王 媛，李其虎，刘存福，张东明，岳 攀

(1.成都大学建筑与土木工程学院，四川成都610106；2.雅砻江流域水电开发有限公司，四川成都610051)

0 引 言

黏土(含掺砾土)心墙堆石坝可充分利用当地天然材料填筑，对不同的地质条件具有良好的适应性，施工工艺比较简便，抗震性能较好[1]。目前国内瀑布沟、糯扎渡、长河坝及在建的两河口、双江口等多个电站均采用此类坝型。与其他坝型相比，由于采用土质心墙防渗，施工过程对降水更为敏感。降雨对施工的影响主要包括：长时间降雨导致心墙土料含水率超出设计要求，因此开采、运输、碾压各环节均无法施工；对于间歇降雨，如果两次降雨时间间隔较短，土体尚未晾晒至合适的含水率，也无法继续施工。只有当降雨间歇期足够且有晴天出现，土体含水率满足设计要求时，才能继续施工。

为保证心墙施工质量，一般情况下避免在雨季进行土料施工，或选择粘附力较弱、对含水率敏感性低的土料以适应雨季施工[2]。传统方法施工精细化程度不高，而且由于长时间间断施工导致设备及人员闲置，施工效率低，施工成本高。同时，因电站建设多位于山区，气象预报准确率较低，突发性局地降水影响心墙施工质量，心墙土料降水饱和后不得不采取挖除弃料的方式，影响施工进度。

为了解决这一问题，本文建立了基于多普勒雷达的降雨预报体系，提出了适用于砾石土心墙的降水—蒸发模型，形成了大坝心墙雨季施工精细化管控措施，并应用在两河口水电站心墙雨季施工中，获得显著成效。

1 基于多普勒雷达的短临降水预报模型

1.1 多普勒天气雷达预报原理

多普勒天气雷达的基本工作原理是利用多普勒效应，测定发射波与回波之间的频率差，从而探测出降水粒子的相关信息，并在一定条件下反演出大气风场、气流垂直速度等，进而快速分析出中小尺度天气系统的实时降雨情况及发展趋势。

目前，气象雷达技术已经应用在水文预报、防洪减灾、农业灌溉等领域[3- 6]，取得了一定成果。在高原山地天气系统中，对于块状小回波(尺度一般<10 km)，当回波强度≥20 dBZ时，即可能出现降水天气；当块状云团发展为面积较大的降水云团时，除了对回波中心区域进行预报外，还要注意回波值较小区域的降水情况及发展趋势。气象雷达回波见图1。

图1 多普勒雷达回波

1.2 降雨时长预报

降雨时长Ta根据现场气象雷达测定的雷达回波云图和风场特征图判定，较长时间尺度时参考AccuWeather预报软件预报的降雨时长进行修正。多普勒雷达预报系统每6 min绘制一次回波云图和风场特征图，可较准确预报降雨时长，但由于高原山区雨季易出现强对流天气，应密切关注云图变化趋势。

1.3 降雨强度预报

对于降雨的判定还需结合山区的特殊地形条件综合考虑，特别是在块状云团的回波强度≤20 dBZ，云层高度<4 000 m时，也有可能形成地形雨。根据研究经验及2017年雨季降雨信息统计[7]，在两河口施工区域，降雨强度Ir与多普勒雷达反射回波值对应关系见表1。

表1 雷达回波值与降雨强度对应关系

综合上述因素，可以得出降雨量预报模型

(1)

式中，D为预报时段内累计降雨量；T为预报降雨小时数，取整数值；由于每6 min更新一次回波云图，Δt=0.1 h；Ir为回波值对应的降雨强度。

1.4 有效性检验

为检验降雨预报模型的有效性，选取2017年7月的10场降雨进行预报，对比结果见表2。预报数据与实测降雨数据对比结果表明，预报误差在-27.78%～17.39%之间，预报数据与实测数据的相关系数为99.5%，而且对影响现场施工的降雨量(2 mm以上)预报更为准确，表明模型对土石坝施工现场的降雨预报有较好的指导作用。

2 土料含水量蒸发模型

土料水分蒸发是土体和大气之间物质能量交换的主要方式之一，也是实现土料表层热量与水分平衡的重要途径。通过2016年～2017年对现场气象站实测数据、日照时间及砾石土蒸发量数据分析，发现在单日内，砾石土蒸发量与填筑面气温、风速及日照时长呈相关关系，特别是与每日气温积温相关性较好。尽管日照和风速也有一定影响，但根据现场长期跟踪实测情况看，由于砾石土心墙填筑区域位于河谷低洼区域，风速和日照强度变化较小，可以按常数考虑。

表2 预报降雨量与实测值对比

土体蒸发模型研究需要分析典型日气温变化过程曲线，本文采用高斯函数进行拟合，可以较为准确地模拟日气温随时间的升降变化过程，该函数可以表示为

(2)

式中，y0为日最低气温；A为常数；σ为标准差；tc为最高气温对应的时间。

按时间积分可以得出该时段内积温，即

(3)

同时，本文采用温度蒸发模型[8- 9]，可以近似判定每日蒸发量E与积温呈线性相关关系，即

E=kf(x)

(4)

式中，k为常数，mm/(℃·h)，有日照条件下k取1.2 mm/(℃·h)，阴天条件下取1 mm/(℃·h)。

综合考虑降雨、蒸发及土壤含水率受降雨的影响，可以得出复工窗口期W

(5)

式中，Wa为预报的两次降雨间隔时间，h；Wb为达到设计含水率时所需翻晒时间，h；E0为达到设计含水率时蒸发损失量，mm；G为施工一个工序所需的时间，h，如两河口心墙碾压取值3 h，土料摊铺取值4 h。

根据现场施工统计，采取表面快速压光及起坡排水的土体经历降雨过程后，土体含水量波动主要集中在表层5 cm深度范围内，土体表层含水率增加范围在2%～4%，含水率波动对大坝心墙复工的影响较小，可以作为常数考虑，其在固定条件下所需的蒸发量损失E0也是一定的，因此可以计算出Wb。由式(5)判断，W>0，可以施工；反之则暂停施工，继续加密观测，等待窗口期出现。

3 基于降水-蒸发预报模型的雨季施工技术

3.1 停工标准判定

DL/T5397—2007《水电工程施工组织设计规范》[10]规定，“砾石土日降雨量<5.0 mm可以继续施工；日降雨量达到5.0～10 mm时停工0.5 d；日降雨量达到10～30 mm时停工1 d；日降雨量≥30 mm时停工2 d。”

传统施工对降雨及蒸发多采用经验性预报方法，预报准确率不高，造成施工精细化程度不高，而且由于长时间间断施工导致设备及人员闲置，施工效率低，施工成本高；同时由于两河口水电站心墙土料黏粒含量较高，对降水的敏感程度更高，现场降雨量≥2 mm时，即无法施工。表3对比了糯扎渡、长河坝、两河口水电站雨季施工标准。如果采取常规的措施，则心墙在雨季降雨集中季节必须暂停施工，进度将远远滞后工期要求。为确保两河口大坝心墙的填筑进度满足要求，需要根据降雨-蒸发规律，制订更为精细的雨季施工措施。

表3 部分土石坝土料颗粒对比分析及雨季施工标准

3.2 基于降水-蒸发预报模型的雨季施工循环模型

为加强对天气形势的总体把控，雨季施工可结合中长尺度预报，提前制订雨季施工措施，安排作业资源，并将心墙按照1%坡比(向上游侧)放坡处理。

短时降雨会导致心墙碾压无法顺利实施，因此该预报模型需要提前1～2 h准确预报是否有降雨以及降雨时长。如果预报有降雨，且降雨历时较长，累计降雨量将超过2 mm，则心墙立即停工，并对心墙作业面采取平碾光面处理。如预报有降雨，但降雨历时较短且累计降雨量不超过2 mm，则心墙继续施工，并加密多普勒雷达预报发布频次。

为提高施工效率，解决雨后复工准备及施工窗口期问题，该模型需要准确判定两次降雨之间的间歇期。同时需要判定，在间歇期内的土体经机械翻晒及自然蒸发，含水率降至设计要求含水率范围时，是否仍有足够的时间进行一个工序的施工。

基于上述考虑，本文建立了基于降雨-蒸发预报模型的雨季施工循环模型，如图2所示。

图2 基于降雨-蒸发预报模型的雨季施工循环模型

3.3 应用效果分析

2017年，两河口水电站大坝心墙在5月～9月累计降雨567 mm，降雨总量及分布与多年平均水平一致。在应用降雨-蒸发预报模型并采取精细化施工措施后，雨前防护及雨后复工有序开展，5月～9月心墙填筑强度累计达到21.92万m3，超过投标计划(12.36万m3)，表明降雨-蒸发模型能够指导现场施工，降低了降雨对施工的不利影响。2017年大坝心墙雨季填筑强度对比如图3所示。

图3 2017年大坝心墙雨季填筑强度对比

4 结 语

面对雨季施工降雨预报准确率低、土料对降雨敏感性强、施工组织复杂等难题，提出了基于多普勒雷达的土石坝施工区降水-蒸发预报模型，可以定量分析雨季有效施工时间，并建立精细化的雨季施工体系。实践表明，本文提出的方法对坝址区小区域的降雨预判准确率高，能够指导现场充分利用窗口期开展施工，提高了施工效率，避免了雨季停工及人员设备长时间闲置等情况的出现，确保了雨季填筑强度满足工期要求，为堆石坝土质心墙雨季施工提供了可借鉴的降雨-蒸发预报模型与技术手段。