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基于线性回归模型的黄前水库土石坝渗流稳定性分析

文档作者：王冰1，2 刘猛2 朱家辉3 文档来源： 1.山东大学齐鲁医院基建处 2.山东省水利勘测设计院有限公司 3.绍兴文理学院		更新日期： 2026年07月02日	点击数：
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上一篇：水电站水库群优化调度方法研究

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四川水泥 2025年第6期 ICHUAN SHUINI S
0 引言
作为我国水库大坝的主要坝型，土石坝多建于20世纪
中叶，受限于当时的技术条件，普遍存在渗流及结构变形
等质量缺陷。尽管经过多次除险加固，这些坝体仍难以完
全恢复其设计功能［1］。其中，渗流问题尤为突出，是威胁大
坝安全运行的关键因素。自达西定律提出以来，大坝渗流
问题便成为工程界研究的重点领域。现有研究主要采用
多种技术手段进行探索：姚纪华等［2］运用AutoBank软件建
立数值模型进行防渗稳定性计算；徐东彪等［3］采用DS-In⁃
SAR时序分析技术获取大坝形变特征；孙华云［4］基于简化
的Bishop法确定最危险滑动面，并评估不同工况下的坝体
稳定性；Francis O与Pan Y等［5-6］通过数值模拟揭示了渗
流-应力耦合作用下的坝体稳定性演变规律。上述研究表
明，开展渗流监测、评估坝体稳定性并制定针对性加固方
案，是确保大坝安全运行的重要措施［7-8］。本文以黄前水
库为例，建立库水位与测压管水位的一元线性回归模型，
对土石坝渗流稳定性进行分析，旨在为类似工程的渗流监
测与风险防控提供数据支撑和理论参考。
1 工程概况
黄前水库大坝全长1530m，坝顶宽7.0m，分为壤土
心墙砂壳坝段和均质土坝段两部分。其中，桩号0+
000~1+214段为壤土心墙砂壳坝，最大坝高33.30m，坝
顶高程213.24~213.36m（设计坝顶高程213.30m），防浪
墙顶高程213.95~214.06m（设计高程214.00m）。桩号
1+214~1+530段为均质土坝，最大坝高7.8m。
溢洪道（闸）位于大坝右端，由进水渠、控制段、泄
槽、消能段及出水渠组成。闸室为正槽开敞式宽顶堰
型钢筋混凝土结构，长16.0m，共7孔，每孔净宽10.0m，
中孔中墩宽1.4m，边孔中墩宽3.9m，总宽83.4m，堰顶高
程 201.00m。 放 水洞位于大坝桩号 0+100处 ，总 长
149.2m，为钢筋混凝土内衬管，钢管内径1400mm，设计
流量15.0m3/s，进口底高程188.00m。
水库现状存在的主要工程地质问题包括库岸稳定
性、库区渗漏、库岸浸没及库区淤积。库区岸坡以岩土
混合结构为主，坡度通常在10°~40°之间，局部护砌结
构损坏及坡度较陡区域，存在轻微的库岸再造现象。
库区两侧属低山丘陵地貌，岩性主要为花岗片麻岩、黑
云变粒岩等变质岩，其透水性较弱。同时，库区内未发
现连通水库与相邻沟谷的导水断裂，库盆整体地形封
闭条件良好，因此现状库区不存在渗漏问题。库岸边
坡以岩质或岩土混合结构为主，岩性以变质岩为主，多
具微弱透水性，且地势由库区向库岸山体逐渐变陡，第
四系覆盖层厚度较小，故岸坡一般不存在浸没问题。
现状水库运行水位多低于现状兴利水位209.00m，未观
测到浸没现象。库区淤积物主要源自河流冲积、洪积
以及库岸坡积、洪积形成的第四系地层。库区周边山
体大部分基岩裸露，表层风化剥落后形成粗砂、砾砂等
物质，易被雨水冲蚀并流入库内。加之人工开山造田、
局部小规模库岸再造，以及汛期入库洪水具有源短流
基于线性回归模型的黄前水库土石坝
渗流稳定性分析
摘要：土石坝渗流安全问题是大坝整体安全中的关键部分，渗透水不仅会弱化土体强度指标，更可能引发
坝坡失稳、防渗体破坏等问题。以黄前水库为例，基于测压管观测数据，建立库水位与测压管水位的一元线性
回归模型，对土石坝渗流稳定性进行分析，并排查模型误差优化预测精度。结果表明，该模型能有效识别渗流
异常区域，不同测压管回归拟合效果体现坝体渗流空间差异性，可为土石坝渗流稳定性评估提供依据。此外，
提出大坝培厚加固、心墙回填压实及帷幕灌浆等土石坝渗流稳定性改善措施，可有效降低测压管水位，解决局
部渗流异常问题，实现土石坝渗流稳定性提升，对实现大坝安全动态监测、预防渗流风险具有重要实践意义。
关键词：土石坝；渗流稳定性；线性回归模型；测压管；渗流异常；改善措施
中图分类号：TV698.12 文献标识码：B 文章编号：1007-6344（2025）06-0017-03
王 冰1，2 刘 猛2 朱家辉3*
（1.山东大学齐鲁医院基建处，山东 济南 250012； 2.山东省水利勘测设计院有限公司，山东 济南 250013；
3.绍兴文理学院，浙江 绍兴 312000）
作者简介：王 冰（1991-），男，汉族，山东德州，研究生，工程师，主要从事工程地质、水文地质勘察研究工作。
通讯作者*：朱家辉（2003-），男，汉族，浙江宁波，研究方向：防灾减灾。
48
急、携带大量泥沙入库的特点，导致该水库固体径流来
源较为丰富，易引发库区淤积问题。鉴于此，亟需对大
坝渗流稳定性进行监测及分析，以提高其防渗稳定性
2 基于线性回归模型的渗流稳定性监测方法
2.1 测压管布置与数据采集
通过布置浸润线测压管与渗水压力测压管，采集
2021年8月20日至2022年7月29日期间的监测数据（每
10d左右观测一次）。同时，通过现场勘查库区地质条
件，结合水库现状及增容后的工程地质特征进行系统
性评价，以期能较为详细地了解黄前水库的大坝情况。
坝体浸润线测压管和坝基渗水压力测压管的布置
如下。在0+110、0+350、0+550、0+750、0+950、1+100、
1+300共7个断面上布置坝体浸润线测压管，每个断面
中各有2~5根。其中，坝轴线上游2m处、下游坝坡工程
212.00m处、下游坡高程209.00m处各设1根，下游坝坡
戗台203.30m和193.30m处各一根，共安设27根。坝基
渗水压力测压管布置于0+110、0+200、0+350、0+950、
1+050断面上，0+350为最大坝高断面，可观测坝基渗水
压力。每个断面设3根，共安设15根。在对黄前水库进
行渗流监测时，首先对测得的各项水位数据进行整理，
再将测量过程中的不合理数据进行剔除。
2.2 线性回归数学模型构建
采用一元线性回归方法建立库水位与测压管水位的
数学模型。以水库水位为自变量（X），各测压管水位为因
变量（Y），利用Excel软件构建回归方程。根据回归所得的
相关系数（Multiple R）和决定系数（也称拟合优度，R²）来
量化两者之间的相关程度，其中R²的取值范围为0~1，其值
越接近1表明模型拟合效果越好。当满足R²>0.8且相关系
数Multiple R在0.8~1.0之间时，可判定库水位与测压管水
位呈极强线性相关关系。建立的回归模型表达式为：
Y=αX+β （1）
式中：α为回归系数；β为截距。
该模型能有效反映土石坝渗流场中库水位变化对
测压管水位的传导规律，为工程渗流稳定性监测提供
量化分析工具。模型拟合优度的高低可直接表征坝体
防渗系统的运行状态，当出现偏离时，提示该监测断面
可能存在异常渗流通道。
3 土石坝渗流稳定性分析
3.1 典型断面线性回归模型建立及稳定性分析
利用测压管观测数据构建线性回归数学模型，可
量化库水位与测压管水位间的关联性。为减少外部因
素干扰，如降雨及时间序列累积效应等次要变量的影
响，选取2021年8月20日至2022年7月29日期间连续且
完整的库水位数据及各断面测压管水位数据，建立一
元线性回归方程。通过计算相关系数（Multiple R）及
决定系数（R²）等统计指标，分析测压管水位的变化特
征，并对未来变化趋势进行预测。以0+110断面为例，
各测压管回归分析统计结果如表1所示，其中I-1（1）与
IJ-1（2）测压管的回归分析方程示意图如图1所示。
表1 0+110断面测压管回归分析统计表
管号
I-1(1)
IJ-1(2)
I-2(3)
IJ-2(4)
IJ-3(5)
回归方程
Y=1.01613X-9.495
Y=0.7099X+49.4025449
Y=0.3228X+127.8073
Y=0.3860X+114.141
Y=0.14143X+160.8174
Multiple R
0.959611529
0.985166615
0.220515653
0.634606695
0.670827574
R2
0.920854287
0.970553259
0.048627153
0.402725657
0.450009634
（a）I-1（1） （b）IJ-1（2）
图1 0+110断面测压管回归分析
表1数据显示，I-1（1）与IJ-1（2）测压管的R²值分别
为0.9209与0.9706，均>0.8，表明模型拟合度良好。其
Multiple R值分别为0.9596和0.9852，均处于极强相关
区间，模型线性特征显著，可用于预测高水位条件下各
测压管水位，为土石坝0+110断面的渗流稳定性监测与
分析提供依据。然而，IJ-2（4）与IJ-3（5）测压管的R²值约
为0.4，I-2（3）测压管的R²值仅为0.0486，拟合度较低，呈
现弱相关。从观测数据来看，该处水位在193.3~203.4m
范围内波动，数据呈现不规则起伏。
由此表明，黄前水库大坝0+110断面的渗流状态呈现
明显的空间差异性。通过对比各测压管水位与库水位的
回归关系，可对该断面的渗流稳定性作出如下评价：（1）测
压管I-1（1）和IJ-1（2）表现出的极强相关性（R²>0.9），表明
该区域渗流路径通畅，水位响应灵敏，防渗系统运行状态
良好，其线性特征显著的关系为预测高水位条件下的渗流
状态提供了可靠依据；（2）IJ-2（4）和IJ-3（5）测压管的中等
相关性（R²≈0.4）反映出该区域可能存在局部的渗流阻滞
现象，可能源于坝体材料的非均质性或局部压实度不足，
导致渗流路径发生变化；（3）I-2（3）测压管的R²值仅为
0.0486，拟合度较低，且该测点水位在193.3~203.4m范围
内呈现不规则波动，与库水位的相关性极弱，表明该土石
坝区域可能存在局部防渗体缺陷、测点附近渗流集中或土
石坝基接触带渗漏通道等不良现象。
3.2 模型误差分析与优化处理
回归分析结果显示，测压管I-1（1）、IJ-1（2）、IJ-2（4）
研究与探讨
ANJIU YU TANTAO Y 49
四川水泥 2025年第6期 ICHUAN SHUINI S 和IJ-3（5）的监测数据所建立的一元线性回归模型均具备
测压管水位预测功能，但各测点模型的预测精度表现出明
显差异。具体来看，测压管I-1（1）和IJ-1（2）的回归方程展
现出较高的拟合优度，其预测结果与实际水位观测值高度
一致；测压管IJ-2（4）和IJ-3（5）的回归方程则存在一定程
度的预测偏差；而测压管I-2（3）的回归模型由于拟合效果
欠佳，基本没有预测价值。对于模型精度差异现象，需要
重点考察测量操作规范性、数据记录准确性、测压管灵敏
度、防雨水措施有效性以及管口高程基准稳定性等潜在误
差来源。通过排查并修正各误差因素后重新构建回归模
型，可以显著提高模型的可靠性和预测准确性。经过优化
处理的线性回归模型能够准确刻画库水位与测压管水位
之间的定量关系，为土石坝渗流稳定性分析提供可靠的技
术手段，在实际工程中可用于渗流场特征识别、异常渗流
区域定位以及防渗系统效果评估等重要环节。
3.3 土石坝渗流稳定性改善措施与效果验证
基于前文通过线性回归模型对土石坝渗流稳定性
的分析结果，得到部分测压管数据拟合度较低，可能存
在局部渗流异常现象。为了提升土石坝的渗流稳定
性，确保大坝安全运行，提出一系列渗流稳定性改善措
施，并对实施效果进行验证。
3.3.1 渗流稳定性改善措施
（1）大坝上游坡培厚加固及护坡，在上游坡培厚加
固过程中，首先要对坝前淤积物进行清理，随后在大坝
上游坡脚进行抛石压重，形成坝坡培厚部分的承载体
后进行培厚度加固，在抛石压重施工过程中所采取的
淤泥扰动加抛石挤淤的施工方法取得了较好的效果；
下游坝面增设排水沟、对贴坡排水体进行改建。
（2）心墙顶高程210.46m以上的砂砾石全部挖除，用
黏性土重新回填、压实，使心墙顶高程达到高程212.30m。
（3）大坝桩号0+000～0+250、0+900～1+150段坝基
渗漏段进行帷幕灌浆，灌浆深度为深入基岩面以下
15.0m；阶地坝段原非常溢洪道浆砌石裹头、爆破药室
拆除改为均质坝；改建坝顶防浪墙。
3.3.2 效果验证
为了验证上述改善措施的实施效果，以0+110断面
为例，将实施改善措施后各次观测的库水位和测压管
水位数据绘制成图，具体如图2所示。
图2 库水位及0+110断面各测压管水位的变化过程线
由图2可知，在实施改善措施后，该断面各测压管
水位均低于库水位，表明各改善措施有效地提高了土
石坝的渗流稳定性，为土石坝的安全运行提供了有力
保障。
4 结束语
本文以黄前水库为依托，通过构建库水位与测
压管水位的一元线性回归模型，对土石坝渗流稳定
性进行监测及分析。结果表明，线性回归模型能够
有效量化库水位与测压管水位的关联，通过相关系
数和决定系数可准确识别渗流异常区域，为大坝渗
流 监测提供了可靠的量化分析工具 。 不 同测压管
的回归拟合效果存在显著差异，反映出土石坝渗流
状 态的空间非均匀性 ，其 中部分区域呈现强相关
性，表明防渗系统运行良好；而部分区域拟合度低，
揭 示出可能存在的渗流缺陷 ，稳 定性不足 。 此 外 ，
基于模型分析结果提出大坝培厚加固、心墙回填压
实及帷幕灌浆等渗流稳定性改善措施，经工程实践
验 证效果显著 ，有 效降低了测压管水位 ，提 高了坝
体防渗性能。
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【责任编辑：曾玉兰】
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