分析

李雅静，张志诚

河海大学水利水电工程学院，南京（210098）

摘要：永久船闸底板的渗流将对结构安全产生不利影响，使其抗渗性能和耐久性能降低，直接影响船闸稳定。由于影响渗流的因素复杂，一般理论计算值与实测值差异较大。为了掌握真实的渗流状态，需要对实测资料进行分析，建立监控模型，以便把握渗流的发展趋势。关键词：监控模型；多元回归；敏感性分析；渗压计

1. 工程概述

长江三峡水利枢纽是防洪、发电、航运等综合效益的巨大水电工程，并以其规模巨大，技术复杂、综合效益显著而为世人关注。坝址位于宜昌三斗坪五相庙至坝河口间，所处地形低缓，河谷开阔。坝址区基岩主要为前震旦系结晶岩，岩性主要为闪云斜长花岗岩基岩、闪长岩捕虏体、片岩捕虏体和花岗岩岩脉、伟晶岩脉、辉绿岩脉、闪斜煌斑岩脉等。基岩大部分为闪云斜长花岗岩，仅右岸有闪长岩包裹体分布。坝址区域地质构造相对稳定，断层以NNW、NNE两组规模最大，也最发育，构成本区断裂构造的基本构架，其中NNW向断层主要分布于两岸山体，NNE向断层主要分布于大江河床及左岸山坡，其它方向断层规模较小，零星分布于这两组断层之间。

永久船闸是双线、五级船闸，上游最大水深可达165m，永久船闸是在山体中开挖深槽而形成的,两侧边坡开挖高度一般为70～120m ,最高170m。其中闸室段墙顶以下直立坡高50～70m。开挖主要分两期完成,第一期为闸室墙顶以上部分的开挖,第二期为闸室直立坡的开挖。

永久船闸基岩主要为闪云斜长花岗岩，质地坚硬,结构较完整,结构面除一些随开挖而揭露的小规模的断层外,主要以一些原生、次生节理为主,部分节理面充填有花岗岩脉。断层、节理面的产状以陡倾为主,以倾角65°～75°的结构面最为发育。按照风化程度,永久船闸岩体从上到下依次为全强风化、弱风化、微风化及新鲜岩体,全风化层厚度约9～34m ,弱风化层厚度约8～22m。

2. 渗压计简介

2.1 工作原理

振弦式渗压计主要用于长期测量测压管、钻孔、堤坝、管道和压力容器里的液体及孔隙水压力，其性能非常优异，其主要部件均用特殊钢材制造，有足够的强度适合各种恶劣环境安装使用，特别是在完善电缆保护措施后，可直接埋设在对仪器要求较高的碾压土中。

仪器中有一个灵敏的不锈钢膜片，在它上面连接振弦，见图1。使用时，膜片上压力的变化引起它移动，这个微小位移量可用振弦元件的张力和振动频率来测量。振动频率的平方正比于膜片上的压力。共有两个线圈，分别紧靠钢弦对称放置。使用时，一个变频的脉冲信号（扫描频此率）加到线圈上，这就使钢弦在一定的频率上振动。激励结束时，钢弦还继续振动，当变频的脉冲信号中的频率与钢弦的固有频率一致时，此时该频率便会传输到读数仪上，并在此被解调和显示。

图1 振弦式渗压计

2.2 数据处理

读数仪上显示的数字是根据下述公式：

32

101−×=⎟⎠

⎞⎜⎝⎛周期

读数 或 10002

Hz =读数

因此：压力＝（起始读数－现在的读数）×率定系数 或 P=(R 0-R 1)×G

在制造振弦式渗压计时，其材料是精心选择的，以减少温度的影响。但是大多数装置仍然还有一个很小的温度系数，温度修正公式如下：

温度修正值＝（现在的温度－起始温度）×温度系数 即：

P T =(T 1-T 0)×K

所以温度修正以后的压力计算公式：

P ＝(R 0-R 1)×G ＋(T 1-T 0)×K

3. 一闸首南线底板监测成果

一闸首南线底板（基岩）共有三支渗压计P1CZ12(高程125.4m)，P2CZ12(高程125.4m)，P3CZ12（高程123.2m ）。监测资料取从2003年11月10日到2007年9月29日，这期间有一次蓄水过程，这三支渗压计渗压水头和渗透压力的特征值（最大最小值）见表1：

表1渗压水头和渗透压力的最大最小值

三支渗压计（P1CZ12，P2CZ12，P3CZ12）温度和渗透压力的时序曲线如图2：

图2 三支渗压计（P1CZ12，P2CZ12，P3CZ12）温度和渗透压力时序曲线

从上表可以看出，从2003年11月到2006年9月这段时间，一闸首底板下基岩渗透压力变化较小，曲线比较平顺，2006年9月－10月期间蓄水到156m，渗透压力发生较大变化，最大变化：P1CZ12（高程为125.4m）为0.0023MPa，P2CZ12（高程为125.4m）为0.0014MPa，P3CZ12（高程为123.2m）为0.0021MPa。在低温季节内，均出现渗透压力增大现象。但渗透压力年变化量比较稳定。

4. 渗透压力多元回归的统计模型

4.1 影响因素分析

由于三支渗压计均埋设在底板混凝土与基岩交接面以下，所测渗透压力应该是基岩内的渗透引起的[1]，

所以影响渗压的原因除考虑基岩本身的性质（内因）以外，还要考虑外因（荷载因素）的影响，主要有：

（1）、上游库水压力。它是影响渗透压力的主要因素。

（2）、测点处岩体的温度。当基岩温度降低时，裂隙增大，渗透加剧，渗透压力减小。 （3）、时效影响。基岩在外荷载作用下产生的应力，会改变岩体内的孔隙，使基岩渗流状态

改变或者恶化。另外，渗透压力的传递和消散对渗流也会产生影响。

4.2 渗压统计模型

以三峡永久船闸渗压计监测资料为参考，根据影响因素分析[2][3][5]，渗透压力主要受水压、温度和时效等因素的影响，即可表示为：

θP P P P T H i ++=

式中：i P —基岩内某点的总渗透压力

H P —由库水位变化引起的渗透压力分量 T P —由温度变化引起的渗透压力分量 θP —由渗透压力传递和消散引起的时效分量

众所周知，混凝土材料渗透系数较小，骨料级配与散粒体也有所不同，其渗透方程比较复杂，因此，它除了与H 的一次方有关外，可能还与H 的更高次方有关，因此取至四次式。温度直接采用实际测值作为因子，时效采用线性和非线性两项表示[2]。因此，得到渗透压力的统计模型为：

θθ2114

1

0c c T b H a a P i i i ++++=∑=

式中：H—水深，即为上游水位与测点高程之差 T—混凝土温度

θ—从起始日起算，每增加1d ，θ增加0.01 0a —常数项

根据现有监测资料，分别对一闸首底板内125.4m 和123.2m 两高程3支渗压计资料进行回归分析[4]，其计算结果见表2。

回归过程线与实测过程线如图3。

图3 回归过程线与实测过程线

由以上结果可知，回归统计模型对于不同的测点，回归的效果不同。对于规律性比较强的数据系列，回归的效果比较好，拟合精度也较高；对于规律性比较差的数据序列，回归的效果不理想，拟合精度也较差。因此在做回归统计时，需要多选择不同部位的几个测点进行分析，这样才能较为整体的把握建筑物的安全性态。

5. 回归成果分析

5.1 精度及影响因素分析

由上面的图线可以看出，回归过程线与实测过程线拟合较好，最大残差分别为：P1CZ12（高程为125.4m ）为0.0021MPa ，P2CZ12（高程为125.4m ）为0.0047MPa ，P3CZ12（高程为123.2m ）为0.0021MPa ，其余点残差都较小，且正负交替，分布比较均匀。说明前面成因分析和模型选用较为合理，因子选取较为恰当，能反映基岩的实际渗流状态。从渗透压力与水深、温度、时效之间的简单相关系数矩阵知，渗透压力与水深、温度和时效均有关系，但是水深、温度、时效各自对渗透压力的影响随着测点位置的改变而变化，而且P1CZ12（高程为125.4m ），P2CZ12（高程为125.4m ），P3CZ12（高程为123.2m ）这三支仪器测得的渗透压力都主要受水位的影响显著。各个因子之间的简单相关系数为： P1CZ12：591.0=HT r 605.0=θH r 458.0=θT r P2CZ12：610.0=HT r 605.0=θH r 461.0=θT r P3CZ12：540.0=HT r 605.0=θH r 076.0=θT r

从表二可知：P1CZ12、P2CZ12、P3CZ12三支渗压计（三个测点）回归模型的复相关系数R 分别为0.98、0.95、0.95，标准差S 较小，回归模型的精度较高。

各个因子之间的简单相关系数说明：库水位与温度和时效之间有一定的相关关系，温度与时效也有一定的相关（P3CZ12除外）。由于简单相关系数可能由于其他因素的影响，仅能反映表面的非本质的联系，不能准确的说明变量间的相关关系，因此简单相关系数只是从表面上反映两个变量之间的关系。

闸室开挖完成后，基岩渗压主要与上游水位（水压分量）有关，同时渗透压力还与温度、时效等环境因素有关。从多元回归模型的标准回归系数可以看出：水位是影响基岩渗透压力的最主要因素，其次是温度和时效因素。时效变形项的回归系数有正有负，说明渗透压力值不是一直呈增长的趋势，而是在某一数值附近徘徊，说明渗透没有发展的趋势，而是趋于中止。

回归成果表明：一闸首底板这三支渗压计从2003年11月到2007年9月期间基岩渗透

压力一直随温度有规律变化（2006年9月和10月蓄水期间除外），说明岩体渗流基本稳定，没有不利的渗流趋势。

为了进一步找出渗透压力与主要影响因素-水压的关系，应对渗压值进行分解，从而得到水压分量与水深的关系曲线如下：

图4 水压分量与水深的关系曲线

由图线可以看出，渗透压力中的水压分量随着水位的升高而逐渐增大，且曲线斜率变化不大，所以水位升高对渗流的影响是显著的，也是稳定的。从简单相关系数来看：P1CZ12测点水压分量、温度分量、时效分量与渗透压力都是负相关，其中水压分量约占渗透压力总量的83％-88％，温度分量约占渗透压力总量的10％-14％，时效分量约占渗透压力总量的3％左右；P2CZ12测点水压分量占渗透压力总量的88％以上，温度分量与渗透压力呈负相关，时效分量与渗透压力相关系数较小；P3CZ12测点水压分量、温度分量、时效分量与渗透压力也都呈负相关。同样的，由于简单相关系数可能由于其他因素的影响，仅能反映表面的非本质的联系，不能准确的说明变量间的相关关系，因此完全的反映出水压分量与渗透压力、温度分量与渗透压力以及时效分量与渗透压力之间的定性关系。

由于测点是处于基岩中的，不像混凝土要考虑徐变和干缩等因素引起的那部分压力，所以时效分量对于渗透压力的影响并不显著，这从相关系数也可以看出。对渗透压力进行分解得到的时效分量随时间先变大后逐渐变小。

5.2 统计模型敏感性分析

5.2.1 统计模型对测点选择的敏感性分析

各个测点最大残差分别为：P1CZ12（高程为125.4m）为0.0021MPa，P2CZ12（高程为125.4m）为0.0047MPa，P3CZ12（高程为123.2m）为0.0021MPa。说明对于不同的测点，具有不同的拟合效果。每个测点从整体上数据序列的规律性对于模型精度也有一定的影响。

5.2.2 统计模型对数据的敏感性分析

当数据人为记录错误或缺失的时候，分析模型对于数据序列变化的敏感性。以P1CZ12测点为例，改变一个数据以后（将温度19.0错误的记为9.0），采用假设的数据进行回归分析，从回归结果可以看出，修改数据以后，复相关系数R=0.98，标准差S=0.00077,表明回归的效果较好，相比较原始数据的复相关系数R=0.98，标准差S=0.00074而言，拟合精度稍有降低，但与原始结果相差不大。对比原始模型与假设模型分析说明：某个数据的人为记录错误或缺失，对回归分析的整体效果影响不大。

5.2.3 统计模型对因子选择的敏感性分析

建立回归统计模型其中很重要的一个步骤就是根据研究的具体问题选择相应的因子。因此，因子的选择对模型的建立、回归的效果以及拟合的精度来说起到举足轻重的作用。下面选择回归效果较差的测点P2CZ12来分析选择因子不同对其回归效果的影响。

前面采用的因子：水压的四次式，T－实测温度值，θ－线性项和对数函数的组合。改为：水压的一次式，T－实测温度值，θ－多项式和对数函数的组合。由回归结果可以看出，改变因子后，复相关系数R=0.957,标准差S=0.001086，表明回归效果较好，相比原始数据的复相关系数R=0.952,标准差S=0.00115而言，整体的拟合精度有所提高，但与原始结果相差不大。对于原始模型与因子变化以后的模型分析说明：因子在可选范围内选择的不同，对于同一测点来说，对回归的效果影响不大，因子选择不全面或者不确切会导致回归分析不正确，并且增加因子数不一定改善回归拟合效果，因此在实际分析时需要根据经验找出其主要影响因子，这样才能建立拟合效果较好的回归模型。

6. 结论

通过对永久船闸南线一闸首底板下基岩内三支渗压计监测已取得的资料分析，对高边坡的渗流状态和渗压监测工作有了如下初步认识：

1、永久船闸渗压计监测资料表明，渗流随时间的变化是比较有规律的，渗透压力突变主要发生在蓄水期，这是由于已经验证了的水位发生较大变化引起的。除此以外，渗透压力峰值出现的时间一般也是温度出现峰值的时候。

2、根据多元回归的统计模型的计算结果可以看出，大部分测点的回归是另人满意的，有个别测点回归值与实测值差别较大，这是由于渗透压力时序曲线表现出的线性并不明显，而且观测资料有限，但从总体来说，回归结果还是能反映出渗流的一些基本情况的。

3、在闸室开挖完成以后，基岩渗透压力最主要的影响因素就是上游水位，温度和时效只是次要因素。虽然永久船闸基岩渗压值随水位抬高而增大，但是仍在设计范围内，没有特别异常的渗流状态，基岩渗流是稳定的。

4、永久船闸基岩渗压监测所采用的手段和方法是合理的,精度可靠,资料能及时反应基岩渗流的状态,对设计和施工具有一定的指导意义。渗流监测对今后永久船闸的安全运行是十分重要的,需要继续加强这方面的工作。

参考文献

【1】岩土工程安全监测手册，北京，中国水利水电出版社，1999

【2】顾冲时、吴中如，大坝与坝基安全监控理论和方法及其应用，河海大学出版社，2006

【3】赵志仁，大坝安全检测设计，黄河水利出版社

【4】陈久宇，观测数据的处理方法，上海交通大学出版社

【5】吴中如、朱伯芳，三峡水工建筑物安全监测与反馈设计，中国水利水电出版社

Status model and results analysis about seepage force of the basic rock at the first brake head of the permanent ship

brake of Three-Gorge Project

Li Yajing, Zhang Zhicheng

HoHai university, Nanjing (210098)

Abstract

Seepage of the soleplate will do harm to the safety of the structure and make its resistance to the seepage and the perdurable ability reduced, this will directly affect the stabilization of the ship brake. Due to the influence factors of seepage are complex, the academic results are currently different from the survey results. For the sake of predominating the actual seepage state, we need analyse the survey data and establish monitoring model to grasp the developing trend of the seepage.

Keywords: monitoring model; multiple regression; sensibility analysis; seepage pressure instrument下载本文