长诏大坝渗流观测分析

长诏大坝渗流观测分析

0坝体防渗观测项目布置长香水库位于曹嫦娥河支流新昌河上游。这座水库是由混凝土和小骨料混凝土组成的复合重力坝。大坝总长210米，最大高68米。校核洪水位为138.57m,设计洪水位为136.38m,梅雨期和台风期正常高水位分别为133m和126.1m。主要的防渗措施是上游坝面布置混凝土防渗面板,坝基设置主、副防渗帷幕和断层混凝土防渗井,并在坝体和坝基布置排水系统。该水库于1979年3月29日开始蓄水,1981年蓄到常年运行水位。长诏大坝的渗流观测是该坝原型观测的主要内容之一,观测项目有坝体和坝基面的渗压计、坝基的扬压力观测孔以及坝体和坝基的综合渗漏量的观测,具体布置见图1。渗压计和扬压力观测孔从起始蓄水日开始观测,渗漏量从1983年开始观测。运行期(即1982年以来),最高库水位为134.85m,年平均库水位为124.36m～127.89m,年变幅为9.63m～13.26m。1通过观测水库底板水位分析1.1孔水位上升而下降坝基部分扬压力孔水位过程线见图2,在蓄水期(1979年～1981年),大多数孔的水位随着库水位的上升而上升,一般在1981年,孔水位已达到较高值,此后最高孔水位与1981年接近。1982年起,孔水位的年变化呈现出一定的规律性。1.1.1坝基孔的水位变化坝轴线方向各坝段典型孔在运行期的水位特征值见表1。从表中可以看出,左右两岸坝基孔的水位年变幅较河床坝基的大,孔水位亦较高。如左岸的2号洞、6号洞和6号坝段、右岸的1号坝段的坝基孔水位较高,而4号坝段和坝后齿墙坝基处的孔水位很低,接近下游水位。1.1.2孔位的影响:自然出现,部分坝1.1.2.1受库水位影响较明显的孔位于右岸1号坝段坝基的大多数孔,2号、4号坝段坝基帷幕后的第1个孔u11,u20和u21,位于左岸6号坝段坝基的u33,u34和左岸2号、6号平峒内的绝大多数孔,这些孔的水位与库水位基本上同步变化,而且多数孔水位相对较高,变幅亦大。少数孔(1号坝段的u4、2号坝段的u11和6号坝段的u35孔)的水位超出了设计值。1.1.2.2受库水位影响不明显的孔位于2号～5号坝段坝基的有些孔,如u12,u25,u26等,受库水位的影响不十分明显,各年最高最低孔水位出现的时间基本相同,孔水位较低,且都低于设计值,变幅亦小。说明这些孔所在部位的坝基渗流状态比较稳定,河床坝段设置的防渗帷幕和断层混凝土防渗井的防渗效果良好。另外,还有一些孔,前期具有一定的变化规律,而后期则没有规律,这类孔有u7,u13,u22,u24和u50,前4个孔估计是由于局部的渗流通道受到堵塞,孔水位对外界影响不敏感,而u50是因孔的进水口受到堵塞,1988年干孔而停测。1.1.3孔水位变幅小1982年以来,绝大多数孔的各年最高孔水位十分接近,趋势性变化不十分明显。2号～5号坝段及坝后齿墙处孔水位的年变幅很小,大部分孔在2m以下,其中1m以下的孔占54%,且除u11外,孔水位都低于设计值。由此可见,大坝主要坝段的坝基扬压力正常,原防渗排水措施有效。1.2左右两侧水库高压力孔水位分析1.2.1孔水位的变化u4孔水位主要受右岸地下水和库水位影响。开始观测的2年,孔水位超出设计值,后在其上游增设补12号排水孔后,u4孔水位下降,与设计值接近。而1986年5月13日起,孔水位又上升。1986年5月13日～1991年12月的最高孔水位为127.74m,相应的渗压系数为0.53,大于设计值0.375,但最大年变幅由原来的5.43m减小到2.89m,估计该孔水位的升高与排水通道堵塞有关,应采用排水降压以降低该孔水位。u11孔蓄水期和运行期最高孔水位相应的渗压系数分别为0.31和0.35,接近设计值0.32,且其孔水位比周围u12,u13孔的水位高,变幅亦较大。u12,u13孔最高水位的α值分别为0.21和0.20。这说明u11孔所在的部位的坝基渗透性相对较强,应注意其今后的变化趋势。1.2.2孔水位受库水位的影响u35孔的水位高,变幅大,出水量曾达0.13L/s。一般每年1月～7月,孔水位受库水位的影响较明显,且高出设计值,渗压系数高(达0.62,设计值为0.375),最高孔水位一般出现在库水位最高的时候。8月～12月,该孔水位较低,且低于设计值,即使库水位很高,但该孔水位仍很低,如1981年的11月和12月的平均库水位为132.46m,与该年的4月和5月的平均库水位(132.77m)很接近,但11月和12月的平均孔水位为110.88m,比4月和5月的平均孔水位(116.85m)低6m左右。1983年亦出现类似的情况。u35孔水位的这种变化规律表明其除受库水位影响外,还受其他因素影响。该孔位于左岸F2断层开挖面陡坡及PbⅠ,PbⅡ,PbⅢ软弱夹层的边缘,故估计u35孔水位在一定程度上还受这些构造的几何特性和物理特性影响,以及构造的位移和应力状态变化的影响。为了降低该孔水位,1983年3月对6号坝段坝基进行灌浆处理。从1984年9月起,u35孔水位变化很小,一直稳定在111.80m左右(低于设计值),估计u35孔附近的渗水通道已被堵塞。1.2.3断层防渗墙后的驳岸状F14断层贯穿左岸上下游,为防止坝肩绕坝渗漏,设置了垂直断层面的管柱防渗墙,并在2号和6号平峒内布置了7个扬压力观测孔,以监测左岸和F14断层的地下水位。从实测资料来看,平峒内多数孔的水位变化趋势稳定,表明左岸及断层的渗流状态是稳定的。u38,u45位于断层防渗墙前,u39,u44位于防渗墙后。u38的孔水位主要受库水位影响,其年平均水位比库水位的年平均值低4m～6m,u39的孔水位年平均值比u38低6m～8m,这表明在108m高程上下一定范围内,防渗墙的防渗效果是好的。u45和u44的孔水位基本相同,且库水位在126m以上时,这两个孔的水位与库水位基本接近;当库水位低于126m,它们的最低水位也不低于126m。现象表明,u45和u44孔与上游库水的连通性较好,高程在124m附近,F14断层防渗墙的效果欠佳,此外还受到地下水的影响。1.3压力观测数据的统计分析1.3.1日天气象及主要影响因子从前面的分析可知,孔水位(h)的统计模型应包括水压(h1)、周期项(h2)、降雨(h3)和时效(h4)四个影响分量h=h1+h2+h3+h4+b0(1)h=h1+h2+h3+h4+b0(1)上式中各分量的表达式如下h1=b1ΔHu+b2ΔHu1+b3ΔHu5¯¯¯¯¯¯+b4ΔHu10¯¯¯¯¯¯¯+b5ΔHu20¯¯¯¯¯¯¯+b6ΔHu30¯¯¯¯¯¯¯+b7ΔH2u+b8ΔH3u+b9ΔHd(2)h2=b10ΔT+b11sin2πt365+b12(cos2πt365−1)+b13sin2πt365cos2πt365(3)h1=b1ΔΗu+b2ΔΗu1+b3ΔΗu5¯+b4ΔΗu10¯+b5ΔΗu20¯+b6ΔΗu30¯+b7ΔΗu2+b8ΔΗu3+b9ΔΗd(2)h2=b10ΔΤ+b11sin2πt365+b12(cos2πt365-1)+b13sin2πt365cos2πt365(3)h3=b14ΔR+b15ΔR1+b16ΔR¯¯¯5+b17ΔR¯¯¯10(4)h4=b18θ+b19ln(1+θ)(5)h3=b14ΔR+b15ΔR1+b16ΔR¯5+b17ΔR¯10(4)h4=b18θ+b19ln(1+θ)(5)以上各式中的自变量ΔHu,ΔHd,ΔT,ΔR,ΔHun¯¯¯¯¯¯‚ΔRn¯¯¯¯ΔΗu,ΔΗd,ΔΤ,ΔR,ΔΗun¯‚ΔRn¯分别为观测日当天的上游水位、下游水位、气温、降雨量、前n天的平均库水位和平均降雨量的变化量;t为累计天数,θ=0.01t。1.3.2运营期间孔水位的影响分析采用运行期(1982年～1991年)的观测资料进行逐步回归计算,得到最佳回归方程。1.3.2.库水位的影响统计模型中水压分量因子共有9个,回归计算后,一般方程中含有4～5个。下游水位因子很少被选中,故主要讨论库水位的影响。库水位分量有如下特点:①最大年变幅在1m以上的孔有14个,占全部测孔数的32%;②4号、5号坝段和坝后齿墙处最大年变幅都在1m以下,这表明上述坝段受库水位的影响是很小的;③库水位分量主要受当天的库水位影响,有些孔也受观测日前期的库水位影响,分量的峰值一般滞后库水位峰值0d～7d。1.3.2.测孔的约90%、60%左周期项分量较小,最大年变幅在1.74m以下,约90%测孔小于1m,60%左右测孔小于0.5m。周期项分量中包含有温度的影响,由此可见,温度变化引起的孔水位变化量是很小的。1.3.2.降雨对多孔孔的影响降雨分量以u45孔最大,最大年变幅为1.08m,其余孔基本上在0.5m以下,表明降雨对绝大多数孔的水位影响是很小的。u45孔位于F14断层,雨水入渗对该孔水位有一定影响。1.3.2.年变化的量1982年～1991年,大部分孔的时效分量的变化量都很小,基本上在1m以下,且年变化量小于0.1m。u10,u18,u35,u38的时效分量的变化量为1.0m～1.43m,时效分量的增加只出现在前期,而近期处于减小或平缓的趋势。2因果报应在1979年实1979年～1984年渗压计的测值有一定的规律性,而1985年起,测值规律性变差,估计渗压计观测系统出现故障,故以1979年～1984年的观测资料为依据来分析渗压计测值。2.1静水压试验研究项目申请温度和检压值对比,见表13观测坝体渗压的渗压计有4号坝段104.5m高程的P1及90m高程的P2和P3。P1距上游坝面0.625m。1979年～1984年,P1的测值很小,为-0.015MPa～0.023MPa,呈年周期性变化,与测点温度呈负相关,与上游静水压力没有明显的关系。P2和P3分别距上游坝面1.25m和2.75m,其渗压值随上游静水压强的变化而变化。P2的测值存在趋势性的系统误差,从1983年8月15日开始超过上游静水压强Pu。P3的测值规律性较好,最大值为0.314MPa,相应的渗压系数为0.82,说明该部位混凝土的渗透性较大,估计是由于P3附近的防渗面板存在裂缝所致。2.2坝体防渗结构埋设在坝基面的渗压计有4号坝段的P4和P5,5号坝段的P6,P7,P8和P9。P4和P5在上下游向分别与孔u22和u23靠近,P6,P7,P8和P9在上下游向分别与孔u28,u29,u30和u31靠近。渗压计测值反映的是坝基面处的渗压,扬压力孔反映的是坝基面以下进水口处的渗压。由渗压计测值折算成的孔水位与相近位置的扬压力孔水位,二者的变化趋势和变化规律基本上一致,渗压计测值低于扬压力孔测值,偏上游的部位,二者的差值要大一些,这估计与帷幕附近的水头坡降较大有关。3观测数据的泄漏量分析3.1月份的日渗漏量最大日渗漏量一般出现在每年3月,该月的气温和坝前水温较低,坝基面附近的温度亦相对较低,上游坝面和坝基面附近处于相对收缩的状态,坝体的缝隙和坝基裂隙开度相对扩大,而此时的库水位已接近或高出年平均水位,所以在一般情况下,3月份的日渗漏量为全年最大。日渗漏量最小出现在7月～12月,如1984年～1989年出现在10月前后。这个时间的气温不是全年最高,库水位大体接近年平均水位,但坝前水温和坝基面附近的温度较高,各种缝隙开度相对缩小,所以日渗漏量就小。还有的年份,如1985年和1990年的最小日渗漏量出现在7月、8月份,这两年属于高气温下低水位运行的情况。1983年～1991年最大日渗漏量为83.53m3,最大年渗漏量为1983年的9379.4m3。3.2温度和时效分量的变化规律渗漏量的统计模型同扬压力孔水位(如式(1)～(5)所示),采用1983年～1991年的观测资料为样本,得到最佳回归方程S=1.392ΔHu−0.3138ΔH¯¯¯u30−2.864sin2πt365+8.84(cos2πt365−1)−4.538sin2πt365cos2πt365+0.06078ΔR+1.957θ−67.62ln(θ+1)+124(6)S=1.392ΔΗu-0.3138ΔΗ¯u30-2.864sin2πt365+8.84(cos2πt365-1)-4.538sin2πt365cos2πt365+0.06078ΔR+1.957θ-67.62ln(θ+1)+124(6)根据式(6)分离出来的分量可知:①入选的库水位因子有当天库水位和前30d的平均库水位,且以当天库水位的影响为主,库水位分量的年变幅为11.13m/d～15.57m/d;②温度分量的年内最大值出现在2月下旬,最小值出现在10月上旬,此与渗漏量的年最大、最小值出现的时间很接近,说明温度是影响渗漏量大小的重要因素,温度分量的年变幅约为20m3/d左右;③降雨量分量较小,以当天降雨量影响为主,年变幅为1.25m3/d～10.07m3/d;④时效分量的变化趋势稳定,从1983年～1991年时效分量变化量为-14.68m3/d。综上所述,渗漏量