东津水电站大坝渗流量异常测值分析

敖圣锋，姚东风，邓永洪，刘异锦

(1.武汉大学水利水电学院，湖北 武汉 430072；2.江西东津发电有限责任公司，江西 九江 332499)

大坝安全监测是揭示大坝实际工作性态的重要手段，监测资料分析是判断大坝安全的主要途径。要对大坝安全状态作出正确的诊断，首先需要对监测资料的可靠性和合理性进行分析；当测值存在明显异常时，应分析异常测值产生的原因，并判断异常测值是观测误差引起的，还是对大坝安全变异的实际反映[1]。

渗流监测是大坝安全监测的主要监测项目之一，包括混凝土的坝基扬压力、土石坝的渗透压力、坝体及坝基渗流量、水质等监测内容[2]。本文基于东津水电站大坝坝体及坝基渗流量监测资料，对测值序列中的明显异常情况进行了综合分析和处理，从而对坝体及坝基总渗流量实测性态做出了评价。

1 工程概况

东津水电站位于江西省修水县境内的修河东津水上，是1座以发电为主，兼有防洪、灌溉、养殖等综合效益的大(2)型水利水电枢纽工程，枢纽主要建筑物包括大坝、左岸开敞式溢流道、右岸山脊梁处理工程、发电引水隧洞、地面式厂房和开关站以及由导流洞改建的水库放空洞等。水电站正常蓄水位190 m，按百年一遇洪水标准设计，相应设计洪水位194.29 m(P=1%)；考虑到下游建筑物防洪要求，校核洪水标准为万年一遇，相应校核洪水位200.16 m(P=0.01%)。

东津水电站枢纽布置了较为完备的变形和渗流监测项目，其中渗流监测项目主要包括：坝基面渗透压力监测、周边缝接缝止水效果监测、绕坝渗流监测、渗流量监测等。其中，为监测坝体和坝基的总渗漏量，在大坝下游河床设置一道截水墙，并在桩号0+178.6 m处设置1座量水堰，堰顶高程124.96 m，堰口高程124.46 m。

量水堰于2000-07-21日始测，2004年及以前采用容积法进行人工观测；2005年无观测成果记录；2006年1月开始采用量水堰仪实行自动监测，观测频次为1次/d。坝后量水堰自动化观测采用量水堰仪(压阻式水位计)进行观测，量水堰仪实测渗流量计算采用计算公式为

Q=1.4H2.5

(1)

H=fr1H0

(2)

式中：Q为实测渗流量，L/s；H为实测堰上水头，m；r1为传感器读数，无量纲；f为传感器最小读数，m/1个读数，由厂家提供，本处为0.717；H0为三角形量水堰角点以下水深。

2 测值异常情况及成因

选择2000～2016年坝体及坝基渗流量监测资料，绘制东津水电站坝后量水堰的全时段原始实测渗流量与降雨量变化过程线，见图1。

图1 坝后量水堰的全时段原始实测渗流量与降雨量变化过程线

东津水电站大坝渗流量原始监测成果主要存在以下异常表现。

1)监测资料中存在较长时段的数值成片畸大的明显不合理现象，且测值数值基本相同。如观测时段中的2010-06-21日～2010-08-31日，测值成片畸大，最大值达42 322.36L/s；再如2015-10-30日～2015-11-10日，测值陡然增大，最大值达到363 335.59 L/s。这些时段测值成片畸大，显著大于正常的渗流量测值(一般<15 L/s)。从东津水电站水工技术人员处了解，出现这种情况的主要原因在于观测系统出现故障，这些测值不是坝体及坝基实际渗流量的真实反映。

2)监测资料中存在短时段的数值过大的明显不合理现象。如2012-05-13日～2012-05-19日、2014-07-16日～2014-07-17日、2016-07-06日～2016-07-07日等时段，这些时段渗流量测值陡然增大，最大渗流量达到16 770.17 L/s，明显大于正常测值，但持续时间较短，且主要发生在溢洪道泄洪期间。通过实地考察及向水工技术人员了解情况，量水堰与溢洪道泄槽和出口的位置比较接近，量水堰过流量受溢洪道泄洪反灌以及泄洪时雾化形成的雾化雨水的影响严重，导致量水堰观测到的渗流量过大。这些测值也不是坝体及坝基实际渗流量的真实反映。

3)监测资料序列中部分测次渗流量测值出现明显的突变或尖点等现象。如2002-05-10日(38.86 L/s)、2003-06-26日(87.71 L/s)、2006-06-29日(28.79 L/s)、2012-06-27日(26.64 L/s)等测次。渗流量出现突变或尖点的测次较多但测值不大，一般小于100 L/s。通过向水工技术人员了解情况，并结合坝址降雨量变化过程线，出现突变的主要原因在于坝址降雨量对量水堰渗流量的影响。由图1可知：①降雨对渗流量的影响主要集中在每年的雨季；②降雨对量水堰渗流量的影响程度存在差别，这估计与降雨时段是否与量水堰的观测时刻存在重合有关。当降雨持续时间较长且与量水堰观测时刻存在重合时，量水堰实测渗流量受降雨影响较明显；当降雨持续时间不长且降雨量较小时，量水堰实测渗流量不受降雨影响或受降雨影响较小。受降雨影响的测值也不是坝体及坝基实际渗流量的真实反映。

3 数据处理

大坝监测数据的异常一般由运行性态变化、环境量异常、系统改造、人为误差或系统故障等原因引起。对于监测系统造成的异常测值应予以剔除或作其他处理；对于运行性态变化引起的测值异常则要予以密切关注，并采取适当处理措施[3]。本文中东津水电站坝后量水堰渗流量监测数据存在较多明显异常测值，主要是由监测系统及环境量异常造成的，经综合分析采用以下两种数据处理方式。

1)过程线中存在较长时段的数值成片畸大及短时段的数值过大等明显不合理现象，主要是因观测系统故障所致，或受溢洪道泄洪反灌及泄洪时的雾化雨水影响所致，不是对坝体及坝基实际渗流量的真实反映。这类测值差异显著且数量较多，不易于逐个修正，因此本次数据处理选择从量水堰渗流量实测成果中直接予以剔除。

2)监测数据中存在部分测次渗流量发生明显突变的现象，主要原因在于坝址降雨量对量水堰渗流量的影响，使得量水堰实测成果不能反映坝体及坝基的实际渗流量，因此在渗流量监测资料分析前应尽量消除降雨的影响。经综合分析，结合工程经验，采取排除观测日前7天累积降雨量超过5mm的量水堰实测渗流量的方法进行处理。

处理后的坝后量水堰全时段实测渗流量与降雨量的对比过程线见图2，与上游水位的对比过程线见图3。

图2 处理后的坝后量水堰全时段实测渗流量与降雨量过程线

图3 处理后的坝后量水堰全时段实测渗流量与上游水位过程线

4 渗流量变化特性分析

由图2和图3可知，量水堰实测渗流量具有如下特点。

1)2004年及以前采用人工观测的量水堰实测渗流量较小，2006年采用自动化观测以来量水堰实测渗流量明显大于人工观测渗流量，估计与不同观测方法带来的误差有关。

2)降雨对坝后量水堰实测渗流量存在明显影响。在全序列5 127 d的测值中，按前述方法(排除观测日前7 d累积降雨量超过5 mm的量水堰实测渗流量)确定的受降雨影响较明显的天数为3 496 d，占总天数的68%；剔除明显不合理测值但未排除降雨影响情况下，全序列实测最大渗流量为87.71 L/s(相应的前7 d累计降雨量为280 mm)，发生在前期累计降雨量较大的时候。

3)无论是人工观测，还是自动化观测，剔除明显不合理测值以及排除降雨影响后，量水堰实测渗流量绝大部分时段变化较为平稳，未表现出明显的趋势性变化，也未表现出其他的明显不合理现象。从渗流量与相应上游水位的过程线来看，上游水位变化对坝后量水堰渗流量有一定的影响，但不明显。

4)剔除明显不合理测值以及排除降雨影响后，全时段实测最大渗流量为19.24 L/s，发生在2013-08-06日(相应上游水位186.45 m)，平均渗流量为3.60 L/s；渗流量小于1 L/s的天数有592 d，占数据处理后的观测天数(1 631 d)的36%；渗流量小于5 L/s的天数有1 226 d，占数据处理后的观测天数(1 631 d)的75%；渗流量大于10 L/s的天数有121 d，占数据处理后的观测天数(1 631 d)的7.4%。表1给出了国内外部分已建面板堆石坝实测渗流量统计情况，对照表1来看，剔除明显不合理测值以及排除降雨影响后，东津水电站坝后量水堰实测渗流量不大，在合理的范围内。

表1 国内外部分已建面板堆石坝实测渗流量统计表

5 结 语

本文以东津水电站大坝坝体及坝基渗流量监测资料分析为例，针对原始观测成果中的明显异常现象，通过剔除明显不合理测值以及排除降雨影响的方式，对原始监测资料进行了数据处理，并通过渗流量变化特性分析、国内外渗流量对比等方式，表明东津水电站大坝坝后量水堰实测坝体及坝基总渗流量性态正常，上游面板的防渗效果是良好的。

渗流量是大坝安全监测的主要监控项目之一，渗流量监测成果是判断土石坝及面板堆石坝渗流运行性态和防渗效果的主要依据。本文的研究成果表明，在渗流量监测资料分析时，需要重点考虑以下因素。

1)实测成果中存在的观测误差。东津水电站大坝渗流量监测成果中存在的明显异常测值，主要是由于观测系统故障引起的，或因外界因素影响导致客水侵入引起的。这些测值不是坝体及坝基实际渗流量的真实反映，必须进行处理。

2)降雨影响是导致渗流量观测成果异常的主要因素，也是普遍存在的因素。降雨影响使得观测的渗流量大于实际渗流量，导致对坝体及坝基渗流性态产生误判。因此，在渗流量监测资料分析时，需要采取一定的措施，排除降雨因素的影响。