南水北调东线工程大屯水库渗流监测分析

郭晓翠，于 云，张运保

（南水北调东线山东干线有限责任公司，山东 济南 250109）

1 工程概况

大屯水库工程位于山东省德州市武城县恩县洼东侧，是南水北调东线一期鲁北段工程的重要调蓄水库，为围坝型平原水库。大屯水库设计最高蓄水位29.80 m，相应最大库容5209万m3，设计死水位21.00 m，死库容745万m3，水库调节库容4464万m3，设计洪水标准为50年一遇。水库围坝坝轴线总长8 913.99 m，最大坝高14.15 m，坝顶宽7.50 m，上游边坡坡比为1∶2.75，下游边坡坡比为1∶2.5。坝型为砂壤土均质坝和裂隙粘土与砂壤土分区坝，上游坝坡采用预制混凝土块护坡，下游坝坡27.60 m高程以上部分为草皮护坡，27.60 m高程以下部分为弃土平台。水库防渗采用坝体上游坡铺设复合土工膜和库底水平铺膜相结合的防渗。大屯水库工程于2010年11月25日正式开工，2012年12月31日主体工程建设基本完成，2013年6月11日至6月26日，水库成功完成了试通水工作，2017年6月水库蓄水达到设计蓄水位。

2 安全监控指标研究

安全监控指标是评估、监测建筑物安全的重要指标，在安全监控理论中占有重要地位。安全监控指标的重要任务是根据建筑物已经抵御经历荷载的能力，来评估、预测抵御可能发生荷载的能力状况，来确定在这种荷载组合下，监控效应量的警戒值，以达到在实际运用时能及时发挥预警预报的作用。由于一些建筑物可能没有遭遇最不利的工况，另外建筑物在抵御荷载的能力也在变化。所以，在实际工程中，拟定安全监控指标是一个非常复杂的问题，需要根据建筑物的工程特点，结合工程地质、结构设计、施工和运行等资料，研究监控对象破坏机理和长期运行安全的主要影响因素，结合实测资料，用多种方法进行分析论证。本次研究采用置信区间法进行大屯水库渗流监测安全监控指标的拟定。

3 渗流监测资料分析

渗流监测包括坝基测压管监测和坝基埋入式渗压计监测两种方式，共15个渗流监测断面、68个监测点。其中埋入式渗压计监测断面8个，每个断面设5个埋入式渗压计测点；测压管监测7个断面，每个断面设4根测压管（内安装渗压计）。本次研究选取2014—2018年1+800断面的4处测压管渗流监测数据及4+900断面的5处埋入式渗压计渗流监测数据为基础进行分析，确定应量与环境量变化之间的相关性。

3.1 测压管渗流监测

1+800断面测压管水位总体上与库水位相关性显著，断面不同点的管水位变化与库水位相关性呈现从上游到下游逐渐减小的规律。即测压管离上游越近，管水位变化与库水位变化的相关性越强，滞后性越不明显。

1）特征值分析。1+800断面的4处测压管渗流监测数据如表1所示：

表1 大屯水库围坝1+800断面测压管水位特征值统计表 m

2）时空规律分析。总体来看，1+800断面测压管渗透压力规律明显，与库水位存在较好的相关性，见图1。

图1 1+800断面测压管水位过程线

3.2 埋入式渗压计渗流监测

由表2、图2数据分析可知：埋入式渗压计所测水位与库水位相关性较好，并且总体上比测压管水位与库水位相关性要更明显。

1）特征值分析。4+900断面的5处埋入式渗压计渗流监测数据如表2所示：

图2 4+900断面渗压计过程线

4 监控指标研究方法

4.1 水库经历荷载情况

大屯水库设计最高蓄水位29.80 m，死水位21.00 m。从实际运行情况来看，自2013年11月通水试运行以来，大屯水库分别在2015年、2017年和2018年实现了三次正常调水。在2017年和2018年，大屯水库共两次到达设计最高水位29.8 m。大屯水库所在区域属暖温带半湿润季风性气候，多年平均降水量558.8 mm，最大年降水量为1964年的1 047.7 mm，最小年降水量为1968年的297.0 mm。从运行期大屯水库实际经历荷载情况来看，较不利荷载主要为水库运行至最高水位时的荷载。结合大屯水库经历荷载情况和渗流监测项目的资料分析成果，针对水库坝基和坝体渗流监测项目，利用置信区间法估算其监控指标。

表2 埋入式渗压计4+900断面特征值统计表 m

4.2 置信区间法

1）监控模型的基本关系式。水库渗流主要是受到水库的水位、时效等因素变化的综合影响，其监控模型基本关系式表示为：

式中：H为渗流量；Hh为水位分量；Hθ为渗流时效分量。

①水位分量。水库水位的变化对水库渗流有一定影响，并有一定滞后性，所以选择监测当日水位，以及前7 d、前14 d的平均水位作为因子，水位分量表示为：

式中a1i为水库水位分量的回归系数（i=1~3）；hui为分别为监测日当日、监测日前第7 d、前第14 d的水库平均水位；hu0i为初始监测日上述各时段对应的水库水位平均值（i=1~3）。

②时效分量。水库因为受多种因素的复杂作用，一般认为正常运行的水库，时效分量变化规律初期为变化急剧，后期的变化渐趋稳定。时效因子一般选为θ和lnθ（θ为观测日减去基准日的天数），所以应力的时效分量表示为：

2）监控模型的创建。经过计算、分析各影响量之间基本无相关性，因此采用逐步回归的分析方法计算统计模型的参数，建模时间段为2014—2018年，渗压计开始测量的时间也是分析时段的起始时间。监控模型表示为：

3）模型分析。表3、表4为水库渗压计统计模型的复相关系数R、剩余标准差S、分量分解百分比和回归模型方程式。详细如表3、表4所示。

4.3 监控指标估算

考虑渗压越大，对坝体强度和稳定越不利，所以从实际预警应用角度出发，基于模型方程和剩余标准差，估算出监控指标，详见表5。

表3 大屯水库围坝1+800断面测压管监测回归模型

表4 大屯水库埋入式4+900断面渗压监测回归模型

表5 利用置信区间法估算的监控指标 m

5 结论与建议

根据大屯水库已经经历的荷载情况和关键部位安全监测资料分析的成果，依据不同监测项目时空性态的规律和特点，构建安全监测监控指标。随着运行期间安全监测数据的积累，分析各建筑物安全运行性态，开展关键部位安全监测监控技术指标研究工作，具有重要意义。

监控指标在不断的变化，应该加强观测资料的日常整理与定期整编分析工作，做好数据统计管理，监控指标只有和工程安全监测系统相结合，实时与监测数据作对比分析，并通过不断经历实际工况的检验和校正，监控指标的可靠性和实用性才会越来越完善，才能更有效的对工程安全运行的情况做出正确的判断。