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1、（1.浙江省水利水电河口海岸研究设计院，浙江 杭州 310020）1土石坝渗流的支配方程忽略地下水流动方程中的惯性项，土石坝渗流的支配方程1,2为渗流场为均质各向同性时，式（1）变为护曲护曲.d2h(1)(2)C亠沪护沪 閔或乔+帝+百一方向上的渗透系数，h为水头，二-kh为渗流速在土石坝坝体和坝基适当部位，有计划地设置一些测压管或渗压计，以及在其下游 适当部位设置观测渗流量的量水堰，并进行观测，可及时了解水库在运行过程中坝 体的浸润线位置和渗流区各点渗透压力的大小，以及通过坝体和坝基渗流量的变化 情况，这对大坝的渗流和稳定分析都具有很大的实际意义。对土石坝各部位的测压 管水位和渗流量，选用合
2、理的分析模型进行及时的分析是监测土石坝运行安全的重 要内容。本文从渗流的支配方程入手，建立了土石坝中有压、无压渗流及其渗流量 观测资料的分析模型。经过实际应用表明，它可较好地解决实际工程问题。式中：k、k、k分别为x、y、zx yz度势。BUH B.M. 当坐标轴位对稳定渗流而言，它的解实际上可归结为在满足某特定边界条件下，求解上述方程 式。对无压渗流问题，由于浸润面事先为未知边界，故在求解过程中，先假定浸润 面边界，然后需通过反复试算，才可以对问题进行求解。根据Apa 和H yMepoB C.H的推导结果，对具有自由面的缓变渗流，日2胪+护胪2旳于不透水层面时，其不稳定渗流的方程形式为：日*
3、 即必H为水深函稳定渗流时，则渗流方程的形式为：朋 和。以上式中: 数；n为有效孔隙率；t为时间。在这种情况下，浸润线位置即是方程中的一个变e量，故它无需作为边界条件来考虑。由于这时地下水流水深函数H的平方项亦满足 拉普拉斯方程，故只需以出为基本变量，就可求解有压渗流一样的方法解决无压 渗流问题。因此人们常将上述方程应用于无压渗流问题中。2坝基有压渗流观测资料分析 根据上述渗流支配方程的基本特性，当渗流场固定时，各点的位势应不随时间而变。位势可用下式表示:、旦旦工。式中：h为测压管水位，H、H分别为上下游i12水位。对坝体基本不透水的坝基有压渗流而言，由于渗流场是不变的，故渗流场中 某固定点的
4、位势与上下游水位变化无关，基本上为一常数。若渗流场中某点的位 势随时间增大，则意味着上游铺盖遭受局部破坏或在坝基内部产生渗透变形；相反 若位势减小，则意味着水库淤积或坝基内部淤填等等。因此对坝基有压渗流问题， 通常可采用位势法来分析其坝基渗流情况。对于渗流场中有中间位势的有压渗流，则场中各点位势不仅是空间位置的函数，还 与中间位势有关，中间位势固定，渗流场中各定点的位势亦固定。所以，在对坝基 中设有减压井情况下的渗流分析中，应结合减压井的位势进行分析，其合理分析模 型为：二a+b。式中：为坝基测压管位势；为坝基排水减压井位势；a、i j i jb 为回归系数。青山水库是浙江省的一座大（2）型水
5、利工程，坝基属双层地基，并采取了铺盖、减 压井和反滤盖重等渗流控制措施。其坝基的渗流是属于有中间位势的有压渗流。作 者采用了测压管位势与减压井位势的相关分析，然后对各个特定减压井位势下各测 压管位势进行分析，进一步搞清了坝基所存在的渗透变形问题。现以典型的0+400 观测断面（观测设施的断面布置见图 1）为例3进行分析。该断面历年测压管位势 与减压井位势的相关系数见表 1。减压井特定位势下的测压管历年位势过程线见图 2。表 1 历年测压管位势与减压井位势的相关系数管号19891990199119921993199419951996199719981999B40.8360.9080.8880.9
6、500.8490.4410.0320.5610.3660.5190.037d40.9830.9700.9750.9740.9350.9070.9780.9550.9650.9430.948E40.9340.9620.9870.8960.9660.9820.9800.9800.9810.9560.898F40.9900.9890.9960.9890.9650.9770.9770.9910.9910.9720.993昭1图1青山水库0+400断面测压管分布示意（单位：m）由表1和图2所示，在不同的井位势下，B4管在1993年以前其位势与井位势的相 关性较好，管位势变化规律基本正常。但1993年以后
7、，管位势与井位势关系曲线 的相关系数由原来的0.8360.950（19891993年）降至0.0320.561,不同井位 势下的测压管位势变化曲线出现明显异常，说明目前该管位势基本上已不受减压井 位势所控制，坝基渗流场出现明显变化。从历年库水位变化过程线来看，B4管位 势变化出现上述异常现象的原因是由于大坝经过1993年、 1995年、 1996年、 1999年库水位屡创历史新高的影响，导致坝基土体产生一些局部冲刷和淤积现象所形成 的。D4、E4管的位势变化则出现历年下降的趋势，很显然这两管位势下降的原因 是由于测压管与减压井之间的坝基土体遭受局部冲刷所致。由此可见，坝基内部已 出现较为明显的
8、渗透变形。由坝基渗透坡降的计算表明 在不同水位条件下，B4、 D4管之间的渗流比降为0.1630.277,它们不仅远大于允许比降值0.12，并且还 超过了该地基土的破坏比降0.24。这与上述分析结果相吻合。撚旱牺田启卅0匚i节麻二2二W %孑15 %420 %亍二1-于 “ 2汕盼3- 15%-加为:壬I 一1-5 滋二 2- R % 3-15 %兀2盹子I -1-予 % 亠2-口$-115 略土 创鱼支图2各特定减压井位势下的测压管位势历年变化曲线3 坝体无压渗流观测资料分析对于坝体无压渗流而言，测压管水位与其所处的位置、上下游水位变化幅度、降雨 量强度和筑坝材料的渗透性等因素有关。由于库水
9、位变化传递到测压管位置存在一 定的滞后时间，所以测压管水位变化还与前期库水位有关。此外，象土体固结，坝 前淤积，下游冲刷等因素对渗流状态亦会产生影响。归纳起来，影响测压管水位的 因素主要包括库水位、降雨量和时效3 个方面，根据具有自由面的无压渗流支配方 程的基本特性，库水位与测压管水位并不成线性关系，但它们的平方项则基本满足 线性关系。故库水位与测压管水位（以相对不透水层面为基面）之间合理的回归方程 型式可表示为：/二久tX , % +珀鶴右 +人風ln 1 +刖式中：h为测压管水位；H为当日库水位；H为前期库水位的均值；R为当日降雨oi-j0量；R为前期平均降雨量；。为时效。i-j针对青山水
10、库0+400断面的4支坝体测压管，参照上述模型，其回归方程为(4)直=% +直丹：+占丹；_孑 H-54-5 +。4丹1規 + aW-2S +%用9-聘+衍居IE +如加3 +10円74881189-10312104-123 + 13旧 124143 + 总 1电应0 +门15农 1-3 + 叭庁氏+ 盘丁+ 位g 石 + a 19 也 + ”釦& + *21 血(1 + H)式中：H。为观测日当天的库水位；片勺为观测日前第i天到第j天的平均库水位；Ro 为观测日当天的降雨量；R为观测日前第i天到第j天的平均降雨量；。为观测i-j日至正常观测起始日天数的百分之一；a (k=021)为待定系数；
11、k根据选定的统计模型，取各测压管所有的观测数据进行逐步回归，并求出其最佳的回归方程，简要回归成果见表2，测压管水位实测值和回归值的过程线见图3。从表 2 各坝体测压管回归分析简要成果测压管号XXi I .复相关系数标准差F 检验值F0.0临界 值样本数A43530.9500.3581872.13C4850.8810.361453.24G412840.8940.2391222.25G423490.9450.1663442.854 渗流量观测资料的分析 渗流量观测不仅能了解水库的渗漏损失，更重要的是它能有效地监视土石坝的安全 情况，如果渗流量随时间发生了较大的变化，则意味着渗流场内可能己产生局部的
12、 渗透破坏现象，就应及时找出其原因并采取必要的补救措施。大坝总渗流量通常由 3部分组成：(1)通过坝体的渗流量；(2)通过坝基的渗流量；(3)通过两岸绕渗或 两岸地下水补给的渗流量。为了监测各部分的渗透稳定性，应尽量做到分区观测。渗流量的大小除直接受上下游水位变化的影响，还与大坝断面轮廓、坝体和坝基土 渗透系数大小以及其防渗排水设施等因素有关。此外，由于土体固结、坝前淤积， 坝体或坝基产生渗透变形而导致渗流出口土体被冲刷。由于温度变化而会改变水的 粘滞性和影响基岩裂隙的张开度等，以上这些因素均会对渗流量产生影响。综上所 述，影响渗流量的因素主要包括；上下游水位、降雨量、时效及温度等。但在土石
13、坝中，温度通常影响较小，可不加以考虑。由前述渗流支配方程可见，对于有压与 无压渗流共存情况，其渗流量应为大坝作用水头H和出的函数。由库水位和渗流 量过程线可见，渗流量随库水位的变化同样亦存在滞后时间，故它亦与前期库水位 有关。其合理的回归方程型式为：Q =兀九，比,兄H二)+珀(血.殆J +齐In 1 +刖(5)式中：Q为渗流量；H为当日库水位；H为前期库水位的均值；R为当日降雨量；0 i-j 0R为前期平均降雨量；0为时效。对河口水库是浙江省的大(2)型水库，主坝和副 i-j坝坝区均设置了量水堰。主坝 1 号堰测量主坝坝体渗流量，2 号堰测量绕坝渗流量。(6 )副坝1号堰测量副坝坝体渗流量，
14、2号堰测量绕坝渗流量。针对对河口水库的具体情况，可参照上述回归方程，其具体形式4取为表 3 各渗流量回归分析简要成果量水堰号.、人 r .复相关系数标准差F 检验值F0.嘔界 值样本数主坝134890.8750.2607072.00主坝 230500.8200.2254800.14副坝 136070.8560.3756562.04副坝 231610.8580.1005492.00式中：Q为渗流量；H为观测日当天库水位；H为观测日前第i天到第j天的平均0i-j库水位；R为观测日当天的降雨量；R为观测日前第i天到第j天的平均降雨量;0i-j。为观测日至正常观测起始日天数的百分之一；a (k=018
15、)为待定系数。k根据选定的统计模型，选入和剔除因子的 F 检验值取2.50，通过逐步回归的方法 求出最佳回归方程，回归简要成果见表3。从表中可以看出，4 个量水堰所测得渗 流量的复相关系数都在0.82以上，剩余标准差为0.10.375，说明回归方程具有 一定的精度。根据回归方程选入因子，对各分量进行偏相关分析，求得渗流量与各分量的偏相关 系数，结果见表 4。从表4 可见，影响渗流量的主要因素是降雨量，其次是库水位 与时效分量、说明量水堰测出的渗流量受降雨影响较大。故在坝址设置量水堰时应 尽量减少或消除地面径流和降雨对渗流量的影响，通常可在坝面及两岸设置排水沟 将非渗流水另行排除，此外设置量水堰的位置亦应考虑到尽量不受建
