大坝渗流监测与资料分析

大坝渗流监测与资料分析大坝渗流监测与资料分析二二一二年五月一二年五月1 前言前言2 大坝渗流安全监测大坝渗流安全监测3 渗流监测资料整编分析渗流监测资料整编分析l水库数量：全国现有水库86353座，其中大型529座，中型3181座，小型82643座（09年鉴）l建设年代：1950年ICOLD 统计15m以上大坝中国仅 22座，上世纪50-70年代建坝约占93%l地区分布：湘、赣、粤、川、鲁、鄂、滇7省水库数过5000座，占全国61%，湖南11815座为最多l坝型坝高：土石坝占大坝总数的93%，坝高30m 以上的水库9191座，15m以上2.63万 水库数量水库数量1 1 前言前言老化病害严重l工程标准低、质量差（先天不足）l维护不够、老化失修（后天失调）病险水库较多l3万多座病险水库，占总数40%l老化、水毁、地震等不时新增大坝风险居高l经济社会发展，水库影响增大l极端气候条件，突发事件影响 突出问题突出问题1 1 前言前言l历年溃坝：19542009年56年间全国共发生水库溃坝 3504座，年均62.6座，其中小型3375座（占96%）l过程分布：溃坝高峰在大跃进、文革期间，最多1973年溃556座，改革开放后快速减少，近年低位稳定l重大灾害：1975年河南板桥、石漫滩溃坝，1993年青海沟后溃坝等，极大改变了大坝安全管理发展进程l近期情况：2000-2009年共47座，年均4.7座，近几年是,07年7座，08年1座，09年没有，10年已有8座 水库溃坝水库溃坝1 1 前言前言n渗流问题的重要性渗流问题的重要性 在工程事故统计中，渗流原因所占份额在工程事故统计中，渗流原因所占份额仅次于洪水漫顶，高达仅次于洪水漫顶，高达303040%40%。因工程质量认识、运用条件变化、技术因工程质量认识、运用条件变化、技术要求提高，以及保障大坝运行安全和安全管理要求提高，以及保障大坝运行安全和安全管理的需要，对已建坝进行渗流安全评价非常重要。的需要，对已建坝进行渗流安全评价非常重要。1 大坝渗流安全概要大坝渗流安全概要1.1渗流概念n大坝渗流危害大坝渗流危害n 1 1）土石坝：破坏防渗与排水设施，造成坝基坝）土石坝：破坏防渗与排水设施，造成坝基坝体和结构渗流破坏，降低坝坡稳定性。体和结构渗流破坏，降低坝坡稳定性。n 2 2）混凝土坝：扬压力降低坝体稳定性，两岸地）混凝土坝：扬压力降低坝体稳定性，两岸地下水影响坝座和岩体稳定，对坝基和结构造成水化学下水影响坝座和岩体稳定，对坝基和结构造成水化学侵害。侵害。n 3 3）此外：过大的渗漏损失减低工程效益。）此外：过大的渗漏损失减低工程效益。1 大坝渗流安全概要大坝渗流安全概要1.1渗流概念 渗流破坏：渗流作用下的孔隙介质结构的改变，又渗流破坏：渗流作用下的孔隙介质结构的改变，又称渗透变形称渗透变形n 破坏形式：管涌、流土、冲刷破坏形式：管涌、流土、冲刷n 土的分类：管涌、流土、过渡型，土的分类：管涌、流土、过渡型，CuCu判断判断n 破坏指标：渗透坡降破坏指标：渗透坡降J J，J J破坏破坏、J J允许允许n 破坏判断：直观判断、分析比对破坏判断：直观判断、分析比对1 大坝渗流安全概要大坝渗流安全概要1.2渗流破坏 安全：在设计条件下基础和结构不发生安全：在设计条件下基础和结构不发生渗流破坏，渗流对结构影响是有限和可接受的，渗流破坏，渗流对结构影响是有限和可接受的，并将渗流量控制在可接受的范围内。并将渗流量控制在可接受的范围内。n 控制：控制：“上堵下排上堵下排”原则，上堵措施有防原则，上堵措施有防渗体和防渗结构，下排措施有排水体和反滤保渗体和防渗结构，下排措施有排水体和反滤保护措施，通过这些措施将大坝渗流控制安全范护措施，通过这些措施将大坝渗流控制安全范围。围。1 大坝渗流安全概要大坝渗流安全概要1.3大坝渗流安全与控制2.1 概述2.2 巡视检查2.3 坝体渗流压力观测2.4 坝基渗流压力观测2.5 绕坝渗流观测2.6 渗流量观测2 大坝渗流安全监测大坝渗流安全监测2 大坝渗流安全监测大坝渗流安全监测相关技术标准：相关技术标准：土石坝安全监测技术规范土石坝安全监测技术规范（SL60-94SL60-94）土石坝安全监测资料整编规程土石坝安全监测资料整编规程（SL169-96SL169-96）混凝土坝安全监测技术规范混凝土坝安全监测技术规范（DL/T5178-2003DL/T5178-2003）混凝土大坝安全监测技术规范混凝土大坝安全监测技术规范(试行试行)(SDJ336-89)(SDJ336-89)n2.1.2 2.1.2 渗流安全监测项目及要求渗流安全监测项目及要求n 必设项目：必设项目：1 1）巡视检查）巡视检查n 2 2）渗流量观测）渗流量观测n 选设项目：选设项目：坝体渗流压力坝体渗流压力n 坝基渗流压力坝基渗流压力n 绕坝渗流观测绕坝渗流观测2 大坝渗流安全监测大坝渗流安全监测2.1概述n2.1.3 观测项目与观测频次观测项目与观测频次2 大坝渗流安全监测大坝渗流安全监测2.1概述观测项目建筑物级别观测频次（次数/月）施工期初蓄期运行期巡视检查*必设必设必设必设必设必设10430842渗流量必设必设必设必设必设必设104301063坝基渗流压力必设必设必设必设选坝体渗流压力必设必设必设必设选绕坝渗流必设必设选选*注：巡视检查不受上述限制，有条件可多做一些巡视检查，尤其是汛期、高水位期、水位升降期应加密频次，加强巡视检查。n2.2.1 2.2.1 巡视检查的重要性巡视检查的重要性 巡视检查是对设备监测在空间和时间不足上巡视检查是对设备监测在空间和时间不足上的补充，实践表明：很多渗流险情首先是巡视检查的补充，实践表明：很多渗流险情首先是巡视检查发现的，国外经验：大坝安全管理中巡视检查工作发现的，国外经验：大坝安全管理中巡视检查工作非常重要。非常重要。2 大坝渗流安全监测大坝渗流安全监测2.2巡视检查n2.2.2 2.2.2 巡视检查的重点巡视检查的重点n 1 1）坝体：裂缝、兽洞、蚁穴等影响渗流安全的）坝体：裂缝、兽洞、蚁穴等影响渗流安全的隐患。隐患。2 2）下游：散浸、出水点、集中渗水、塌陷隆起）下游：散浸、出水点、集中渗水、塌陷隆起等，翻砂冒水、混水等。等，翻砂冒水、混水等。n 3 3）上游：凹陷、塌坑等，水面漩涡、漏水声等，）上游：凹陷、塌坑等，水面漩涡、漏水声等，必要时做水下检查。必要时做水下检查。n 4 4）建筑物接触部位的渗流进出口。）建筑物接触部位的渗流进出口。2 大坝渗流安全监测大坝渗流安全监测2.2巡视检查2.3.1 2.3.1 观测目的及内容观测目的及内容 1 1）监控观测断面坝体的渗流安全变化。）监控观测断面坝体的渗流安全变化。2 2）了解防渗排水措施的工作效能。）了解防渗排水措施的工作效能。3 3）掌握观测断面的坝体压力分布。）掌握观测断面的坝体压力分布。4 4）确定断面上水位线位置。）确定断面上水位线位置。5 5）监控穿坝建筑物渗流安全。）监控穿坝建筑物渗流安全。2 大坝渗流安全监测大坝渗流安全监测2.3坝体渗流压力观测均质坝斜墙坝宽心墙坝窄心墙坝坝体渗流压力观测布置示意图2.3.3 2.3.3 观测设备观测设备 1 1）设备有测压管、孔隙水压力计两类。）设备有测压管、孔隙水压力计两类。2 2）高坝、渗透系数小和压力变幅小的土层不）高坝、渗透系数小和压力变幅小的土层不宜测压管，测压管管径不宜大，渗流急变区的花管段宜测压管，测压管管径不宜大，渗流急变区的花管段不宜长、测点不宜少。不宜长、测点不宜少。3 3）观测设备的考证资料要准确，孔口要防雨）观测设备的考证资料要准确，孔口要防雨水，数据采集设备要定期校验。水，数据采集设备要定期校验。4 4）造孔要干钻，反滤和分段止水要可靠。）造孔要干钻，反滤和分段止水要可靠。2 大坝渗流安全监测大坝渗流安全监测2.3坝体渗流压力观测2.4.1 2.4.1 观测目的及内容：观测目的及内容：1 1）监控观测断面坝基的渗流安全变化。）监控观测断面坝基的渗流安全变化。2 2）了解防渗排水措施的工作效能。）了解防渗排水措施的工作效能。3 3）掌握透水地基的渗压力大小及其分布。）掌握透水地基的渗压力大小及其分布。4 4）监控穿坝建筑物渗流安全。）监控穿坝建筑物渗流安全。5 5）坝基范围包括天然岩土层，深入坝基）坝基范围包括天然岩土层，深入坝基的防渗排水设施等。的防渗排水设施等。2 大坝渗流安全监测大坝渗流安全监测2.4坝基渗流压力观测2.4.2 2.4.2 观测布置观测布置 1 1）横断面布置：取决于地层结构、地质构造，）横断面布置：取决于地层结构、地质构造，断面数一般不少于断面数一般不少于 3 3 个，应顺流线方向布置，或与坝个，应顺流线方向布置，或与坝体渗流压力观测断面相重合。体渗流压力观测断面相重合。2 2）观测孔布置：根据建基面轮廓、坝基地质）观测孔布置：根据建基面轮廓、坝基地质条件、防渗和排水型式，一般不少于条件、防渗和排水型式，一般不少于3 3个。个。3 3）观测点布置：一般在不同高程布置）观测点布置：一般在不同高程布置 1212个。个。2 大坝渗流安全监测大坝渗流安全监测2.4坝基渗流压力观测2.4.3 2.4.3 观测设备观测设备 1 1）与坝体观测一样，设备有测压管、孔隙水）与坝体观测一样，设备有测压管、孔隙水压力计两类，设备选用原则也同。压力计两类，设备选用原则也同。2 2）一般选用与坝体观测一样设备，便于观测。）一般选用与坝体观测一样设备，便于观测。一般坝基观测对测压管的限制放宽。一般坝基观测对测压管的限制放宽。2 大坝渗流安全监测大坝渗流安全监测2.4坝基渗流压力观测 1 1）目的：监控结合面渗流安全，了解绕渗对）目的：监控结合面渗流安全，了解绕渗对大坝渗流的影响，掌握坝肩地层渗流安全。大坝渗流的影响，掌握坝肩地层渗流安全。2 2）布置：一般在结合面和外围布置）布置：一般在结合面和外围布置 13 13 断断面，沿结合面和流线方向布置。面，沿结合面和流线方向布置。3 3）设备：一样的渗流压力观测设备。）设备：一样的渗流压力观测设备。2 大坝渗流安全监测大坝渗流安全监测2.5绕坝渗流观测2.6.1 2.6.1 重要性重要性 渗流量是反映渗流场状态的另一大基本渗流量是反映渗流场状态的另一大基本要素，是反映渗流安全问题最直观、灵敏和综合的要素，是反映渗流安全问题最直观、灵敏和综合的因素，对防渗体工作状况反映最全面及时，很多工因素，对防渗体工作状况反映最全面及时，很多工程变化在渗流压力观测判断还不够明确时，渗流量程变化在渗流压力观测判断还不够明确时，渗流量反映已相当明显。反映已相当明显。2 大坝渗流安全监测大坝渗流安全监测2.6渗流量观测2.6.2 2.6.2 观测项目观测项目 有流量和水质两个方面观测指标，前者是有流量和水质两个方面观测指标，前者是任何工程等级的工程都应该观测的项目，土石坝任何工程等级的工程都应该观测的项目，土石坝更是必不可少。水质观测又可包括透明度、温度更是必不可少。水质观测又可包括透明度、温度和化学成分观测。和化学成分观测。2 大坝渗流安全监测大坝渗流安全监测2.6渗流量观测2.6.3 2.6.3 观测设备观测设备 根据渗流量大小和汇集条件选用方法设备：根据渗流量大小和汇集条件选用方法设备：1 1）容积法：流量小于）容积法：流量小于1 L/s 1 L/s 时宜采用容积法。时宜采用容积法。2 2）量水堰法：流量在）量水堰法：流量在 1 1300 L/s 300 L/s 之间时宜采用之间时宜采用量水堰法。量水堰法。3 3）测流速法：当流量大于）测流速法：当流量大于300 L/s 300 L/s 或受落差限制或受落差限制不能设量水堰时，可用测流速或典型断面水位的方法。不能设量水堰时，可用测流速或典型断面水位的方法。2 大坝渗流安全监测大坝渗流安全监测2.6渗流量观测2.6.4 2.6.4 渗流量观测布置原则渗流量观测布置原则 1 1）根据坝型和坝基地质条件、渗漏水出流和）根据坝型和坝基地质条件、渗漏水出流和汇集条件，及所采用的测量方法等确定。汇集条件，及所采用的测量方法等确定。2 2）对坝体、坝基、绕渗及导渗）对坝体、坝基、绕渗及导渗 （含减压井和（含减压井和减压沟）的渗流量，应分区、分段进行测量。减压沟）的渗流量，应分区、分段进行测量。3 3）对明流和潜流尽可能完全测量，有条件的）对明流和潜流尽可能完全测量，有条件的工程宜建截水墙或观测廊道。透水层深厚不能观测工程宜建截水墙或观测廊道。透水层深厚不能观测是应在下游顺水流方向做地下水位观测。是应在下游顺水流方向做地下水位观测。4 4）所有集水和量水设施应避免客水干扰。）所有集水和量水设施应避免客水干扰。2 大坝渗流安全监测大坝渗流安全监测2.6渗流量观测2.6.5 2.6.5 量水堰的设置注意问题量水堰的设置注意问题 1 1）量水堰应设在矩形断面排水沟的直线段，）量水堰应设在矩形断面排水沟的直线段，槽底和侧墙不漏水；槽底和侧墙不漏水；2 2）堰板与侧墙和水流方向垂直，堰板平正，）堰板与侧墙和水流方向垂直，堰板平正，堰口水平；堰口水平；3 3）堰上水流为自由出流形式，不受其它）堰上水流为自由出流形式，不受其它（杂物）干扰；（杂物）干扰；4 4）量水堰考证资料准确，存档备查。）量水堰考证资料准确，存档备查。2 大坝渗流安全监测大坝渗流安全监测2.6渗流量观测3.1 简述3.2 原始资料及考证资料3.3 观测资料整编3.4 渗流观测资料分析3.5 渗流观测综合分析3 渗流监测资料整编分析渗流监测资料整编分析 1 1）渗流监测是监控大坝安全运行的重要内容，通过资）渗流监测是监控大坝安全运行的重要内容，通过资料分析才能充分发挥监测作用。料分析才能充分发挥监测作用。2 2）通过监测资料分析，及时掌握工程安全状况，进行）通过监测资料分析，及时掌握工程安全状况，进行一定的预测预报。一定的预测预报。3 3）监测资料整编分析是工程管理工作的重要内容，应）监测资料整编分析是工程管理工作的重要内容，应当制度化。当制度化。4 4）主要内容包括：考证资料，定期整编分析与刊印，）主要内容包括：考证资料，定期整编分析与刊印，遇工程问题或大坝安全鉴定等应全面整理分析监测资料。遇工程问题或大坝安全鉴定等应全面整理分析监测资料。3 渗流监测资料整编分析渗流监测资料整编分析3.1简述 1 1）观测设施考证资料：观测设施布置（平剖面）观测设施考证资料：观测设施布置（平剖面图、数据表格），埋设安装的位置与初始的读数，图、数据表格），埋设安装的位置与初始的读数，新的校验测试修正。新的校验测试修正。2 2）监测记录考证整理：参数的转换，温度修正，）监测记录考证整理：参数的转换，温度修正，系列化。系列化。3 渗流监测资料整编分析渗流监测资料整编分析3.2原始资料及考证资料主坝部分测压管考证表（举例）主坝部分测压管考证表（举例）测压管编号平面位置竖直位置（m）埋设时间(年.月)备注桩号坝轴距管底高程沉淀管长度透水段长度管口高程管长0+375T1坝体+41.50-8.0028.530.504.0042.7314.2087.8坝轴距“-”表示上游，“+”表示下游0+375T2+17.5027.460.503.0039.6612.2087.80+375T3+41.5022.740.501.5033.9411.2087.80+375J1坝基-8.0018.370.500.5042.5724.2087.80+375J218.670.500.5039.8721.2087.887.80+375J318.740.500.5033.9415.2087.887.8 1 1）考证资料：观测设施布置（平剖面图），）考证资料：观测设施布置（平剖面图），埋设安装位置与初始的读数，新的校验测试修正，埋设安装位置与初始的读数，新的校验测试修正，观测设施考证表。观测设施考证表。2 2）整理编印：原始数据转换，温度等参数）整理编印：原始数据转换，温度等参数修正。观测数据、过程线关系图等图表编制，刊印修正。观测数据、过程线关系图等图表编制，刊印成册。成册。3 渗流监测资料整编分析渗流监测资料整编分析3.3观测资料整编3.4.1 3.4.1 渗流压力资料分析渗流压力资料分析 按坝体、坝基、绕渗分别整理分析。按坝体、坝基、绕渗分别整理分析。1 1）过程线分析：各测点渗流压力过程线，含上下游水位和）过程线分析：各测点渗流压力过程线，含上下游水位和降雨。确定并消除迟后时间，剔除差错数据。降雨。确定并消除迟后时间，剔除差错数据。2 2）特定过程线：特定库水位下渗流压力过程线，测点位势）特定过程线：特定库水位下渗流压力过程线，测点位势过程线。过程线。ii(P-H2)/(H1-H2)(P-H2)/(H1-H2)100%100%3 3）相关线：渗流压力与库水位）相关线：渗流压力与库水位(或上下游水位差或上下游水位差)相关线。相关线。4 4）渗流压力分布：坝体横断面渗流压力（含浸润线位置）渗流压力分布：坝体横断面渗流压力（含浸润线位置）分布，坝基渗流压力等势线分布，对比设计浸润线位置。分布，坝基渗流压力等势线分布，对比设计浸润线位置。3 渗流监测资料整编分析渗流监测资料整编分析3.4观测资料分析3.4.2 渗流量资料分析渗流量资料分析 渗流量受温度影响，统一折算成渗流量受温度影响，统一折算成10水温渗流量；潜流占水温渗流量；潜流占有较大比重且有观测的，推求潜流量。有较大比重且有观测的，推求潜流量。1）过程线分析：各测点渗流量过程线，含上、下游水位和）过程线分析：各测点渗流量过程线，含上、下游水位和降雨。确定并消除迟后时间，剔除差错数据。降雨。确定并消除迟后时间，剔除差错数据。2）特定过程线：特定库水位下渗流量过程线，画引流量过）特定过程线：特定库水位下渗流量过程线，画引流量过程线。程线。qQ/(H1-H2)3）相关线：渗流量与库水位（或上下游水位差）相关线。）相关线：渗流量与库水位（或上下游水位差）相关线。4）渗流压力分布：坝体横断面渗流压力（含浸润线位置）渗流压力分布：坝体横断面渗流压力（含浸润线位置）分布，坝基渗流压力等势线分布，对比设计浸润线位置。分布，坝基渗流压力等势线分布，对比设计浸润线位置。3 渗流监测资料整编分析渗流监测资料整编分析3.4观测资料分析n此外，渗流量分析还有：此外，渗流量分析还有：1 1）水质（透明度）变化分析等。）水质（透明度）变化分析等。2 2）渗漏损失分析，渗漏损失是一个相对的问）渗漏损失分析，渗漏损失是一个相对的问题，主要考量绝对值大小、相对于来水和兴利的关题，主要考量绝对值大小、相对于来水和兴利的关系、总体水资源状况等。系、总体水资源状况等。3 渗流监测资料整编分析渗流监测资料整编分析3.4观测资料分析3.4.3 3.4.3 渗流观测资料统计分析渗流观测资料统计分析 对渗流压力对渗流压力p p、渗流量、渗流量q q等因子可以通过数等因子可以通过数理统计方法建立与相关因子（如水位理统计方法建立与相关因子（如水位h h、降雨、降雨i i、时、时间间t t等）之间的统计学关系（统计模型），进而推求等）之间的统计学关系（统计模型），进而推求两者之间的定量关系，用于对资料的分析解读和预两者之间的定量关系，用于对资料的分析解读和预测预报，也是目前大坝监测资料分析中常用的一种测预报，也是目前大坝监测资料分析中常用的一种方法。方法。p,qp,qf(h)+f(i)+f(t)+cf(h)+f(i)+f(t)+c3 渗流监测资料整编分析渗流监测资料整编分析3.4观测资料分析渗流压力统计模型（举例）渗流压力水位的多因子统计模型很多，这里主要考虑上游水位、降水量、时间等因子。统计模型为：h=a0+a1x1+a2x2+a3x3+a4x4+a5x5+a6x6+a7x7+a8x8+a9x9+a10 x10式中：1）h为渗流压力水位；2）x1为当日上游水位；3）x2为前1至10日上游水位平均值；4）x3为前11至30日上游水位平均值；5）x4为前31至60日上游水位平均值；6）x5为当日降水量；7）x6为前1日降水量；8）x7为前2日降水量；9）x8为前3日降水量；10）x9为（当日-开始蓄水日期）/365；11）x10为lnx9。3.4.4 3.4.4 渗流异常分析渗流异常分析 1 1）渗流异常现象（如集中渗水点、散浸范围、渗）渗流异常现象（如集中渗水点、散浸范围、渗水透明度）过程分析。水透明度）过程分析。2 2）异常现象与库水位关系分析。）异常现象与库水位关系分析。3 3）异常现象与渗流压力、渗流量结果对比分析。）异常现象与渗流压力、渗流量结果对比分析。4 4）异常现象发生原因分析，结合设计、施工情况，）异常现象发生原因分析，结合设计、施工情况，工程结构情况等。工程结构情况等。3 渗流监测资料整编分析渗流监测资料整编分析3.4观测资料分析1 1）区别坝体、坝基、绕渗，或分区段局部）区别坝体、坝基、绕渗，或分区段局部2 2）针对渗流压力、渗流量资料，及相关资料）针对渗流压力、渗流量资料，及相关资料3 3）通过过程线与相关关系等的整理分析）通过过程线与相关关系等的整理分析4 4）了解渗流在时间、空间上的情况和变化）了解渗流在时间、空间上的情况和变化5 5）重视运行中工程反映出的渗流现象及异常）重视运行中工程反映出的渗流现象及异常6 6）对观测结果特别是问题查找分析原因和影响）对观测结果特别是问题查找分析原因和影响7 7）综合分析观测反映的大坝渗流状况及存在问题）综合分析观测反映的大坝渗流状况及存在问题3 渗流监测资料整编分析渗流监测资料整编分析3.5渗流观测综合分析