首页 >
论文范文 >
工程工业论文 >
工程综合论文 >
水利水电工程论文 >
基于在线监测数据的水库围坝渗流安全分析
摘要：以济南市济阳区稍门平原水库西坝为例，通过对测压管水位在线监测数据整理分析，采用有限元法对大坝复合土工膜反演等效渗透系数，重新复核大坝渗流安全。结果表明：测压管水位与库水位变化趋势一致，正相关性较好，实测数据可靠性高；坝体渗流正常稳定，无明显趋势性变化；各工况条件下的坝基水力比降、逸出点比降均小于允许比降，大坝渗流稳定性满足要求。
加入收藏
渗流监测分析对于确保大坝安全稳定具有重要意义。文章基于水库围坝测压管水位的在线监测数据，通过系统整理分析，采用有限元法对坝体复合土工膜反演等效渗透系数，以预测分析坝体渗流安全性，旨在发现坝体存在的渗流稳定问题，以期为水库安全运行管理提供参考。
1、渗流计算方法
坝体稳定渗流符合达西定律的非均各向异性二维渗流场，水头势函数满足微分方程：
式中：φ=φ（x,y）为待求水头势函数；x、y为平面坐标；kx、ky为x、y轴方向的渗透系数。
水头φ还必须满足一定的边界条件：在上游边界上水头已知，在逸出边界上水头和位置高程相等，在某边界上渗流量q已知。
式中：lx、ly为边界表面向外法线在x、y方向的余弦。
将渗流场用有限元离散，假定单元渗流场的水头势函数φ为多项式，由微分方程及边界条件确定问题的变分形式，可得出线性方程组：
式中：[H]为渗透矩阵；{φ}为渗流场水头；{F}为节点渗流量。
求解以上方程组可以得到节点水头，据此求得单元的水力比降、流速等物理量。为最大限度提高工作效率，在允许范围内利用Autobank内置科学算法开展渗流分析。
2、工程概况
稍门平原水库位于济南市济阳区，设计蓄水水位26.54 m，相应最大库容897.9万m3，调蓄库容761.9万m3，设计死水位17.20 m，死库容136.0万m3。水库于2014年兴建，2017年建成，是一座小（1）型平原水库。围坝总长3 847.0 m，平均坝高9.6 m，坝顶高程27.30 m，坝顶宽6.0 m；上游坝坡坡比1∶2.5，采用混凝土砌块护坡，下设复合土工膜防渗（膜厚0.5 mm）；下游坝坡坡比1∶3.0，采用草皮护坡。
水库现状设有6个渗流监测断面，每个横断面布置4个测压管。其中1#、3#、4#测压管为坝基测压管，2#测压管为坝体测压管，测压管布置断面如图1所示。
图1 测压管布置断面图
3、数据分析
3.1 过程分析
通过分析库水位、测压管水位等因素随时间的变化过程，初步判断坝体渗流情况。西坝段大坝渗流与水库蓄水具有直接关系，测压管水位随库水位升降而变化，变化趋势一致，并具有一定滞后性。测压管距离上游坝脚越远，测压管水位越低，符合客观规律。与坝体测压管相比，同位置坝基测压管水位和库水位的相关性较高。
3.2 水位相关分析
为寻求测压管水位与上、下游水位或其他因素之间关系而绘制测压管水位相关线（如图2所示）。一方面为渗压分析，一方面鉴别测压管数据的可靠性。大坝测压管水位可与库水位建立一元线性回归方程，根据斜率和相关性进行渗流分析[1]。从图2中可以看出，库水位与测压管水位基本符合线性关系，土层渗透系数越小线性回归方程斜率越小；同一土层中测压管的水平渗径越长线性回归方程斜率越小，符合大坝渗流基本规律。另外，对测压管水位与库水位的相关性进行了检验，结果见表1。样本数据的相关系数r均大于0.8，相关性较好，可靠性高，测压管水位与库水位存在显著的相关关系。
图2 测压管水位与库水位相关图
表1 测压管水位统计分析成果
3.3 位势分析
测压管位势是指测压管水头在渗流场中占渗流水头的百分数。测压管位势可按下式计算：
式中：hi为第i根测压管水位，m;H1、H2分别为相应的上、下游水位，m。
将库水位、测压管水位绘制成位势图，如图3所示。从图3中可以看出，该水库西坝监测断面测压管的位势随库水位有所变化，这与水库防渗及流场介质有关；由于数据量偏少，未发现明显趋势变化。进一步分析库水位升降对位势φ的影响，可以推测出相同库水位条件下，测压管的位势φ基本不变。
图3 西坝测压管位势图
4、渗流分析
4.1 渗透系数反演
针对西坝渗流监测断面，构建有限元数值模型进行复合土工膜渗透系数反演耦合分析[2]。根据已有的设计资料，对断面材料参数（见表2）进行概化处理：该库蓄水运行时间较短，坝体、坝基各岩土层物理力学指标采用原设计指标，将上游坝坡复合土工膜概化为50 cm厚的多孔介质防渗层。
表2 坝体断面各分区渗流系数初始值
将库水位在24.72 m时的测压管水位作为反演输入值，经计算分析得出复合土工膜等效渗透系数为9.1×10-9cm/s。再以推算值输入有限元数值模型计算的其他水位条件下测压管水位，结果与实测数值基本一致，浸润线趋势相同，反演计算值较为合理、可行。相关文献[3-4]表明，复合土工膜渗透系数一般为10-10～10-13cm/s，可见西坝段库区复合土工膜防渗性能明显降低。
4.2 浸润线预测
采用有限元法和统计模型预测最高蓄水位条件下西坝各测压管水位，结果见表3。1#、3#测压管水位与预测值基本一致，4#测压管水位与预测值偏差较大。这是由于统计模型分析时4#测压管受下游水位的影响导致的。若考虑下游水位，有限元法和统计模型预测差值会进一步减小。
表3 最高蓄水位（26.54 m）条件下测压管水位预测值
4.3 渗流安全分析
大坝渗流分析选取设计蓄水位（工况一）、平均蓄水位（工况二）两种稳定渗流工况，以及设计蓄水位降落至不利坝高水位一种非稳定渗流工况（工况三）。经渗流分析：计算浸润线与实测浸润线基本一致，稳定渗流和非稳定渗流计算得出的坝基水力比降、逸出点水力比降均小于允许比降，不会发生渗透破坏，大坝渗流稳定满足要求。具体计算结果见表4。
表4 渗流安全分析计算结果
5、结语
1）测压管水位与水库蓄水具有直接关系，水位变化趋势一致，正相关性较好，实测数据可靠性高。
2）同一监测断面，测压管距上游坝脚越远管内实测水位越低，水平渗径越长，回归方程的斜率越小。结合相关线、位势、变幅、比降等分析显示，测压管水位变化符合渗流基本规律，无明显趋势性变化，目前大坝渗流基本正常稳定。
3）基于实测数据反演耦合分析的复合土工膜等效渗透系数大于原设计及相关规范要求，西坝段库区复合土工膜防渗性能明显降低。
4）西坝虽然单宽渗流量较大，但坝基水力比降、逸出点水力比降均小于允许比降，大坝渗流稳定性基本满足要求。
水库运行期间常年水位变化范围较大，对水库大坝安全运行与管理要求较高。建议加强巡查并提升动态监管和在线监测系统的数据分析能力，掌握大坝渗流特性，以便及时采取正确的运行方式或必要的工程措施。
参考文献:
[1]沈荣根.昭平台水库大坝测压管水位观测数据[J].水利科技与经济,2022,28(5):149-152.
[2]黄耀英,谢同,费大伟,等.基于测压管实测水位的王甫洲水利工程复合土工膜工作性态反馈[J].岩土工程学报,2021,43(3):564-570.
[3]土工合成材料聚乙烯土工膜:GB/T17643-2011[S].北京:中国标准出版社,2012,7.
[4]束一鸣,吴海民,姜晓桢.中国水库大坝土工膜防渗技术进展[J].岩土工程学报,2016,38(z1):1-9.
文章来源:唐文超,姜旭民,宋清林.基于在线监测数据的水库围坝渗流安全分析[J].山东水利,2024,(08):10-12.
分享：
溢洪道出口挑坎结构及两岸边界条件复杂，采用传统计算方法计算困难，因此本文使用三维有限元的方法对各工况下挑坎及周边围岩应力特性进行计算分析，旨在研究挑坎结构在各工况荷载下的应力、位移特性，为挑坎结构优化及采取处理措施等提供设计依据。
2024-09-15
目前众多学者对预应力闸墩的锚索布置优化、施工优化以及静动力受力特性等进行了大量实践与研究，刘静、蒋礼瑜、王昊元[1-3]等对闸墩布置形式、锚固洞尺寸、次锚索参数等的优化方案进行了研究，潘勇、王己海[4-5]等对锚索的施工技术、张拉次序等进行了研究，韦海勇、谭显文[6-7]等则是采用有限元法，对锚索的静动力受力特性等进行了系统研究。
2024-09-15
为应对全球气候变化和能源转型，大力发展可再生能源已经成为当前能源建设领域的重大战略方向和必然趋势。在此形势下，中国明确提出“2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和”目标，因此，加快建设新型电力系统、构建现代能源体系刻不容缓。
2024-09-12
受地形和气候条件影响，中国水能资源主要集中在西部的高山峡谷地区，但是开发西部水能资源常常碰到河谷中覆盖层地基的问题，尤其在中国水能资源丰富的西南地区。河谷深厚覆盖层成因类型复杂，地质性质复杂，分布规律性差，结构和级配变化大，物理力学性质呈现较大的不均匀性。
2024-09-12
随着水电开发的不断深入，中国拟建了拉哇、茨哈峡、古水等一大批高面板堆石坝工程。这些高坝多位于水能丰富的西部地区，坝址区附近存在极端地震的可能，大坝安全面临巨大的考验。而目前已建众多土石坝中，仅有紫坪铺面板堆石坝经受过极端地震考验，坝址区地震基本烈度Ⅸ度，远超大坝设防烈度，坝体产生了明显的震害[1]。
2024-09-12
拱座抗滑稳定分析是拱坝设计中最重要的问题之一。近代拱坝建设实践表明[1],拱坝潜在的危险主要在于两岸拱座的稳定性。某拟建巨型水电站位于金沙江干流上，坝址位于“Z”字河弯中部长约1 km的顺直河段，采用坝式开发，水库正常蓄水位以下库容55.4亿 m3,初拟装机容量1 200 MW。
2024-09-12
危岩崩塌已然成为中国山区三大地质灾害之一[1]。危岩体崩塌具有突发性强、预测难度大以及冲击破坏性大等特点，对居民、过往人员及车辆、建筑物等生命财产安全威胁严重[2-3]。随着水利水电行业的建设发展，危岩体治理逐渐成为水利水电工程优质安全建设重要内容。
2024-09-12
土工膜的主要成分为高分子聚合物，由于其具有极好的防渗性能并且其延展性、抗形变、抗低温能力较好，故多年来被用作防渗材料应用于大坝防渗体系中。但是，土工膜容易因施工过程中的不规范导致其在运行中产生破损，进而使大坝防渗体系部分失效[1]。
2024-09-12
由于混凝土拱坝具有超载能力强、坝体轻、抗震性能好等特点，在世界范围内被作为挡水建筑物建造和使用，如锦屏一级(305m)、小湾(294.5m)、白鹤滩(289m)、溪洛渡(285.5m)和英古里(271.5m)等。这些高拱坝具有静水荷载大、应力水平高、地形地质条件复杂等特点，安全运行面临的挑战比中小型拱坝更大。
2024-09-12
白蚁每年对全球经济的影响约为40亿美元，地下白蚁约占总影响的80%[1]。白蚁是一类世界性的重要害虫，主要取食纤维素，危害房屋建筑、水库堤坝等[2]。全球每年因白蚁造成的经济损失和防治白蚁费用高达400亿美元[3]。“千里之堤，毁于蚁穴”,白蚁危害堤防的记载在中国已有2200多年历史。
2024-09-12
人气：1387
人气：1071
人气：940
人气：722
人气：662
我要评论
期刊名称：山东水利
期刊人气：1074
主管单位：山东省水利厅
主办单位：山东省水利科学研究院
出版地方：山东
专业分类：水利
国际刊号：1009-6159
国内刊号：37-1358/TV
创刊时间：1999年
发行周期：月刊
期刊开本：大16开
见刊时间：1-3个月
影响因子：0.212
影响因子：1.298
影响因子：0.360
影响因子：0.663
影响因子：0.210
学术期刊咨询、科普杂志阅读、专利申请方案、课题研究设计、专著挂名咨询、论文下载、文献查询、原创文章检测、SCI实验设计方案等多项服务。
服务热线
您的论文已提交，我们会尽快联系您，请耐心等待！
你的密码已发送到您的邮箱，请查看！
2024-09-02
2
上传者：管理员
