基于岸坡地下水位观测的大坝防渗帷幕运行性态研究

基于岸坡地下水位观测的大坝防渗帷幕运行性态研究

水库储存后，水库岸壁形成新的渗透区。地下水的存在和活动容易改变岸壁岩体的稳定性，威胁岸壁边坡的稳定性和水库的安全。法国马尔巴塞(Malpasset)双曲拱坝,在岸坡高地下水位即拱端高扬压力作用下,左坝肩岩体产生变形和滑动,造成溃坝灾难,与没有布设必要的安全监测设施有很大关系。因此,为了保证大坝安全,常常在大坝岸坡布置变形及渗流观测项目,如沉降和地下水位等,并对观测数据进行处理分析,以便及时发现隐患,确保岸坡和大坝的稳定。以往岸坡地下水位实测资料的分析通常针对单测点进行,缺少岸坡渗流场的整体分析。为此本文通过对岸坡地下水位时空影响因素的分析,利用岸坡地下水位观测资料,建立了水库岸坡绕坝渗流的时空分布模型,从整体上分析岸坡渗流场及其变化趋势,以监控岸坡渗流的性态。1岸坡地下水位研究岸坡地下水位的时间和空间分布规律,可用某种形式的函数所代表的曲面来逼近该渗流特征的时间和空间分布,以获得区域性渗流特征随时间和空间的变化趋势。水库岸坡地下水位主要受上游库水位、前期降水、温度和时效的影响,即岸坡地下水位由库水位分量、降水分量、温度分量和时效分量组成,其在时间和平面位置上的分布可以用函数u=f(x,y,h,p,T,t)近似表示,x和y为平面上点的两个坐标。由于多项式能够逼近任何连续函数,因此用多项式作趋势面能较好地反映连续变化的时空分布趋势,则岸坡地下水位为u=uh+up+uΤ+uθ=fh(x‚y‚h)+fp(x‚y‚p)+fΤ(x‚y‚Τ)+fθ(x‚y‚t)(1)式中uh=fh(x,y,h)、up=fp(x,y,p)、uT=fT(x,y,T)、uθ=fθ(x,y,t)分别为岸坡地下水位的库水位分量、降水分量、温度分量和时效分量。参考文献,可得出岸坡地下水位的库水位分量、降水分量、温度分量和时效分量的时空模型表达式。(1)前期库水位课平均h0h0huh=fh(x‚y‚h)=n1∑i=0n2∑j=0n3∑k=0a1ijk?xi?yj?hk0+n1∑i=0n2∑j=0m1∑k=1a2ijk?xi?yi?ˉhk(2)式中h0和ˉh分别为当天和前期库水位平均值;a1ijk、a2ijk为系数。(2)p前期降水测定up=fp(x‚y‚p)=n1∑i=0n2∑j=0n4∑k=0bijk?xi?yj?ˉpk(3)式中ˉp前期降水量平均值;bijk为系数。(3)前期气温模型uΤ=fΤ(x‚y‚Τ)=n1∑i=0n2∑j=0n5∑k=0cijk?xi?yj?ˉΤk(4)若基础温度用周期项模拟,地下水位温度分量可表示为uΤ=fΤ(x‚y‚Τ)=1n∑i=0n2∑j=0m2∑k=1c1ijk?xiyjsin2πkt365+n1∑i=0n2∑j=0m2∑k=1c2ijk?xiyjcos2πkt365(5)式中ˉΤ为前期气温平均值;cijk、c1ijk和c2ijk为系数。t为时间(起测日至观测日天数)(4)kxiyj.非ijkvijuθ=fθ(x‚y‚t)=n1∑i=0n2∑j=0n6∑k=1dijk?xiyjtk(6)式中t为时间(起测日至观测日天数);dijk为系数。因此,岸坡地下水位的时空模型为u=n1∑i=0n2∑j=0n3∑k=0a1ijkxiyj?hk0+n1∑i=0n2∑j=0m1∑k=1a2ijkxiyj?ˉhk+n1∑i=0n2∑j=0n4∑k=0bijkxiyj?ˉpk+n1∑i=0n2∑j=0n5∑k=0cijkxiyj?ˉΤk+n1∑i=0n2∑j=0n6∑k=1dijkxi?yj?tk(7)或u=n1∑i=0n2∑j=0n3∑k=0a1ijkxiyjhk0+n1∑i=0n2∑j=0m1∑k=1a2ijkxiyjˉhk+n1∑i=0n2∑j=0n4∑k=0bijkxiyjˉpk+n1∑i=0n2∑j=0m2∑k=1c1ijkxiyjsin2πkt365+n1∑i=0n2∑j=0m2∑k=1c2ijkxiyjcos2πkt365+n1∑i=0n2∑j=0n6∑k=1dijkxiyjtk(8)2计算参数bijk、s1ijk、bijk、cijk、dijk的公式根据岸坡地下水位的实测资料,用最小二乘法对式(7)、式(8)中参数进行估计,即要求模型计算值与实测数据偏差的平方和Q=n∑l=1(ul-∧ul)2为最小。根据极值条件{∂Q∂a1ijk=-2n∑l=1n1∑i=0n2∑j=0n3∑k=0xiyjhk0l(ul-∧ul)=0∂Q∂a2ijk=-2n∑l=1n1∑i=0n2∑j=0m1∑k=0xiyj?ˉhkl(ul-∧ul)=0∂Q∂bijk=-2n∑l=1n1∑i=0n2∑j=0n4∑k=0xiyj?ˉpkl(ul-∧ul)=0∂Q∂cijk=-2n∑l=1n1∑i=0n2∑j=0n5∑k=0xiyj?ˉΤkl(ul-∧ul)=0∂Q∂dijk=-2n∑l=1n1∑i=0n2∑j=0n6∑k=0xiyjhkl(ul-∧ul)=0(9)即可解出参数a1ijk、a2ijk、bijk、cijk和dijk。3模型拟合程度的确定若实测数据ui与其平均值ˉu之差的平方和为Q,模型计算值∧ui与平均值u¯之差的平方和为U,则S=U+Q。模型拟合程度的好坏,可用R2=US×100％=(1-QS)×100％来说明。模型剩余标准差σ=Qn-k-1‚k为模型项数-1,若实测值u满足u∧-2σ＜u＜u∧+2σ,则测值正常,否则异常。4坝区地质概况某水库为多年调节水库,总库容达220亿m3,电站装机总容量为66.25万kW。水库正常蓄水位为108.0m,设计洪水位为111.4m,校核洪水位为114.0m,汛期限制水位为106.5m,死水位为86.0m。拦河坝为混凝土宽缝重力坝,坝顶高程为115.0m,最大坝高为105.0m,坝顶全长466.5m。坝址区分布有两种岩层,即千里岗砂岩和乌桐石英砂岩,岩层中均夹有薄层砂页岩或页岩,小断层和构造节理相当发育。两岸布置有单独的地下水观测网,测点成三角形布置,在左、右岸共布设47个孔,分布在右岸25个,左岸22个,1964年开始观测。图1为右岸地下水各测点布置图。取1980-2002年共8461个实测值进行趋势面分析。4.1库水位和降水根据式(2)～式(8),空间分布取三次曲面,时效分量取3次项,温度采用年周期项模拟,则式(8)为u=f0(x‚y)+∑k=14fk(x‚y)h¯k+∑k=58fk(x‚y)p¯k+f8(x‚y)sin2πt365+f10(x‚y)cos2πt365+∑k=1113fk(x‚y)t(k-10)(10)式中fk(x,y)=a0k+a1kx+a2ky+a3kx2+a4kxy+a5ky2+a6kx3+a7kx2y+a8kxy2+a9ky3(k=0,…,13);h¯k(k=1‚⋯‚4)、p¯k(k=5‚⋯‚8)分别表示库水位和降水量当天、前1天、前2～4天和前5～15天的平均值,其余同式(2)～式(8)。根据岸坡地下水位的实测资料,用最小二乘法对式(10)中参数进行估计,由式(9)解出参数a1ijk、a2ijk、bijk、c1ij、c2ij和dijk。4.2坝体防渗流通道的时空接收点(1)模型拟合的复相关系数R=0.986,剩余标准差σ=0.834m。图2(a)为1995年6月26日(上游库水位107.84m)典型测点岸坡地下水位实测值(实线)和拟合值(虚线)等值线图,表1列出了相应的实测值和计算值。可以看出,用时空模型可以较好拟合坝体岸坡的地下水位。(2)UR3和UR13测孔的单点剩余标准差S分别为2.45m和2.35m,大于2σ,可以判别图1中UR3和UR13两个测孔水位测值异常,而其附近UR11、UR1、UR2和下游的UR4、UR6、UR16、测孔的单点剩余标准差S也大于σ,正是由于UR3和UR13两个测点引起。从测孔水位实测资料看,UR3和UR13两个测孔水位较高,因此有理由认为UR3和UR11测孔所处区域渗透性较好,形成渗流通道,相应位置的防渗体防渗性能薄弱,而UR13测孔水位较高主要是由于岸坡降雨入渗抬高地下水位所至,即UR3和UR11孔附近的帷幕体,是大坝右岸的主要渗流通道。图2(b)为同位素示踪结果,