混凝土重力坝渗压系数负值分析.pdf

第38卷第7期 2016年7月 人民黄河 YELLOW RIVER V1.38,No.7 Jul. ,2016 【 工 程 勘 测 设 计 】 混凝土重力坝渗压系数负值分析 张晓龙1,张慧莉1,吕贵明2,张晓东3,杜昕鹏4 (1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院， 陕西杨凌712100; 2.中国石油西气东输管道公司， 上海200122; 3.中石化南京工程有限公司， 江 苏 南 京 210046; 4.黄河勘测规划设计有限公司， 河南郑州450003) 摘 要 ： 坝基渗压系数是评价混凝土重力坝渗流安全的一项重要指标。针对某些混凝土重力坝帷幕后扬压力测点渗压 系数出现负值这一异常情况， 对其进行定性、 定量及物理成因分析， 并在传统渗压系数统计模型中考虑了渗流量这一影 响因素， 通过偏最小二乘法进行回归分析， 分析结果表明： 其负值成因主要是混凝土坝初期防渗帷幕防渗性能较好、 坝基 岩石渗透性较弱， 以及大坝运行期较短， 坝基渗流还没有达到一个稳态平衡状态所致。 关键词： 渗压系数负值； 偏最小二乘法； 渗透性； 稳定平衡状态 中图分类号：TV223.4 文献标志码： A cloi:10.3969/j.iwn.1000-1379.2016.07.025 近年来， 在国家能源局大坝安全监察中心组织实 施的大坝安全监察中， 发现在对许多已建混凝土重力 坝进行竣工安全鉴定与定期安全检查时， 根据历史渗 流监测资料和 混凝土坝安全监测资料整编规程 (D L/T 52092005)计算得到的坝基渗压系数均为负 值。对于设置有防渗帷幕和排水孔幕的实体重力坝渗 压系数,主排水幕处河床坝段渗压系数采用0.25,岸坡 坝段采用0.35|,从规范中可见坝基面上的渗压系数 均为一个非负数。 混凝土重力坝渗压系数与扬压系数计算示意见图 1,扬压水头与上游水深好1的比值为坝基扬压系数 h- a。 ， 即a。 = u ;扬压水头高于下游水位的水柱高度为 H1 渗压水头h:,即h: = h- - 馬;渗压水头与上下游水位 h 差的比值为坝基渗压系数a,即a, = 2 3。 1 - 2 图1混凝土重力坝渗压系数与扬压系数（ 单位:m) 由坝基扬压折减系数和坝基渗压折减系数定义可 知,坝基扬压折减系数或坝基渗压折减系数不可能为 负值。由能量原理可知， 当上游水位高于下游水位时 水总是由能量高处流向低处， 只要上、 下游水位不相 等 ， 其上、 下游水位间任意一点的水位均是高于下游水 位的， 在大坝正常工作且没有外力对这个系统做功的 前提下， 大坝坝基扬压折减系数、 坝基渗透压力折减系 数不可能为负值(下游无水情况相同） 。因此,针对目 前许多已建并正常运行的混凝土坝坝基渗压系数为负 的情形， 有必要对其成因进行分析。 1成因分析1成因分析 1 . 1 理论成因分析1 . 1 理论成因分析 目前,混凝土坝基渗透压力计算还没有一种完全 可靠的模型， 鉴于坝基岩石本身的复杂性以及基岩与 混凝土间接触等存在收缩裂缝,渗透水流的流态复杂 多变,实际工程中采用测压管来进行观测， 根据实际的 观测值绘制扬压力分布图， 并与设计采用的扬压力分 布图进行对比， 判断坝基渗流的安全情况。工程中主 要通过测压管的管水位计算渗压系数a,， 对于扬压力而 言， 下游水位产生的浮托力无法折减（ 扬压力= 渗透压 力+浮托力） ， 虽然两者定义有区别， 但工程中通常渗压 h： , h, 系数即为扬压折减系数， 由图1 可以证明： ，1 = 11， h- 1 - h: h, 7 4a,a0,纟为上游水头好1减去帷幕后第一个测 h 仏 收稿日期:2015 08 26 基金项目： “ 十二五” 国家科技支撑计划项目（ 2012BAD08B01)。 作者简介： 张晓龙（ 1988)， 男， 河北张家口人， 硕士研究 生， 研究方向为大坝安全监测。 通信作者： 张慧莉（ 1969)， 女， 河南淅川人， 教授， 硕士生 导师， 主要研究方向为水工安全监测技术。 E-mail： hydrzx1 100 人 民 黄 河 2016年 第 7 期 压管水头所在渗透压力三角形斜边延长线与上游水头 交点的水头高度，a 为坝基扬压系数。 当下游水位高于基岩高程时， 坝基渗压系数4计 算公式为 H.- H2 Hi -H2 当下游水位低于基岩高程时， 坝基渗压系数计算 公式为 h,-h3 Hi H3 式中：a为第测点渗压系数；H为第z测压管水头, m; H2为下游水位,m; H3为建基面 高程,m。 式(1)、 式(2)对于混凝土重力坝均适用。由式（ 1)、 式(2)可知:正常情况下坝基渗透压力折减系数不为负, 而是在0,1范围内， 当a, = 0 时意味着测压管水位等于 下游水位或者基岩高程(基岩高程高于下游水位时） ； 当 a, = 1时意味着测压管水位等于上游水位;当a, 0 时意 味着测压管水位低于下游水位或者基岩高程。 1 . 2 物理成因分析1 . 2 物理成因分析 首先， 对于混凝土重力坝， 为减小坝底扬压力， 通 常在坝上游设置防渗帷幕， 并在其后设置排水设施， 位 于排水设施后的扬压力测点渗压系数受排水设施的影 响很大5_6， 排水设施可以很好地将坝基的渗透水流 排出， 使沿坝基岩石的裂隙、 纹理、 破碎带、 收缩缝等流 动的渗透水顺着排水管直接流入排水沟内。由于排水 管使得出露的渗透水流无法蓄积形成外力， 同时渗透 水流在水平方向上的流动速度大于垂直方向上的流动 速度7， 因此在设置排水管的坝基内， 渗透出的水没 有达到测压管内应有的水位时已经被排出， 坝基的渗 透压力降低,测压管内水位低于下游水位， 致使渗压系 数为负， 这在工程实践中已被验证， 同时坝基渗压系数 也能间接反映坝基的垂直位移状况。 其次， 混凝土坝与坝基岩石都具有渗透性,在上下 游水位差的作用下水会通过坝基岩石的节理裂隙、 基 岩与混凝土的接触面或者破碎带渗透,当渗透水流从 基岩内部流出并流至裂隙或混凝土与基岩交界面的缝 隙处时产生静水压力作用于坝基底面8。如果此处 恰好埋设有测压管， 则出露的渗透水流因具有静水压 力而在测压管内形成一定高度的水柱;没有出露的则 在岩石内部产生孔隙水压力， 渗透水流在孔隙中不连 续,或单一的不连续出露， 很难形成静水压力。由于没 有连续渗透水流带来的外力， 对于减小大坝的有效重 力影响不大， 因此遇到有测压管埋设的位置也难以在 测压管内形成较高的水柱。可见， 大坝防渗帷幕的渗 透性与基岩的渗透性对于埋设的测压管中的水位有直 接影响， 这是导致渗压系数为负的重要原因。 最后， 由于新建的混凝土重力坝运行时间较短， 大 坝的各个地方受力、 变形以及渗流等都未达到动态平 衡 ， 因此随着时间的延长会趋于一个时期内的稳态平 衡 ， 而后各种性能再随着时间延长而减弱。大坝运行 初期渗流还没有达到稳态平衡期， 测压管的水位会出 现低于下游水位的情况， 致使渗压系数出现负值， 且随 着时间延长逐渐变大。 2实例分析2实例分析 某水电站坝顶设计高程为321.50 m， 坝轴线长 639.39 m。水库正常蓄水位310.00 m， 总 库 容 14 530 万m3， 具有日调节性能。厂内安装3 台单机容量34 M W的灯泡贯流式机组， 总装机容量102 MW， 保证出 力 29 M W， 年发电量4.41亿kW h。最大水头16.8 m， 引用流量1 148 m3/s。 该水电站坝基部分测点渗压系数统计见表1， 由 表 1 可知该坝坝基渗压系数大部分为负值,UP09部分 值甚至小于-1。 表1渗压系数统计 日 期 UP04UP05UP06UP09UP10UP1 1UP12 2014-01-06-0.36-0.40-0.55-0.93-0.85-0.84-0.39 2014-01-15-0.35-0.38-0.54-0.90-0.82-0.82-0.37 2014-01-26-0.35-0.37-0.54-0.91-0.83-0.82-0.38 2014-02-05-0.35-0.36-0.53-0.89-0.80-0.80-0.37 2014-02-16-0.38-0.43-0.59-0.98-0.90-0.88-0.41 2014-02-25-0.38-0.41-0.58-0.97-0.89-0.87-0.40 2014-03-06-0.36-0.40-0.56-0.94-0.86-0.84-0.38 2014-03-15-0.36-0.40-0.56-0.94-0.86-0.84-0.38 2014-03-26-0.38-0.42-0.59-0.98-0.90-0.88-0.41 2014-04-05-0.36-0.39-0.57-0.95-0.86-0.85-0.39 2014-04-16-0.37-0.41-0.58-0.96-0.85-0.86-0.39 2014-04-25-0.42-0.46-0.63-1.01-0.91-0.91-0.44 2014-05-06-0.49-0.53-0.70-1.11-1.00-1.01-0.51 2014-05-15-0.45-0.49-0.66-1.05-0.95-0.95-0.47 101 人 民 黄 河 2016年 第 7 期 UP 10测点渗压系数与廊道测点的垂直位移见图 2,由图2 可知渗压系数与坝基廊道的垂直位移变化相 上游水位；a h l、a2(1、a3、C i、c2、 、 6a为回归系数; 凡,为对应日期的下游水位； 0 为时效分量； / 为有效 关性很强， 渗压系数减小则廊道向下位移， 渗压系数增 大则廊道向上位移， 因此通过渗压系数的变化可以间 接了解坝基的位移情况。 为更加精确地分析坝基渗压系数负值成因， 以测 点UP 10为代表对其进行偏最小二乘统计回归分析, 统计模型采用9: Yi = ao + a i+ a2d+ Ci0 + C2in + dtp + 2nu a3Q + L (.isin i= i 365 + 6-2 CO S 2nit、 365 ) 式中：Y i为帷幕后的渗压系数；a 为常数； 好 _ 为有效 降雨量；q 为渗流量；L (6iism 2 = +k c o s2 ， ） i =i 365 365 ( i = i,2； % = 2)为正弦波周期函数,在模型中作为 温度分量。 UP10实测数据一共85 组 ， 用 前 7 0 组数据对渗 压系数进行偏最小二乘回归拟合， 用 后i5 组数据对 其进行预测检验， 模型回归参数统计见表2 、 表 3。 可知， 采用偏最小二乘法得到的坝基渗压系数回归 模型精度较高， 能较精确地反映坝基渗压系数的真 实情形。各分量对坝基渗压系数的影响所占的比 例:上游库水位为20.86% ,下游水位为68.89% ,时效 分量为8.63%,渗流量为1.49%,降雨量为0.02%,温 度分量为0. i i % 。可见坝基渗压系数的主要影响因 素为下游水位， 其次为上游水位、 时效分量。运用回 归模型对渗压系数进行预测， 结果见表4,可见该回 归模型能较精确地预测渗压系数的变化， 预测值的 相对误差最大不超过5.0%,符合工程的精度要求， 可以作为渗压系数的预测模型。 表2模型回归参数统计结果 参 数a0aiia2,lCiC 2d i 数 值18.691 1500.059 723-0.104 6400.003 2940.058 40.000 120.013 24 参 数6ii621612622复 相 关 系 数标 准 差F检 验 值 数 值-0.004 750-0.004 2400.001 2050.004 0180.996 5340.016 362817.904 9 表3在 总变幅中各个分量的变幅值 实 测 变 幅拟 合 变 幅库 水 位 分 量下 游 水 位 分 量时 效 分 量降 雨 分 量渗 流 分 量温 度 分 量 0.565 9140.572 6380.119 4470.394 4880.049 4170.000 1660.008 5200.000 600 表 4渗压系数预测检验结果 日 期实 测 值预 测 值差 值相 对 误 差 /% 2013-01-10-0.90-0.890.011.1 2013-02-21-0.75-0.710.045.3 2013-03-25-1.09-1.090.000 2013-04-22-0.78-0.760.022.6 2013-05-06-0.78-0.760.022.6 2013-06-09-0.96-0.940.022.1 2013-06-24-1.08-1.060.021.9 2013-07-19-0.82-0.810.011.2 2013-08-19-1.13-1.100.032.7 2013-09-09-0.82-0.800.022.4 2013-10-24-0.84-0.800.044.8 2013-11-07-0.84-0.800.044.8 2013-11-21-0.82-0.83-0.011.2 2013-12-13-0.87-0.850.022.3 2013-12-28-0.84-0.800.044.8 模型回归拟合图见图3,从 图 3 可以看出， 渗压系 数随着时间的延长在逐渐变大,表明渗压系数受时效 的影响明显， 也表明渗压系数初始比较小是建坝时间 相对较短导致的。由图4 可以看出， 下游水位高时渗 压系数变小,下游水位低时渗压系数变大， 因此下游水 位的变化是导致渗压系数变化的原因之一。该水库为 日调节水库， 上游库水位与下游水位只是在一定范围 内波动， 不会随着时间的延长而变大或者减小,尽管下 游水位对渗压系数变化的影响比较大,但下游水位的 变化范围较稳定,而渗压系数一方面随着下游水位的 变化而变化， 另一方面随着时间的延长而逐渐变大， 表 明渗压系数负值的根本原因不是上、 下游水位变化， 而 是由时效因素造成的。在混凝土重力坝中时效因素主 要是指坝基岩石的固有性质,防渗帷幕的防渗性能， 以 及建坝初期渗流随时间逐渐达到一个稳态平衡的 过程。 102 人 民 黄 河 2016年 第 7 期 3结 论3结 论 针对混凝土重力坝防渗帷幕后扬压力测点渗压系 数出现负值这一异常问题,从其计算公式、 渗压形成机 理以及偏最小二乘回归模型等方面对其进行了深入分 析 ， 得出下游水位的变化对渗压系数的影响最大， 其次 为上游水位。上 、 下游水位的变化是导致渗压系数波 动的直接原因,而上游防渗帷幕渗透性较弱， 坝基岩石 的渗透性较小， 以及大坝运行期比较短,系统的渗流还 没有达到稳定的动态平衡是导致渗压系数为负值的根 本原因。 参考文献：参考文献： 1 中华人民共和国水利部.混凝土重力坝设计规范： SL 3192005 S. 北京： 中国水利水电出版社,2005:52-54. 2 赵志仁. 大坝安全监测的原理与应用M. 天津:天津科学 技术出版社， 1992:65-67. 3 林继镛.水工建筑物M.5 版.北京： 中国水利水电出版 社， 2009:34-35. 4 吴中如. 水工建筑物安全监控理论及其应用M.北京:髙 等教育出版社， 2003:133-138. 5 陈贤， 张立勇， 王利容， 等.双河水电站拦河闸坝三维渗流 有限元分析J.人民黄河， 2014,36(1):104-106. 6 髙澜.刘家峡坝基实测扬压力的特点及原因分析J.人 民黄河， 1988， 10(3):49-53. 7 廖俊刚， 余青梅.重力坝坝底渗透压力分布机理研究J . 人民黄河， 2008,30(9):71-73. 8 张光斗.混凝土重力坝的渗透压力J.水利学报， 1956 ： 59-70. 9 喻和平， 张聪， 袁明明， 等.小浪底大坝心墙渗透压力预测 模型研究J.人民黄河， 2015,37(1)： 130-132. Analysis on Negative Value of Seepage Pressure Coefficient on Concrete Gravity Dam ZHANG Xiaolong1 , ZHANG H u ili1 , LYU Guiming2, ZHANG Xiaodong3, DU Xinpeng4 (1.College of Water Conserancy and Construction Engineering, Northwest A stable equilibrium state 【 责任编辑张华岩】 103