Title: Analysis on the moNItoring data of piezometer level of right abutment at a dam//by ZHANG Xue-qin//Xinjiang Yili River Development and Construction Administration Bureau
Abstract: In order to master the seepage at right abutment of a dam, combined with monitoring data, project condition, water level, rainfall and aging, analysis on the piezometer level data was carried out and the performance of seepage was deduced. The result showed that the seepage was normal.
Key words: piezometer; seepage; graph; relationship
中图分类号：TV698.1 文献标识码：B 文章编号：1671-1092（2011）01-0042-06
0 引言
在土石坝各断面的坝体和坝基适当部位设置一些测压管和渗压计并进行监测，可以及时了解水库运行过程中的坝体浸润线位置和各区域的渗透压力。通过监测资料的分析，可较好地掌握大坝的渗流状态，对指导水库的合理运行具有很大的实际意义。
1 工程概况
某水利枢纽为大（1）型Ⅰ等工程，拦河坝坝型为粘土心墙砂砾石坝，坝顶高程1 003 m，最大坝高108 m，坝顶长度362 m，坝顶宽12.0 m，上游坝坡1∶2.5，下游综合坝坡1∶2.33，心墙防渗体顶高程1 001.0 m，顶宽6.0 m，心墙上、下游边坡1∶0.3。河床强风化层厚度2~5 m，弱风化层厚度20~30 m。
心墙位于弱风化层岩体的上部，基础岩性为泥晶灰岩夹凝灰岩。由于心墙嵌入两岸岩体中的长度较大，建基面坡度较缓，使土体与基岩接触较好，并延长了库水的渗径，有利于坝肩防渗。坝址呈“V”型横向河谷，两岸山体雄厚，岩层产状直立，岩性为石炭系凝灰质类岩石，岩体强度软硬相间，差异风化明显，坝肩地形欠完整性，系沟梁相间起伏差较大的梳状地形，适宜于修建当地材料坝。
2 监测仪器及布置
2.1 监测仪器
坝体测压管采用NYZ 型压阻式压力传感器测量渗水荷载压力值，电压测量范围为-5~5 V。所有测量仪器均接入自动化系统，实现以定时测量为主、实时测量为辅的测量方式。测量周期为1 次/d，采集数据每天自动入库，人工只要定时检查系统的运行情况是否良好及初步分析数据的合理性即可。
2.2 仪器布置
大坝渗流监测为重点监测项目，利用渗压计及测压管对坝基、坝体和绕坝渗流进行监测。整个坝体共埋设了45 支渗压计（S）和12个测压管（UP），主要分布在3个主监测横剖断面的帷幕前后、心墙以及下游坝壳料内。在两坝肩灌浆平硐内和沿岸坡左、右岸各布置4 根测压管，以监测坝肩帷幕效果及绕坝渗流情况。在右岸边坡布置4个测压管UP9~UP12，管底高程分别为911.570 m、912.959 m、913.907 m和914.496 m，管口高程分别为1 001.56 m、988.144 m、965.025 m和945.498 m，轴距分别为13.13 m、41.217 m、97.914 m和157.107 m，见图1。
图1 大坝测压管布置图
Fig. 1 Distribution of piezometers
3 监测数据的检验和处理
利用设置在大坝及基础的监测仪器获得了大量实测数据，包含了在各种荷载因素长期作用下大坝及基础的运行性态及其变化的有用信息，但是未加工的原始数据并不能直接用来评估大坝的安全状况，必须经过处理和分析，才能提炼出反映大坝和基础结构性态及安全状况的有用信息。
观测数据的误差通常分为三类，即粗差、偶然误差和系统误差。其中偶然误差的检验和处理比较简单，可用一般的数理统计方法予以解决。系统误差的检验比较复杂，但这类误差一般多产生在大坝内部观测仪器的测值中，可以利用仪器的特性来处理。而粗差在任何测量过程中都可能产生，在人工监测中，粗差很容易被发现和处理，但在自动化监测中就必须有一套有效的检验和处理方法。
3.1 数据的可靠性检验
对数据作可靠性检验先要考虑测点序列在时间意义上的一致性。由于测值序列都是在有规律的原因量的影响下产生的，因此其自身的变化也满足一定的规律。现以UP9、UP10测点为例，运用移动极差[1]进行数据检验。极差为前后两测值之差，即
Wi=Yi+1-Yi（1）
取n个顺序测值可得极差序列：
W1，W2，W3，…，Wn-1。
根据极差数列可求得其均值W及标准差σw，经过计算，UP9、UP10、UP11、UP12 的均值分别为0.002 2 m、0.001 1 m、0.002 6 m和0.000 6 m，标准差分别为1.203 m、0.075 m、0.112 m和0.258 m。特举例说明UP9、UP10其检验过程见图2和图3。
在正常情况下，极差Wi应在W±σw范围内变化，超出者说明测值异常，应进一步分析以便找出原因。
图2 大坝右岸测压管UP9监测数据的可靠性检查
Fig. 2 Check on reliability of monitoring data of piezometer UP9
图3 大坝右岸测压管UP10监测数据的可靠性检查
Fig. 3 Check on reliability of monitoring data of piezometer UP10
从图4可以看出，2007年4~8月及2008年5~8月测点UP9速率变化超过允许变化范围，经过查看相关点测值的变化和降雨量的变化发现，测点UP9与降雨量相关密切，由于每年4~8 月降雨比较频繁，直接造成UP9 变化速率过大。测点UP10、UP11、UP12总体在允许变化范围内，只有少数测值异常。UP10、UP11整体变化比较平稳，UP12变化较为明显。在2006年5~8月、2007年5~8月UP12变化频率比较高，个别速率变化超过允许变化范围，并在2010年2~5月有较明显波动，其速率变化超过允许变化范围较多，多发生在3月，个别粗差已删除。
3.2 数据的处理
通过数据的可靠性检查，可以发现各测点之间的相互关系并找出异常测值。消除误差造成的异常数据，反映水库运行情况的异常测值则予以保留，并对该点进行标注，详细记录其异常变化的原因。利用此方法，能够剔除大部分粗差，但部分系统误差仍然存在，可利用最小二乘回归方法[1]检验仪器的系统误差，为以后的分析处理工作做必要的准备。
4 监测数据的分析解释
对监测资料的分析和解释要通过两个步骤进行，首先是根据实测资料，靠监测技术人员的能力和经验来观察某测点效应量的变化趋势，其次要建立监测数据的解释模型，根据实测效应量值和模型预测效应量值两者应基本符合的原理来建立数学模型并解释资料，以判断建筑物的运行状态是否正常。
4.1 数据的趋势性分析
对监测值序列以365 d为区间、步长为10 d进行滑动滤波，以滤去序列中年周期以内的短周期变化和随机波动，得到反映其序列长期性变化趋势的过程线。通过对各测点测值趋势性和周期性的分析与比较，可找到测点之间的相关程度和滞后相位。UP10与库水位相关密切，水位变化趋于同步；UP9、UP11的水位变化主要受降雨量的影响，但有7 d 左右的滞后期；UP12 与库水位无明显的相关性，应主要受右岸边坡地下水位及降雨等的影响。库水位与测压管水位测值过程线见图5~8。
4.2 统计分析
对坝体渗流而言，各测点水位与其所处的位置、上下游水位变化、降雨量、筑坝材料的渗透性等因素有关，由于库水位变化传递到心墙和其它区域的测点存在一定的滞后时间，所以相应测点还与前期库水位有关。气温也一样，与前期气温有关。归纳起来，影响坝体渗流变化的因素主要包括库水位、降雨量、气温和时效。根据具有自由表面的无压渗流支配的基本特性，大坝右岸绕坝渗流总体的统计模型[2]可表示为：
式中：H为渗压水位；H0为当日库水位；Hi-j为前期库水位均值；R0为当日降雨量；Ri-j为前期降水量均值；T0为当日气温；Ti-j为前期气温平均值；t 为时效。
根据选定的统计模型，取测点数据进行逐步回归，部分测点简要回归成果见表1。
大坝右岸绕坝渗流测压管UP9统计模型为：
H=313.36 + 0.71H1-3-5.256H04 + 0.014T0 + 0.027T1-3 +1.891R1-3+31.045ln（1+t）（3）
式中，H 为渗压水位；H0为当日库水位；H1-3为前3日库水位平均值；T0为当日气温；T1-3为前3日气温平均值；R1-3为前3日降水量平均值；t 为观测日期距时效算日间隔天数；时效首日期为2005年11月30日。
右岸边坡地下水位主要受到上游水位、边坡地下水位、气温变化及降雨等的影响，但不同部位主导因素不同。
右岸测压管均靠近右坝肩山体，受积雪融水、降雨和绿化灌溉的影响较大。坝面绿化带经过灌溉后，右岸渗压水位均有不同程度的小幅上升趋势，其中UP9上升幅度最大。利用人工浇灌试验[3]，对4支测压管区域分别浇灌同等份量的水，发现测压管与浇灌后的变化趋势相一致。
图4 库水位与大坝右岸测压管水位测值过程线
Fig. 4 Graph of reservoir level and monitored piezometer level
图5 降雨量、库水位与大坝右岸测压管UP9水位测值过程线
Fig. 5 Graph of rainfall, reservoir level and monitoring data of piezometer UP9
图6 库水位与大坝右岸测压管UP10水位测值过程线
Fig. 6 Graph of reservoir level and monitoring data of piezometer UP10
图7 库水位与大坝右岸测压管UP11水位测值过程线
Fig. 7 Graph of reservoir level and monitoring data of piezometer UP11
图8 库水位与大坝右岸测压管UP12水位测值过程线
Fig. 8 Graph of reservoir level and monitoring data of piezometer UP12
图9 大坝右岸测压管水位模拟过程线及实测过程线比较图
Fig. 9 Comparison of simulated piezometer level and monitored piezometer level
表1 大坝右岸测压管回归分析简要成果
Table 1: Results of regression analysis on piezometer level
注：分析时段为2005年11月30日~2010年5月7日
表2 大坝右岸测压管水位测值特征值统计表
Table 2: Statistics of eigenvalues of monitored piezometer level data
注：分析时段为2005年11月30日~2010年5月7日
4支测压管的施工工艺均相同，但受地理位置及回填料的影响，影响测压管渗压水位的主导因素不同。经日常数据显示及试验成果分析，测压管UP9埋设地质情况较复杂，周围岩体存在较大裂隙，致使UP9渗压水位受裂隙水影响较大，而其余三支测压管地质条件较好，受裂隙水影响较小。右岸测压管自投入运行以来运行良好，无淤堵现象。
大坝右岸边坡测压管在2005年11月30日始有测值，UP9在941.26~956.95 m之间波动，变幅为15.69 m，与库水位存在一定的相关性，主要受右岸边坡地下水位及降雨等的影响；UP10 在929.72~936.48 m之间波动，变幅为6.76 m，与库水位存在一定的相关性，主要受到通过大坝的渗流以及右岸边坡地下水位等的影响；UP11在917.50~926.49 m之间波动，变幅为8.99 m，与库水位存在一定的相关性，受到通过大坝的渗流、右岸边坡地下水位以及降雨等的影响；UP12在915.66~922.18 m之间波动，变幅为6.52 m，与库水位无明显的相关性，主要受左岸边坡地下水位及降雨等的影响。
大坝坝体及右岸渗透总体是稳定的。
5 结语
通过对坝体监测资料进行分析，可以掌握坝体右岸渗流状态变化的规律[4]：右岸边坡地下水位主要受到上游水位、边坡地下水位及降雨等的影响，但不同部位主导因素不同。此外，坝体轮廓、土体固结等都能对坝体渗流产生影响。根据所掌握的规律建立数学模型，可以较好地反映大坝的渗流状态，分析结果表明，坝体渗流状态逐渐趋于稳定，渗流状态正常。
参考文献：
[1] 国网南京自动化研究院大坝及工程监测研究所,南京南瑞集团公司大坝工程监测分公司.大坝及工程安全监测仪器及自动化系统培训教材[M].2008:205-206.
[2] 吴中如.水工建筑物安全监控理论及其应用[M].北京:高等教育出版社,2003.
[3] 梁波.土石坝测压管水位观测资料分析方法[J].大坝与安全,2005,(4):36-38.
[4]中国水利水电科学研究院.新疆恰甫其海水利枢纽工程安全监测资料分析评价[R].225-231.
作者简介：张雪芹（1982-），女，从事大坝安全监测工作。
