察汗乌苏面板堆石坝运行期坝体渗压变化分析

邱先志

(国家能源集团新疆开都河流域水电开发有限公司，新疆 库尔勒 841000)

1 工程概况

察汗乌苏大坝位于新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州(以下简称巴州)和静县境内，为混凝土面板砂砾石坝，最大坝高110 m，坝顶宽8 m，长354 m；上游面板坡比1∶1.5，下游综合坡比1∶1.99。水库正常蓄水位1 649.00 m，汛限水位1 640.00 m，死水位1 620 m，最大库容1.25亿m3，于2007年10月31日下闸蓄水，经初蓄期和后期两次抬升水位，于2009年6月水位首次接近正常蓄水位。水库自下闸蓄水以来历经最大库水位1 649 m，最低库水位1 620.07 m。大坝运行期历次检查未见明显破坏情况。

2 渗压监测仪器概况

为监测察汗乌苏大坝坝体渗压，共设置4个监测断面(坝左0+96 m，0+154 m，0+202 m，0+247 m)，分别在面板下垫层料区、坝基与堆石体结合部位及趾板附近安装振弦式渗压计，用于监测坝体渗压，具体见图1,图2。

察汗乌苏大坝各渗压计于施工期随坝体填筑过程埋设，随后采用人工观测方式读数，初期观测频次为1次/d，后根据实际情况逐渐调整观测频次至1次/周，至2009年底接入自动化观测系统，观测频次变更为1次/d。

察汗乌苏大坝安全监测自动化系统采用南京南瑞DAMS-IV型工程安全监测系统，其具有系统结构可靠、组态灵活、运行效能高等特点[1]。实际运行中，通过该系统实现每日上午8时测量各渗压计渗压和温度测值。

3 运行期大坝渗压监测概况

本文仅讨论察汗乌苏大坝运行期渗压变化情况，故监测数据选取时段为2010年1月1日～2020年12月31日。绘制全部渗压计测值及同期库水位过程线图(见图3)，可见各测点过程线主要分离成坝基测点和面板下测点两个部分，其中坝基测点测值普遍较高，波动较大，过程线波动随库水位波动呈一定相关性；面板下测点测值普遍偏低，基本分布在-10 kPa～10 kPa之间，多数测点测值呈年周期变化。

4 坝体渗压变化规律分析及成因探究

经过简单的过程线分析，可以确认察汗乌苏大坝坝体渗压测值变化存在一定的规律性。但形成该种变化的原理尚需具体讨论，为便于分析，在坝体中部选择一典型断面(0+202 m断面)，对其不同部位渗压计测值规律进行具体分析。

4.1 渗压测值变化规律分析方法

4.1.1 测值特征

绘制典型断面渗压测值过程线图(见图4，图中P25，P26，P27测值波动较小，存在重叠)。

观察各测点过程线可见，P21,P24与库水位存在明显相关性，P25，P26，P27，P28测值存在较明显的年周期变化规律，P23测值在2013年以前受库水位影响较为明显，自2013年起测值呈现出较明显的年周期变化规律，各测点测值均有不同程度随时间推移减小的趋势。

4.1.2 确定影响因子及分析方法

通常，对于处于渗流场内的测点，其渗压测值主要受上下游水位影响，同时随着时间推移，坝体内微小的渗流通道可能受泥沙淤堵或坝体沉降自行闭合，造成渗压降低。此外振弦式渗压计测值除受测量部位孔隙水压力影响外，还与仪器安装部位大气压力有关[2](对于封闭系统，气压与温度呈近似正比关系)，同时，钢弦可能因夹具松动或外部环境影响，出现徐变情况，以上情况均会导致渗压测值偏离真值。

考虑察汗乌苏坝后水位波动极小，通常不超过0.5 m，而库水位变幅达25 m以上，可以简单的使用库水位替代上下游水位。根据参考文献认为：振弦式渗压计测值与测点气压相关，对于封闭系统，气压与气温呈正比，而对于开放系统，则主要受大气压力影响，由于缺乏坝址区域周边气压气象数据，而在不考虑异常天气过程的情况下可以简单的认为大气压力与气温呈反比，故本次分析尝试使用温度变量作为气压变化的特征量。

综上，在本次分析中选取受库水位(H)、温度(T)、时间(t)作为自变量，渗压计测值(P)作为因变量按以下方程尝试对渗压计测值进行线性回归，并检验残差的分布特性。

P=α1H+α2T+α3t+C。

其中，α1，α2，α3分别为对应自变量对因变量P的影响系数；C为常数。

4.2 渗压测值变化规律分析过程及成果

4.2.1 分析过程

以对P21渗压计测值变化规律分析为例，详述分析过程。

1)相关性检验。

在回归分析前必须先进行变量间相关性检验。

以H，T，t为横坐标，P为纵坐标绘制散点图(见图5，为便于观察，已将横坐标替换为测值所处百分位)。

对P，H，T，t进行两两相关检验，结果见表1。

表1 P21相关性检验结果统计表

2)线性回归分析。

结合散点图结果可认为P与t，H，T相关性显著，同时可见T，H间相关性系数较高，但绘制散点图确认T，H间无明显相关关系(见图6)，对数据进行对比分析认为出现该情况的原因主要系由于察汗乌苏水库调度存在一定年周期特性，通常汛期(5月～9月)维持在1 640 m左右运行，出汛后存在一定时段高水位运行，冬季库水位则较低。排除t，H，T间相关性后，可以直接对P进行线性回归分析，结果见表2。

表2 典型断面各测点回归参数统计表

绘制P21原始过程线与拟合过程线对比图，如图7所示。

结合回归分析结果和拟合图形对比，可见方程拟合原始数据良好。

3)残差分析。

对残差进行正态分布检验，并绘制柱状图(见图8)，可见残差总体服从正态分布，计算其标准差M=1.6。

4.2.2 渗压计测值变化规律分析成果

逐个分析P21，P23，P24，P25，P26，P27，P28。

取得相应α1，α2，α3，C，M值统计见表2，绘制各测点原始过程线与拟合过程线对比图形如图9所示。

1)现象归纳。

结合回归分析结果和拟合图形对比。可发现以下现象：

a.坝基与堆石体结合面处布设的渗压计测值普遍呈现与库水位、温度变化相关的规律。

b.面板下布设的渗压计测值普遍与库水位相关性差，测值变化基本不受库水位变化影响。

c.各测点测值均存在随时间推移测值降低的现象，且坝基测点较面板下测点测值下降趋势更明显。

d.P23测值在2013年前与库水位相关性较好，但在2013年之后(特别是2014年以后)基本不存在与库水位的相关性，转而与温度测值高度相关，以2013年10月作为节点前后分段回归分析取得数据与原始测值拟合较好，仅2013年期间数据偏差较大。

e.P21，P23，P24，P27测值与温度测值均为负相关，P25，P26，P28为正相关。

f.面板下测点中P25，P26，P27回归分析方程与原始数据拟合程度较差，但P28拟合较好。

g.坝基测点P21，P23，P24回归分析方程与原始数据均拟合较好。

h.坝基测点较面板下测点拟合残差偏高。

2)成因分析。

a.面板及面板接缝止水工作良好，整体防渗性完好，因此面板下渗压计测值基本不受库水位影响。

b.根据参考文献[3](振弦式渗压计的长期应用研究)，振弦式渗压计钢弦徐变的主要表现形式为渗压测值随时间推移缓慢或突发增长，本次分析中各处渗压计测值均与t呈负相关，不符合钢弦徐变的特征，可以确认为系由于坝体内部渗漏通道逐渐封闭、愈合，造成各处渗压计测值随时间推移降低。

c.P23所处部位2013年前存在较清晰的渗漏通道，测值一定程度上受库水位影响，2013年后该处受坝体沉降或泥沙淤堵影响，渗漏通道逐渐封闭，测点渗压测值遂表现出不再受库水位影响的趋势。

d.P21，P23，P24，P27测点在振弦式渗压计安装过程中密闭性较好，测值反映以上测点区域基本为封闭系统，气压与温度成正比关系，其余测点中振弦式渗压计则与大气存在一定程度联通，气压与温度成反比关系，且以P28为最(P28长期处于水面以上)。

e.P25，P26，P27回归分析方程与原始数据拟合程度较差，可能系由于存在尚未计入分析的因素影响(如仪器自身测量误差，仪器安装后可能形成的是半封闭系统等)。

f.面板下渗压计拟合残差较为稳定，标准差均在0.5左右，说明残差可能主要是由仪器测量误差形成，坝基测点拟合残差波动较大，且均较面板下渗压计拟合残差偏高，说明在仪器测量误差以外尚有未能纳入分析的影响因子存在。