土石坝渗流观测资料整理分析

土石坝渗流观测资料整理分析第1页/共73页为了做好观测分析工作，首先要详尽掌握有关资料。一、收集积累资料（一）观测资料观测成果资料：包括现场记录本、成果计算本、成果统计本等。观测设计及管理资料：包括观测设计技术文件和图纸，观测规程和手册，观测措施及计划、总结等。观测设备及仪器资料。第2页/共73页（二）水工建筑物资料建筑物的勘测、设计及施工资料：包括地质资料、基础处理报告、建筑物设计资料、施工总结、模型试验

资料、建筑材料和地基各项物理力学指标以及验收文件

等。建筑物运用和维修资料；包括历年各项运用指标、事故记录和报告，以及维修加固的各项资料等。（三）其它资料包括各种查算图表和分析图表，技术参考资料等。第3页/共73页(一)测压管资料的选用原则过程线上有突起的小峰，峰出现的时间与降雨日期一致或偏迟一些,峰的高度与降雨强度和降雨量成正比，则为降雨的影响，此段资料应不予选用。过程线上偶尔出现一次的突升或突降，且与降雨无关，这一般是量测、记录或计算错误、这种资料应舍去不用。第4页/共73页资料的选用原则测压管局部腐蚀，形成新的进水口，管水位会突然上升，呈突升的台阶，但不会突然下降，其后无论过程线是否随上游水位的变化而变化，观测的资料都不应采用，而应另设新的测压管，停用旧管。测压管进水段外填的滤层级配不良，或管外包扎的滤层材料(棕皮、铜丝布等)腐烂破损，进水段被坝体土料淤堵，在这种条件下观测的资料不予采用。上游水位变化，管水位过程线基本上是一条不随时间变化的水平线、这种资料无法应用。第5页/共73页受降雨影响的观测资料应不予采用。一般可在渗流量过程线上取降雨停止后出现的最小值作为不受降雨影响的观副值。第6页/共73页(二)渗流量资料的选用原则（一）资料的审查复核和汇编对各项观测数据及计算成果进行审查和复核内容：一般包括以下：复核观测数据的计算是否正确。进行精度检查。进行合理性检查。基准值的审查。例如土石坝垂直位移观测成果，发现测点高程普遍上升时，即应对水准基点高程进行复测检查。填报表格。对收集的各种资料要分类汇总顺序整理汇编，装订成册。第7页/共73页二、资料整理工作的基本内容基本曲线：1．时间过程线；2．空间分布图；3．相关图。

1．时间过程线以时间为横座标，测值为纵坐标，绘制测值过程线。如测压管水位过程线，见图6-1。第8页/共73页（二）绘制基本曲线测值过程线反映了测值随时间的变化过程，由此可以分析测值的变化快慢、趋势，变幅、极限值，以及有无周期性变化，并可发现反常的变化。在测值过程线上还可以同时绘制相关因素的过程线，借以分析测值与相关因素的变化是否相应，变化的幅度、趋势、周期是否相符，以及测值的滞后关系等。第9页/共73页同一项目几个测点的测值过程线可以绘在一张图上，以进行比较。除测压管过程线外，土石坝常绘的有渗流量过程线、沉陷过程线、累计水位移过程线等。混凝土坝除上述过程线外，常绘的还有挠度过程线、垂直位移过程线、扬压力过程线、伸缩缝过程线、测点应力过程线等。第10页/共73页通常以测点的水平距离或高程为横座标，以测值为纵坐标绘制测值分布图。或者将测值变化标志在建筑物的平面图或断面图上，以反映测值的分布情况。由此可以分析测值变化与建筑物结构是否相应、相邻测点测值的差异、极值的位置等。第11页/共73页2．空间分布图例如，在土石坝的纵横断面上建立水平距离与沉陷量的平面座标，并在上面画出各测点某时刻的累计沉陷值，连接各点测值，绘出坝纵断面沉陷分布图（如图6-3）和坝横断面沉陷分布图（如图6-4）。混凝土坝常绘的还有扬压力分布图、应力分布图等。第12页/共73页通常用一个坐标表示测值，另一坐标表示相关因素，来分析测值与相关因素的相关关系。由此可以分析测值与相关因素的变化规律和比例关系。如图6-6。当影响测值变化的有两个相关因素时，则可以某一相关因素为参变数，绘制综合相关图。3．相关图第13页/共73页（一）资料分析的基本内容：1.认识规律分析测值的发展过程以了解其随时间而变化的情况；分析测值的空间分布以了解它在不同部位的特点和差异，掌握它的分布特点及代表性测点的位置；分析测值的影响因素以了解各种外界条件及内部因素对所测物理量的作用程度、主次关系。2.查找问题从发展过程和分析关系上发现特殊或突变的测值，联系荷载条件及结构因素进行考查，了解其是否符合正常变化规律或是否在正常变化范围之内，分析原因，找出问题。第14页/共73页三、资料分析的基本内容和方法预测变化根据所掌握的规律取值；对于发现的问题预测未来一定条件下测值的变化范围或估计其发展趋势、变化速度和可能后果。判断安全性基于对已有测值的分析，判断过去一段时期内坝的运行状态是否安全正常，并对今后可能出现的最不利条件下建筑物的安全作出预先判断。第15页/共73页1.物理方法通过物理理论，建立水工建筑物观测对象与外界荷载以及建筑物和地基的几何尺寸、物理力学性能等之间的关系式，应用这种关系式，求出在一定条件下建筑物的某种物理量的数值，并和观测数据联系和对比，得出对观测值的分析意见，这就叫观测资料分析的物理方法。第16页/共73页（二）资料分析的一般方法2.统计方法第17页/共73页水工建筑物观测值由于影响因素复杂和测量的误差而具有某种不确定性，是一种随机变量。当有足够数量的观测值时，又具有明显的统计规律性。3.对比法对比法是一种直观方法，通过时间前后观测值的对比，观测值与设计值的对比等，分析其变化情况。对比分析的优点是简单明了，但只能反映出变化的一般趋势，且局限性较大；一般对比法用在资料的初步分析中，也是一种定性分析方法。以上的几种基本方法在实践中往往是有机地结合使用，从定性分析到定量分析，以求得切合实际的结论。第二节 土石坝渗流观测资料分析第18页/共73页一、渗流状态的描述及渗流破坏的类型和形式（一）渗流状态的一般描述渗流观测及资料分析主要是掌握大坝挡水后渗流状态是否属于正常渗流，从而达到为工程安全运用和维修并为设计科研提供有用数据资料的目的。正常渗流—指渗流的存在不影响工程安全和兴利效益流破坏，渗流量也在允许范围内。不正常渗流—不正常渗流包括两方面：存在隐患，有可能导致渗流破坏的渗流现象。渗流量过大，虽不危及工程安全正常发挥，但具有一定的危险。1、渗流破坏的类型通常将渗流破坏分为下列五种类型：（1）管涌；（2）流土；过渡型；接触冲刷；接触流土。影响到工程效益的最常见的破坏类型是管涌、流土和接触冲刷。第19页/共73页（二）渗流破坏的类型和形式土石坝渗流破坏的表现形式，归纳为下列几种形式。（1）砂层地基承压水顶穿表层弱透水层，如图6－7所示。首先发生局部的流土、管涌，并继续向地基的上游发展成

连通的管道，严重者会在上游面对应管道进口处发生漩涡，此时如果漏水管道失去拱作用而塌陷，大坝将开裂下沉而

破坏。2．渗流破坏的形式第20页/共73页（2）背水坡大面积沙沸，使坝脚软化引起塌滑。造成沙沸软化的来水，可能是砂土地基的承压水，也可能是沿弱透水覆盖层渗过来的表面水，还可能是大坝本身的渗水。第21页/共73页（3）渗流出逸点太高，超过下游排水设备顶部而在下游坝坡上逸出时，则将在下游坝面造成大片散浸区，使坝体填土湿软，或引起坝坡丧失稳定。如图6-8所示。第22页/共73页上游水位骤降，速度超过设计允许值，坝体含水不能及时排出，形成较大的孔隙水压力，在下降水位附近滑坡。在防渗铺盖处或坝体某部位产生裂缝，造成漏水短路增加了渗透压力或形成集中渗流，以至破坏。第23页/共73页（一）渗流破坏的判别渗流破坏的判别通常指两个方面的内容，一是根据坝身填土或地基土的组成判断，如果产生渗流破坏将是何种类型；二是根据实际的渗流坡降，判断是否会产生渗流破坏。1.渗流破坏类型的判断渗流破坏的类型取决于土颗粒组成中细颗粒的含量以及土的均匀性，对天然土，其判别准则可参照表6-1。第24页/共73页二、渗流破坏的判别和渗流的观测分析第25页/共73页2．渗流破坏的判断根据测压管的观测成果计算大坝在运行条件下最大的水力坡降，并与土体的破坏坡降相比较，如果：可能渗流破坏安

全第26页/共73页渗流观测资料的分析，可以及时掌握坝体和坝基渗流情况，判断渗流是否稳定并预测今后的变化，对保证水库安全运用具有十分重要的意义。通常进行资料分析的基本内容可有以下几项：浸润线。通过浸润线观测资料的分析，验证坝坡的稳定，掌握浸润线随库水位变化的规律，判断防渗体及排水反滤设施的工作情况。渗流量。分析渗流量随库水位的变化，从宏观上了解整个渗流场在运行中的变化。第27页/共73页（二）渗流的观测分析（3）坝基渗水压力。了解坝基内及出逸处的渗透坡降是否超过允许值，判断坝基渗流安全程度，通过渗水压力的变化，了解防渗截渗设施及排水设施的效果及运行状态。除了上述的基本内容外，尚可进行一些有针对性的分析项目，如：渗透系数。渗水透明度，导渗降压等。分析方法通常有浸润线的对比分布；测压管水位的位势分析及相关分析；化引流量分析；各相关变量的对比分析等等。第28页/共73页三、土石坝测压管观测资料的分析第29页/共73页（一）坝基及绕坝渗流测压管资料分析在上、下游水位差的作用下，水穿过坝基（绕过坝端）向下游渗透的渗透压力，其大小可用承压水头来表示。因此，用坝基（绕坝）测压管水位就可反映该处渗透压力的大小。坝基测压管观测资料分析要达到两个目的：一是判断坝基内部以及渗流出口处的安全程度；预测高洪水位时的渗流情况。常用的资料分析方法有三种位势分析法回归分析法对比分析法1.

位势分析法（1）位势的计算：是分析渗流运动的变化趋势坝基内某固定点的测压管水头（即该点渗透水的势能值）用

总水头（上下游水位差）的百分数表示，并把它称为该点的位势，其表达式为：第30页/共73页注意：在计算位势时，只有坝基渗透系数较大时第31页/共73页（例如坝基的渗透系数K为10-3～10-1cm／s），测压管水位变化与上游水位的变化才基本同步，这时可直接取对应时刻的上游水位与测压管水位计算。如果坝基渗透系数较小，测压管水位与库水位往往不同步变化，则要考虑测压管水位滞后时间的影响。①判断渗流变化发展的趋势。若运行过程中位势随时间而增大，则意味着地墓渗流发生了不安全的变化；相反，若位势值随时间逐渐减小，则说明渗流条件改善；如位势值不随时间变化，则渗流是稳定的。（2）坝基测压管的位势分析方法：第32页/共73页②由位势值预测高洪水位下的测压管水位。根据位势的定义，可用下式推算高洪水位下测压管水位：第33页/共73页求出最高洪水位下各测压管水位之后，就可计算坝基内部及渗流出口处的可能最大水力坡降，与坝墓的允许坡降进行比较，如预报的水力坡降大于坝基的允许坡降，则在高洪水位有可能出现渗流破坏，要研究相应的措施。坝基的允许坡降可参考表6-2，有条件的也可通过实验确定。位势法的应用：工程实例说明第34页/共73页2．回归分析法一般情况下，坝基或绕坝测压管水位与水库水位变化的关系符合线性变化规律，可用下式表示两者的关系：用自变量x表示库水位，y表示测压管水位，只要求出待定系数a、b后，经验公式就可确定，也就是说测压管水位随库水位变化的规律可用该式反映。第35页/共73页（1）一元线性回归解法—最小二乘法给定一组样本观测值（xi,yi）（i=1,2,…n）要求样本回归函数尽可能好地拟合这组值.普通最小二乘法给出的判断标准是：二者之差的平方和最小。第36页/共73页第37页/共73页第38页/共73页用上述方法配出的回归线有无意义呢?只有当y和x之间存在某种线性关系时配出的直线才有意义。检验回归线有无意义，除靠专业知识外，数学上给出一种办法，即引入了一个相关系数的量，用r表示，它由下式计算：（2）相关系数r的正负号取决于分子的符号，可见r和b的符号一致可以证明式中的分子绝对值永远不会大于分母的值，相关系数的取值范围是第39页/共73页r的不同数值，表示散点图分布的不同情况，其意义如图6-13所示。相关系数可以表示两个变量x与y之间线性关系的密切程度。愈接近零，x与y的线性关系程度愈小；反之愈大，愈接近1，x与y线性关系愈密切。第40页/共73页显著性检验值究竟大到什么程度，才能允许配回归直线表示x与y之间的线性关系呢？这就需对相关关系进行显著性检验。一般地说，相关系数达到显著的值与取样个数有关，取样个数较多时，使相关关系达到显著的要求可低些。第41页/共73页（3）回归线的精度统计分析中用剩余标准离差来衡量第42页/共73页将实测数据列表；将表列数据点绘在坐标纸上，作出散点图；根据散点图确定变量之间的关系；列表计算回归系数；计算相关系数，并进行相关显著性检验；回归线的精度分析，估计预报（或拟合）的精度。第43页/共73页总

结用最小二乘法进行回归分析的一般步骤可归纳为：3．对比法第44页/共73页对比法是一种直观方法，直接选每年相同的某一高水位下的测压管水位进行比较，如图6-15所示。若在相同的水位条件下测压管水位逐年下降则说明渗流条件在改善，反之则说明渗流条件在变坏。对比法的优点是直观明了，缺点是只能看出变化趋势，且往往受具体条件的局限。综合上述几种方法，各有优缺点，因此往往是几种方法综合分析以求互相验证。土石坝是由土石料填筑而成的，土石料中含有土石颗料和孔隙，孔隙中又含有水和空气，因此土是固、液、气的三相体。土坝在竣工后至蓄水之前属非饱和土，坝内水分的转移是在坝自身压力下向外排出，与此同时孔隙体积由于孔隙水的排出而减小，坝产生沉陷，此过程称为固结过程。水库蓄水后坝内水份转移是由上游穿越坝体流向下游的渗流和自重压力下孔隙水向上、下游排出两个过程组合而成。这两个过程是同时进行的，并且由于坝身的渗流运动又直接受库水位频繁变动的影响，是一种不稳定渗流。第45页/共73页（二）坝身测压管观测资料的分析

1．坝身渗流运动的特点用测压管水位反映渗流的变化时，测压管水位变化与对应时刻上游水位变化不同步，管水位由某一稳定值开始发生变化（上升或下降）的时刻往往比库水位开始变化的时刻来得晚，两者的时间差一般称作测压管的“滞后时间”。饱和土体中测压管水位的滞后时间主要取决于测压管自身容积的充水及放水时间。管径愈大，管内充水时间愈长，滞后时间也愈长。为了减少充水影响的滞后时间，宜选用较小直径的测压管非饱和土体内测压管水位的滞后时间主要由非饱和土孔隙充水时间所引起的，远较饱和土体中测压管容积充水时间长。实际上坝身测压管水位的滞后时间的绝大部分是由非饱和土体充水时间所引起。第46页/共73页（1）用实测库水位和管水位过程线估计。在库水位和管水位过程线上，选取由稳定状态开始变化时两转折点的时差；或取两过程线上峰、谷值对应的时间差作为滞后时间，如图6-16所示。2.测压管水位滞后时间的估计第47页/共73页（2）坝基有压渗流测压管滞后时间的估计。粗略的估计可以通过现场在测压管中注水试验得出。在测压管中注水，量测其恢复到原始水位的时间，该时间大致反映了库水位测压管的滞后时间。第48页/共73页如上所述，渗透性小的坝体存在明显的“时间滞后”现象。因此，设计水位对应时刻的实测浸润线并非对应于该水位时的浸润线，如果库水位上升过程达到高水位，则在高水位下的比较往往得出“实测浸润线低于设计浸润线”，相反，用低水位的观测值进行比较，又会出现“实测浸润线高于设计浸润线”。3．实测浸润线与设计浸润线比较第49页/共73页但是从验证坝坡稳定安全的目的考虑，可以将运用过程的高水位实测浸润线的上包线与设计浸润线进行比较，若比设计浸润线低或两者接近，则说明坝坡稳定满足设计要求。另外要注意，点式测压管或短进水段测压管所测得的管水位并不代表该测压管位置的浸润水面。只有当测压管进水段足够大，能够保证在实际浸润线附近或以上时，所测得的管水位才能代表浸润线水位。第50页/共73页（1）特定水位下管水位的对比。当测压管水位与上游水位相关性良好时（即下游无水，或下游水位变化的影响可以忽略不计），直接采用管水位对比分析更简单明了。一般可选择大多数年份都可达到的高、中、低三个库水位，且在选定的库水位上运行时间比较长（如超过测压管滞后时间），作为特定的上游水位，绘制历年同一特定上游水位下的测压管水位过程线，如图6-18所示。若在特定水位下测压管水位逐年上升，则说明渗流条件可能变坏，应引起注意。第51页/共73页4.对比分析法第52页/共73页（2）坝身渗透系数的对比分析。在没有产生渗透变形或淤填的条件下，坝身土料的渗透系数是不变的，如果坝运用过程中渗透系数产生了变化，说明渗流条件发生了变化。分析渗透系数的变化就可以了解坝内渗流条件的变化状况。已知测压管水位的滞后时间，则可用下式近似地推求坝身的渗透系数:例题：第53页/共73页对于一座已建成的坝，测压管水位只与上、下游水位有关，当下游水位基本不变时，可以时间为参数，绘制测压管水位与库水位相关曲线，相关曲线形状有下列几种：（1）测压管水位与库水位曲线相关。坝身土料渗透系数较大、滞后时间较短时一般是曲线相关，如图6-20所示。图中相关曲线向左移动，说明管水位逐年下降，反之则表示管水位逐年上升。5．相关过程线的分析第54页/共73页（2）测压管水位与库水位呈圈套曲线。第55页/共73页当坝身土料渗透系数较小时，相关曲线往往成圈套状，这是由于滞后时间所造成的。为了消除其影响，可将库水位作为纵坐标，测压管水位为横坐标，以时间顺序点绘曲线。如果把每次观测成果都点绘在图上，点子往往是比较杂乱的，但经过整理后还是具有较明显的规律性。①单圈套曲线。②连续变化的圈套曲线。③重复的圈套曲线。测压管水位经常高于库水位。原因有如下几个方面。①测压管堵塞或不灵敏；②管口保护不好，雨水沿管壁渗入；③竣工初期，可能是坝内孔隙水压力尚未消散，若运用多年则可能是坝内有裂缝或漏水通道与两岸高山地下水相连通；④坝体下紧上松，地表水渗入后滞留于某一高程处。测压管无水的可能原因：①测压管不灵敏或堵塞；②坝体碾压密实坝内未形成渗流或已渗透固结稳定。第56页/共73页6.坝身测压管水位异常现象的分析（3）靠岸坡坝段测压管水位高于河床坝段测压管水位的可能原因：①河床坝段设置了排水，而岸坡坝段未设排水；②河床坝段地基透水，岸坡坝段基础覆盖层透水性差；③绕坝渗流较强烈。第57页/共73页四、渗流量观测资料的整理分析第58页/共73页（一）渗流量观测资料分析的准备工作通过坝的总渗流量由以下四部分组成：坝基渗出

地表的渗流量；通过坝身的渗流量；绕过坝头的渗

流量；通过坝基的潜流量。前三部分的渗流量大部

分可用量水堰收集和观测，坝基的潜流量则在透水

地基的深层漏失，表面无法测量。但在透水地基中，该部分渗流量所占比重较大，不容忽视，因此在分

析资料前首先估算潜流量的大小。由于地下水坡度变化不大，坝基潜流量基本上是个常数，因此可用下列方法近似求出：以上、下游水位差为纵坐标，观测流量为横坐标点绘曲线图，两者近似呈线性关系，因有潜流量，直线不通过坐标原点，将直线延伸交于负x轴，其绝对值即为潜流量，如图6-26所示。1.坝基潜流量的估算第59页/共73页水的粘滞性随其温度而变，为使不同季节的观测渗流量能直接进行对比分析，应首先把不同温度的渗流量换算成某一标准温度下的渗流量，例如换算成水温为l0℃时的渗流量，换算式如下：2.温度校正第60页/共73页当渗流场的边界条件固定时渗流量应为常数，它的增大和减小主要受下列因素的影响：坝前泥沙淤积；防渗和排水设施失败坝基渗流破坏；坝体裂缝；化学溶蚀。因此，除了渗流量资料分析外，还要进行渗水透明度观测和水质分析，以及结合测压管资料进行分析。第61页/共73页（二）渗流量观测资料的分析方法对比分析法化引流量分析法相关分析法第62页/共73页渗流量观测资料的分析方法1．对比分析法同一库水位（或同一水头）渗流量随时间变化的对比，以特定水位为参数绘制渗流量过程线，如6-27所示。从曲线图分析渗流量的变化及发展趋势，若过程线逐步降低，说明渗流量逐年减少。若过程线逐步上升，则反映渗流量逐年增加，应引起注意。第63页/共73页“化引流量”是指单位水头作用下的总渗流量，用下式表示：2.化引流量分析法若随时间增长而增大，则说明渗流场可能出现隐患。如增大，但渗流出口测压，管位势减小，则有可能是坝基渗流出口遭破坏；若增大，但坝基测压管位势没有变化，则有可能是坝基渗流量增加，有可能是反滤排水堵塞。只有当减小，测压管位势也减小才是正常有利的变化。第64页/共73页如图6-28所示，分析曲线的变化趋势，当曲线在某一高程发生转折，渗流量增大，表示在此高程出现渗漏部位。此外也可以用回归分析建立渗流量与水头相关关系式，以此作为正常变化的范围和掌握它的变化趋势。一旦渗流量远超出经验公式给定的范围，则说明出现了异常现象，应引起注意。3．相关分析法第65页/共73页大坝的坝身、坝基及岸坡的变形和渗透之间有着一定的内在联系，资料分析时应将各个单项观测值尽可能联系起来进行综合分析，现将测压管水位与渗流量资料综合对比分析的几种情况简述如下:测压管水位降低，渗流量相应减小。一般情况是上游管水位降低幅度大，滞后时间增长，说明渗流条件改善，有利于安全。测压管水位降低，且靠下游部位水位下降幅度大，渗流量增加。此种情况很可能是渗流出口处产生渗透变形，需查明原因。第66页/共73页五、渗流观测资料的综合分析测压管水位逐步抬高，且下游部位升幅大，渗流量减小。这种情况可能是由于排水反滤失效或被堵塞，使坝体浸润线抬高，对坝坡稳定不利。测压管水位逐步抬高，上游部