黏土壩測壓管水位異常原因分析

楊秀海

(安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230022)

利用測壓管監(jiān)測壩身浸潤線一直是土石壩工程的常用方法，浸潤線形態(tài)的變化，對分析土石壩的滲流狀態(tài)及評價(jià)大壩穩(wěn)定性具有非常重要的意義[1-2]。然而現(xiàn)有規(guī)范[3]對測壓管安裝埋設(shè)相關(guān)規(guī)定過于籠統(tǒng)，且未根據(jù)不同巖土層情況對測壓管進(jìn)水段長度進(jìn)行強(qiáng)制性規(guī)定，現(xiàn)狀測壓管埋設(shè)處于無可靠操作規(guī)程、進(jìn)水段長度布置很隨意的狀態(tài)。通過對我國各地區(qū)壩身測壓管現(xiàn)狀質(zhì)量進(jìn)行調(diào)查，統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)砂礫石壩及混凝土壩測壓管很少出現(xiàn)水位異常問題，而對黏性土壩測壓管水位異常問題卻很突出。

針對黏性土壩測壓管水位異常問題，本文以合肥市董鋪水庫均質(zhì)黏土壩為例，對幾根常年水位異常測壓管進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查研究、理論分析總結(jié)，并針對性地采取了相關(guān)修復(fù)措施，最終消除了水位異?，F(xiàn)象。實(shí)踐證明本文所用方法避免了按規(guī)程規(guī)范采用風(fēng)干膨脹土黏土球回填不密實(shí)導(dǎo)致的一系列后期數(shù)據(jù)失真問題，大幅度提高了黏性土壩測壓管監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性，實(shí)現(xiàn)規(guī)范化埋設(shè)黏土壩測壓管。

1 工程概況及測壓管埋設(shè)情況

董鋪水庫位于合肥市西北近郊，距市中心僅7km，巢湖支流南淝河上游，大壩坐落在二環(huán)路旁，是一座以防洪和城市供水為主、兼顧生態(tài)補(bǔ)水及養(yǎng)殖功能的年調(diào)節(jié)水庫。水庫壩址以上集水面積207.2km2，總庫容2.42億m3，屬大(2)型水庫。水庫樞紐由大壩、泄洪涵洞、溢洪道和連通輸水隧洞等組成，大壩為碾壓式均質(zhì)黏土壩，壩長2876m，壩頂高程35.8m。

董鋪水庫現(xiàn)有測壓管20根，分布在5個(gè)斷面上，每斷面4根，分別分布于大壩樁號0+740、0+940、1+130、1+300、1+380處，其中迎水坡1根(高程34.60m處)，背水坡3根(高程33.00、27.40、22.40m處各1根)。20根測壓管中094-2、113-1、113-3、130-1、138-1和138-2號管由于年久失修淤實(shí)，觀測水位常年高于庫水位，2020年在其附近埋設(shè)有新管，編號為“新*”，新埋測壓管和老管水平距離不超過2.0m，經(jīng)比測后將原測壓管棄測。

2 壩身測壓管2020年情況調(diào)查及評價(jià)

20根在用測壓管歷經(jīng)數(shù)次埋設(shè)、修復(fù)、校測，現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)不佳，為保證給大壩安全運(yùn)行提供準(zhǔn)確的地下水位觀測數(shù)據(jù)，需對壩身埋設(shè)的各測壓管運(yùn)行情況進(jìn)行評價(jià)，測壓管評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合下列規(guī)定[4]：

(1)測壓管現(xiàn)場檢查及靈敏度全部合格，評價(jià)為可靠。

(2)測壓管靈敏度不合格，評價(jià)為不可靠。

(3)其他情形，評價(jià)為基本可靠。

在水庫蓄水及運(yùn)行過程中上下游水位經(jīng)常變化，滲流場中各點(diǎn)滲流水頭(潤線)高度也會(huì)變化。在滲透過程中，滲透水克服土顆粒之間的阻力，從上游滲透到測壓管位置需要一定時(shí)間，故測壓管水位還與前期庫水位有關(guān)。隨著時(shí)間的延長，土體固結(jié)以及上游壩前淤積都會(huì)影響滲流狀態(tài)。有時(shí)由于壩面的原因，降雨會(huì)直接滲流到測壓管中，這樣會(huì)影響測壓管水位。所以影響測壓管水位的主要因素為：水庫水位分量hH，降雨分量hR及時(shí)效分量ht，測壓管水位h可表示為：h=hH+hR+ht。測壓管水位主要受降雨、上游庫水位及時(shí)間影響[5]，下面根據(jù)這3個(gè)要素作出138斷面2017—2020年期間水位過程線如圖1所示。

圖1 壩身138斷面測壓管水位過程線

根據(jù)SL 551—2012《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，董鋪水庫現(xiàn)狀測壓管存在的問題主要為：水泥保護(hù)罩損毀排水不暢(094-2、113-1、113-3、130-1、138-1、138-2)，水位過程線受降雨影響顯著(074-4、094-2、113-2、113-3、130-3、138-2、138-3)，水位長期高于庫水位(138-1、138-2)。除138斷面存在水位數(shù)據(jù)異常不可靠的測壓管外，其余斷面數(shù)據(jù)可靠或基本可靠。下面以138斷面上的4根測壓管為例，分別從現(xiàn)狀調(diào)查及評價(jià)、水位過程線和靈敏度測試3個(gè)方面對其工作運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)，具體見表1。

表1 壩身138斷面測壓管工作運(yùn)行狀態(tài)評價(jià)

3 壩身138斷面水位異常原因分析

根據(jù)前述138斷面測壓管水位過程線形態(tài)可發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：

(1)測壓管水位總體上受庫水位影響，并有一定的滯后性。

(2)在長時(shí)間不降雨或降雨量較少的時(shí)期，各測壓管水位會(huì)出現(xiàn)與庫水位不相協(xié)調(diào)的緩慢回落。

(3)138-1測壓管水位一直高于庫水位(統(tǒng)計(jì)期間內(nèi)高于庫水位0.18～6.32m，平均值高達(dá)2.21m)，與理論值不符。138-1測壓管水位偏高原因可能是測壓管進(jìn)水段長度過長且上部膨脹土黏土球止水失效所致。

(4)138-2測壓管水位異常上漲過程略滯后降雨時(shí)間，降雨過后會(huì)異常降落消散，且降落幅度小于上漲幅度，降落時(shí)間大于上漲時(shí)間。138-2測壓管水位偏高部分的原因可能受降雨入滲影響。根據(jù)現(xiàn)場勘探，董鋪水庫大壩迎水側(cè)及背水側(cè)坡面分布有1.0～2.5m左右厚的松散層，該層相對下部碾壓密實(shí)的壩身土為松散含水層，在降雨量充足時(shí)能達(dá)到飽和狀態(tài)，存儲較多的上部滯水。各測壓管存在受該含水層補(bǔ)給的可能，由于測壓管內(nèi)徑只有5cm，少量的滲水就可能導(dǎo)致測壓管內(nèi)出現(xiàn)較高的水位，從而導(dǎo)致測壓管水位長期偏高。具體原因可能是該測壓管施鉆埋設(shè)時(shí)周邊回填的膨脹土黏土球止水失效，從而形成連接上層滯水與測壓管下部透水管的滲流通道。

(5)138-3測壓管水位變化基本正常，受降雨影響權(quán)重相對較大，可能是由于進(jìn)水段上部膨脹土黏土球回填質(zhì)量較差所致。

(6)138-4測壓管水位變化基本正常。

4 異常測壓管的處理

針對以上原因分析，2020年7月份對138-1、138-2兩根測壓管按SL 551—2012附錄D要求進(jìn)行了重新埋設(shè)，具體測壓管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保持原結(jié)構(gòu)不變。測壓管采用內(nèi)徑50mm的鍍鋅鋼管，其中進(jìn)水段采用花管，其余段為實(shí)管。測壓管外部進(jìn)水段濾料超過花管段頂高程不小于0.5m，濾料上部分層填搗膨脹土黏土球。

借助有限元等數(shù)值模擬技術(shù)，采用統(tǒng)一考慮飽和-非飽和滲流的方法來研究工程滲流問題[6-9]是工程中常用的方法。本次利用有限元分析軟件GiD/Code Bright，進(jìn)行董鋪水庫大壩工程特有地質(zhì)條件下土石壩的三維全尺寸滲流分析[10]，模型采用四面體單元?jiǎng)澐?，劃分網(wǎng)格后，三維有限元共有節(jié)點(diǎn)84250個(gè)，單元430979個(gè)。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測浸潤線比較如圖2所示。

圖2 董鋪水庫大壩138斷面浸潤線

由圖2得出以下結(jié)論：新138-1、新138-2測壓管水位仍較庫水位偏高，實(shí)測浸潤線均高于理論計(jì)算浸潤線，與浸潤線一般規(guī)律不相符，表明測壓管水位仍存在異常。

經(jīng)現(xiàn)場探井開挖調(diào)查，結(jié)合測壓管埋設(shè)結(jié)構(gòu)圖綜合分析推測其水位異常的原因可能是由于原測壓管進(jìn)水段濾料設(shè)計(jì)過長，超過理論浸潤線過多，導(dǎo)致超過浸潤線以上部位的壩體非飽和區(qū)滯水層滲入測壓管進(jìn)水段所致。建議測壓管進(jìn)水段頂高程可取水庫正常蓄水位對應(yīng)的三維滲流計(jì)算所得理論浸潤線位置(底高程可取壩上水庫死水位對應(yīng)的三維滲流計(jì)算所得理論浸潤線位置以下1.0m)。為進(jìn)一步驗(yàn)證該觀點(diǎn)，在現(xiàn)場采取管口開挖0.5m操作平臺，利用洛陽鏟沿測壓管壁掏鉆至理論浸潤線部位(圖3)，然后回填水泥土與環(huán)氧樹脂混合物，利用自制月牙型夯板分層夯實(shí)，經(jīng)過以上修復(fù)后各測壓管水位與理論浸潤線基本一致。采用該法止水效果好，現(xiàn)場施工方便，能有效解決SL 551—2012中規(guī)定采用直徑5～10mm的不同粒徑組成的風(fēng)干膨脹土黏土球封孔后出現(xiàn)的后期回填質(zhì)量問題。

圖3 利用洛陽鏟對異常測壓管進(jìn)行掏鉆修復(fù)

5 結(jié)語

我國黏性土大壩數(shù)量眾多，且多數(shù)為建國后所建，受制于當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r，大部分填筑質(zhì)量較差或經(jīng)過多次除險(xiǎn)加固，對這類大壩布置測壓管實(shí)時(shí)監(jiān)測壩身浸潤線，提高評價(jià)壩身質(zhì)量及除險(xiǎn)加固效果是必要的。由于黏土壩測壓管的埋設(shè)質(zhì)量較難把握，相關(guān)規(guī)程規(guī)范對此亦鮮有介紹，導(dǎo)致現(xiàn)狀黏土壩測壓管存在較大的埋設(shè)質(zhì)量問題，總結(jié)如下：

(1)測壓管水位過程線長期偏高，其原因主要為濾料段設(shè)計(jì)過長，其次為濾料段上部膨脹土黏土球回填質(zhì)量相對壩身質(zhì)量較差，測壓管內(nèi)水位并非全由上游庫水入滲形成。

(2)針對黏土壩測壓管濾料段長度需通過三維滲流計(jì)算所得理論浸潤線位置來最終確定，建議濾料段底高程應(yīng)低于水庫死水位對應(yīng)的三維滲流計(jì)算所得理論浸潤線位置1.0m，頂高程不高于水庫正常蓄水位對應(yīng)的三維滲流計(jì)算所得理論浸潤線位置0.5m，避免因?yàn)V料段隨意布置，導(dǎo)致上部滯水對測壓管水位的不確定性影響，更加符合壩身實(shí)際運(yùn)行情況。

(3)黏土壩測壓管若因?yàn)V料段過長導(dǎo)致管內(nèi)水位長期偏高，可采用洛陽鏟掏鉆后分層回填夯實(shí)水泥土與環(huán)氧樹脂混合物，該方法操作簡單，行之有效。

本文指出SL 551—2012“采用風(fēng)干膨脹土黏土球回填”“對進(jìn)水段長度不作要求”的不足，為黏土壩測壓管規(guī)范化埋設(shè)提供一種新思路，豐富細(xì)化了相關(guān)內(nèi)容。