闸坝扬压力监测分析数学模型及工程应用

高文学

（四川华电木里河水电开发有限公司 四川 西昌 615000）

闸坝扬压力监测分析数学模型及工程应用

高文学

（四川华电木里河水电开发有限公司 四川 西昌 615000）

在对影响混凝土闸坝扬压力的主要因素进行分析基础上，建立了闸坝扬压力监测资料分析的数学统计模型，分析了某实际工程闸坝的实测扬压力变化规律，为评价大坝运行性态提供了依据。

闸坝；扬压力；监测；数学模型

0 引言

扬压力监测是闸坝安全监测的重要项目之一，影响扬压力大小的因素有上、下游水位、帷幕的工作状态、排水系统及库内泥沙淤积对基岩裂隙的堵塞、降雨及渗透作用等，而温度则通过影响基岩裂隙张开度而间接影响扬压力大小。这些影响因素除有周期性变化规律以外，还受随机性因素的影响，且大坝扬压力监测亦存在观测误差。因此，本文通过建立扬压力分析数学模型来反映上述因素对大坝扬压力的影响，并从中找出规律，从而对大坝扬压力状态作出预估和监控。

1 数学模型构建

影响坝基扬压力大小的因素有上、下游水位、帷幕的工作状态、排水系统及库内泥沙淤积对基岩裂隙的堵塞、降雨及渗透作用等。因此在统计分析中，模型的因子初选是极为复杂的。通常可按以下形式构造扬压力分析数学模型：

式中，YW（t）——扬压力监测值在时间t的统计估计值；

YW1[H上（t）]——扬压力的上游水压分量；

YW2[H下（t）]——扬压力的下游水压分量；

YW3[T（t）]——扬压力的温度分量；

YW4[θ（t）]——扬压力的时效分量；

C——待定常数项。

（1）库水位分量

根据理论和实测资料分析可知，坝基各测压管的测值随该点到上游面的距离不同而滞后的时间也不尽不同，因此水位因子的选择中可加入观测日水位、前5天的平均水位H5、前10天的平均水位H10以及前20天平均水位H20等作为初选因子进行分析处理，如此则有扬压力水位分量函数：

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式中，ai，bi——待定回归系数。

（2）温度分量

扬压力与温度变化并无直接关系，但由于温度变化会引起基岩裂隙张开度的改变而间接影响扬压力的测值，一般情况下温度因素对扬压力测值的影响较小，特别是对于处在水位较深处的扬压力测点,测值影响更是如此，因此，本文按温度周期变化特点考虑其对扬压力测值的影响，并构造如下分量函数：

（3）时效分量

泥沙的淤积情况是越靠近坝踵、颗粒越细小，这是由于水流速度由库尾至坝前逐渐减慢的缘故。随着泥沙的不断淤积，使坝基附近的上游面铺盖层逐年增厚，影响坝基渗流场，这种作用实际上与时间有关，因此，分析中采用如下的模式考虑其时效分量：

式中，ti为观测时刻距初始时刻的天数；di为待定回归系数。

2 模型的工程应用

2.1 工程概况

某混凝土闸坝位于大渡河右岸一支流上，坝顶高程1679.00m，最大坝高35.50m，坝顶长181.5m，从左至右依次布置有8个挡水坝段、3孔泄洪闸、1孔冲砂排污闸和右岸侧向发电取水闸；坝前正常蓄水位为1678.0m，死水位为1666.0m，总库容162.1万m3。电站总装机132MW，年发电量6.91亿kW·h。

为监测防渗帷幕的防渗效果和闸基的扬压力，分别在排污、冲砂、泄洪及挡水坝段各设有一个扬压力观测断面，共有16 个测压管。 除 UP2、UP3、UP6、UP7、UP15、UP16 埋设在坝体内，引至坝顶外，其余测压管均引至基础灌浆廊道内，基本上每个坝段都有一个测点。所有测压管均采用Φ63mm镀锌铁管深入建基面一下1m。灌浆廊道内测压管采用压力表测量。引至坝顶的测压管采用DGK-110型电测水位计测量。

对该混凝土闸坝进行渗流分析时，时效分量的初始时刻取2002年1月1日，H（t0）取建基面高程1643.5m。

2.2 扬压力分析

在所埋设的16个测压管中，UP2（1668.00m高程）已堵塞；UP16被埋，因而这两个测压管无法观测。由于采用压力表测扬压力，一些测孔的水位没有达到压力表高程，无法测量其值，只有 UP5、UP8、UP9、UP3、UP6、UP7、UP15 七个测点的监测值，故本文只对这些测点进行了分析。

根据扬压力监测分析模型（式1～式5），对2002～2005年系列资料进行了回归分析，在7个测点的扬压力回归方程中，引至坝顶的UP5、UP8、UP9三个测点的复相关系数R全部小于0.5，廊道内的UP3、UP6、UP7、UP15四个测点的复相关系数R大于0.7的有3个，小于0.7的有1个，回归效果总体较好。从回归结果可以得到以下认识：

（1）测孔扬压力值与下游水位、温度和时效的关系很小，而与上游水位相关密切。

（2）由扬压力实测值和回归分析结果可知，扬压力的变化呈现较好的规律性，并趋于收敛。UP3、UP7测值中个别点出现有较大的跳动，主要是测点靠近冲砂闸受冲库的影响。运行中的冲库时间分别为：2002年5月23日，2002年10月5日,2003年5月5日,2003年7月5日，2004年10月1日。几次冲库都引起扬压力的突然增大，表明冲库对扬压力的影响比较明显。

3 结论

本文对混凝土闸坝坝基扬压力建立了适当的观测资料分析数学模型，某混凝土闸坝扬压力原型观测资料的数学模型分析表明，该工程坝基扬压力与下游水位、温度和时效的关系很小，而与上游水位相关密切，冲库对扬压力的影响比较明显。实际工程应用验证了本文模型的适用性。

［1］刘子方.堤坝非稳定渗流观测资料分析方法[J].岩土工程学报,2011,11.

［2］任慧丽.某水库大坝渗流观测资料对比分析及成果[J].内蒙古水利,2009,5:12-13.

［3］郑晓红,李东升.温度因子对混凝土坝渗流监测模型影响的对比研究[J].中国农村水利水电,2010,9:77-79.

高文学（1973—），男，湖北荆门人，本科毕业于三峡大学，现在四川华电木里河水电开发有限公司卡基娃建设分公司工作，工程师。

王洪泽］