，保持不变，单元内的水头NNT用各结点的坐标X，Y的一次式表示，对于三角形单元有HALA2XA3Y32若三角形单元的三个结点F，M的水头分别为皿，Q，H。，则根据公式32可得HFALA2XTA3YIHJ2AL口2一A3Y，33HMA1A2XMA3YM解式33可得系数口，A，口，代入公式32，则单元内的水头可用三角形三酬槎卜一伊4，其中P表示单元，日。表示结点水头列阵，N；，NJ，N。分别为NJUJBJXCJY2AL、35第三章基于有限元方法的堤坝防渗效果分析AI2XJYMXMYJBIY一Y。CT2XMXJAJ2ZMYIXIYMBY。一YFCJ2XIXMAM2XTYJXJYIBMYIYJCM2XJXL36为三角形单元的面积。根据变分原理，公式31的解与解算下列泛函E的最小值的H分布问题等值E，孵限罢2砖2卜掣姗3_7上式中KX、七，一X方向和Y方向的渗透系数；Q一入渗或蒸发的流量；疗一水头。根据公式37可得瓦EE告J哇盹OHZKYO_等2卜妒蚴382【K瓦OH瓦0TIOH卅Y可OH，者一Q署协咖根据公式35和公式38可得T争OE8OHI饱。AHOF。御，HI。日8矿。嗍。去隧差差去巨扩；8差8一孚I39C勺JC蚓JCMCJ10、CICCLL卜州C所脚I311上式中F，七一结点编号；伊8相当于荷载矢量。在任一结点I上，只有与I结点相连的各单元对该点系数才起作用，因此只要将各单元在同一结点处的微系数迭加，并令其为0，即可求得使整个渗流场的E16第三章基于有限元方法的堤坝防渗效果分析值为最小时计算各结点水头的条件式堡堕堕4H盟O一一一一I，勰LOHIOHLOHL一OE箜型篮O312OH，OH，OH；OH，一OE盟I墅H一OENE“44O一IJOH。OH。OH。OH。对于所有水头未知的结点I都存在微系数罟，而对于水头已知的结点则不删F能给予变分，因此式312中刀为水头未知的结点数，N为每一结点周围的单元数。对于整个渗流场，可用下列矩阵表示HH4，0313根据边界上的水头值，即可按照公式3一13求得各结点的水头值日，从而求得整个渗流场的水头分布1副。322渗流量计算通过任意二边界间一排单元的渗流量，可以用单元边长中点的连线作为过流断面，渗流量计算示意图见图31，通过单元中线的渗流量为图31渗流量计算示意匀V。一ALA2一扣。一砂YYY,。蚶一LBY，CIVY314上式中F，J，聊一三角形单元三个结点；口，A2三角形两边中点。第三章基于有限元方法的堤坝防渗效果分析根据达西定律可得书砖0315公式315中的罢和罢分别为X、Y方向的水力坡降，因此根据公式33O口矿可得季J去竺CB，J乏象HJC3一6，上式中B，、BJ、B矿CF、C，、C。可根据公式36计算。ZJ去台K。Y岛CICB，JCBJ“1F乏HIC3一7，将公式317代入314，则通过单元的渗流量为吒I忡舭KX聪BJ蚓对所取过流断面，规定其正向，按上式计算得各单元流量后，按正向迭加，即可求得过流断面的渗流量183191。33有限元分析331工程条件水库堤坝坝体为粉土，坝基含水层为粉土、粉细砂、粉质粘土层，浅层地下水类型为孔隙潜水，水位高程230一405M。水库设计蓄水位55M，死水位2OM，库底平均高程14M，围堤是碾压式均质土坝，平均高程为650M，设计堤顶宽度7OOM。水库运行多年以后，存在较严重的渗漏破坏、地震液化的问题，2003年被鉴定为三类病险水库，采用高压旋喷混凝土地下连续墙方案进行了防渗加固处理。墙体渗透系数小于等于50107CMS，墙底高程为一185M。本文以7000断面为例进行分析，该断面简图如图32所示。第三章基于有限元方法的堤坝防渗效果分析图32堤坝断面简图该断面堤坝土体性质如表31所示。表317000断面土体性质基渗透系数部位层号土质1104CMS坝体粘土35粘土，粉质粘土70粉土，粉质粘土500坝基粉砂3000粉质粘土28375332有限元模型建立1SEEPW模块，SEEPW是加拿大GEOSLOPE公司开发的有限元软件GEOSTUDIO中的渗流模块，可以对二维稳定或非稳定、饱和或非饱和地下水运动问题进行人机交互式模拟。SEEPW中包括三角形单元和四边形单元，通过两种单元的组合模拟不同形状的模型。为了提高解析的精度，两种基本单元还可以通过内插得到精度更高的八节点单元。SEEPW中的边界条件有四种。其一为定总水头边界，可以作为工程中计算域的外边界；其二为定流量边界，可以视为工程中的定流量点，流量为零的定流量边界可以视为不透水边界如工程中的止水帷幕、防渗墙等；其三为渗出边界，可以作为工程中的溢出面；其四为定压强水头边界，压强为零的边界可以视为工程中已知位置的自由面。SEEPW采用标准的伽辽金法对渗流基本微分方程进行有限元求解，并用有限差分法对渗流基本微分方程中的时间项进行离散，得到与时间相关的迭代格式，以此作为求解的基础。由于其简单的几何建模方法，方便准确的三角形和四边形单元，随压强变化的渗透系数和含水率，丰富的边界19第三章基于有限元方法的堤坝防渗效果分析条件等优点，能够较精确地模拟闸坝渗流分析中的多种问题，在工程计算和设计中被广泛应用醢0L。2模型建立模型宽83M，坝身高6M，坝基按照实际土层情况从地面向下依次取3M、5M、9M、3M。堤内边界从坝体坡脚至水库中心延伸ZOM，堤外边界从堤外坡脚向库外延伸20M，防渗墙厚度取实际厚度02M。用4边形4结点单元网格划分后的模型如图33所示。333防渗效果分析下边界图33断面模型本文利用有限元软件GEOSTUDIO对模型进行数值计算，软件在计算时先假定自由水面的位置，再用有限单元法求出各结点的水头分布，然后根据自由水面处压力为0的条件修正自由水面的位置，如此反复进行，直到满足条件为止嵋。1防渗加固前渗流情况堤坝土体渗透系数按照表31设置。库水位设为5M，库外水位为0，模型的左边界Q0，表明单位时间内流入和流出该截面的流量相等。模型的下边界设为不透水边界。防渗加固前堤坝浸润线如图34所示。1库水位5，一。一润线1图34堤坝浸润线防渗加固前出逸点高度H1695M，通过11截面的渗流量为56810_6M3S。2防渗加固后渗流情况为了对比防渗墙渗透系数不同时的防渗墙防渗效果。取防渗墙渗透系数为第三章基于有限元方法的堤坝防渗效果分析5107CMS、LOXL0_7CMS两种情况进行分析。库水位设为5M，库外水位OM，模型的左边界Q0，表明单位时间内流入和流出该截面的流量相等。模型的下边界设为不透水边界。堤坝土体渗透系数按表1设置。防渗墙加固后堤坝浸润线如图35图36所示。图35防渗墙渗透系数为5107CMS时堤坝浸润线浸润线库水位5M一、歹一艿润线1I图36防渗墙渗透系数为10107铡J时堤坝浸润线对比图34、图35、图36可以看出，进行防渗墙加固后，堤坝浸润线在防渗墙两侧有明显突变，而且防渗墙渗透系数越小，突变幅度越大，防渗墙堤外侧浸润线位置越低，表明防渗墙的效果越明显。防渗加固前后，出逸点高度和通过截面11的渗流量如表32所示。表32出逸点高度和渗流量防渗墙渗透系数通过11截面渗流量出逸点高度未设置防渗墙568LO6M3S1695M5X10一|CM|S22510_6朋3S0592M10107CMJ29310_6肌3S0798M从表32可以看出堤坝防渗加固后，渗流量和出逸点高度都比加固前有大幅降低，防渗墙渗透系数越小，渗流量和出逸点高度越小，防渗加固效果越明显。在相同库水位时，防渗墙渗透系数为5107CMS设计值时的渗流量比不设防渗墙时的渗流量减少60，出逸点高度降低650,6，可见采用防渗墙加固已有病险水库能起到预期的效果。34小结1采用防渗墙加固水库堤坝能够起到降低出逸点高度，减少堤坝渗流量，改善已有病险水库渗流破坏的作用。21第三章基于有限元方法的堤坝防渗效果分析2堤坝防渗加固后，浸润线在防渗墙两侧有比较明显的突变，防渗墙渗透系数越小，突变幅度越大，表明防渗墙的作用越明显。3防渗墙渗透系数越小，渗流出逸点高度越低，通过堤坝渗流量越小，防渗加固效果越好。第四章渗流监控模型研究第四章渗流监控模型研究我国的大坝安全监测资料分析工作起步较晚，最初只以定性分析为主，通过绘制过程线和最大、最小等简单特征值的统计来分析大坝的运行性态。1974年以后，在河海大学陈久宇教授等人的开创下，应用统计回归法分析原型观测资料，并将分析成果加以物理成因的解释U“。同时对统计模型中因子群，进行深入研究。根据正常大坝时效如时效位移的变化规律为初期变化较快，后期渐趋稳定，提出了各种时效数学模型，如指数模型、双曲线函数模型、对数模型、线性模型等。80年代初中期，吴中如等从徐变理论出发推导出了坝体顶部时效位移的表达式，用周期函数模拟水压等周期荷载，并用非线性二乘法进行参数估计。同期还提出用组合流变模型研究时间效应。近年来，对大坝原型观测资料分析的多种监控模型相继提出，国内外资料分析工作也逐渐向纵深方向发展。80年代以来，模糊数学、灰色理论、人工神经网络、遗传算法、滤波法、小波分析、混沌动力学等各种新理论和方法也逐渐被引入到大坝安全监测资料分析中来，并取得了一定的成果。数学模型在分析工作中应用广、成效好，结合监控指标可用来预警，故又称为监控模型。通过它可以把握效应量以往的变化过程，预测其以后的变化趋势，并在一定程度上反映效应量产生的物理力学原因，从而为掌握大坝性态，评价和指导设计施工提供有效的量化的手段1。水库大坝自动化系统软件开发中，渗流监测是主要的工作之一，本章对其渗流监控模型进行研究。41渗流监测效应量影响因素分析渗流观测工作的目的，是希望找到监测效应量的变化及分布规律，进而揭示工程的实际渗流状态并监视其安全运行。要分析监测效应量的变化规律，首先要了解监测效应量的影响因素。411渗流基本方程分析考虑土和水的压缩性，符合达西定律的三向非均质各向异性土体渗流，其基本方程为昙缸瓦AH导KYAH，昙红警足尝4一1第四章渗流监控模型研究上式中一水头函数，JI一渗透系数，F一时间，SS一单位贮存量，即单位体积的饱和土体内，当下降1个单位水头时，由于土体压缩和水的膨胀所释放出来的贮存水量。初始条件水头边界流量边界HX，Y，Z，0HOX，Y，ZHRLHX，J，Z，T后。学IR2一G工，Y，Z，FON424344由于41式中的水头函数H是一个三维变量，并含有时间参变量，加之渗流自由面的变化，还有一般渗流场不同程度的非均质和各向异性、几何形状和边界条件的复杂性等，故H的解析求解几乎是不可能得到的。因此下面将从数值解的角度来分析渗流的影响因素咄副。根据变分原理，在渗流域Q内，满足定解条件4244式的基本方程41式的解，等价于下述泛函求极值问题1912别M2酬三I嗟2砖喏2T嗟2O出H乙JT。D，D驴五砟4S把变分原理应用于有限元法中，将定解域Q离散为若干个小区域，将R分解为些面元，把求泛函极值问题化为线性代