象山縣倉(cāng)岙水庫(kù)大壩防滲加固后滲流性態(tài)分析

陳孟榮,周小飛

(1.寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,浙江 寧波,315192;2.寧波市三江河道管理局,浙江 寧波,315192)

1 工程概況

象山縣倉(cāng)岙水庫(kù)位于浙江東中部、寧波市東南低山丘陵區(qū)的象山港南岸,離象山縣城 (丹城)6 km。水庫(kù)于1958年動(dòng)工,1978年8月全部建成,1981年5月竣工。水庫(kù)總集雨面積為12.60 km2,總庫(kù)容1076萬(wàn)m3。

大壩為黏土心墻砂殼壩,最大壩高32.91 m,壩長(zhǎng)421 m。壩基為含泥碎塊石、礫石,為河床內(nèi)沉積的近原沖洪積物,含大量黏性土、少量砂,最大層厚約30 m。根據(jù)試驗(yàn),壩基泥礫土層級(jí)配不佳,缺少中間顆粒,其滲透系數(shù)為1.17×10-4～7.69×10-3cm/s,整體上為1×10-3cm/s量級(jí),并局部存在滲漏通道。針對(duì)壩基防滲薄弱環(huán)節(jié),2005年開(kāi)始對(duì)大壩基礎(chǔ)進(jìn)行了防滲加固。壩基處理采用硫鋁酸鹽短凝固水泥、磨細(xì)水泥和普通硅酸鹽水泥3種材料的帷幕灌漿,沿軸線設(shè)A、B共2排帷幕灌漿孔,其中上游B排軸線與壩軸線重合,2排帷幕排距1.5 m,孔距2 m,總共布置灌漿孔321個(gè),設(shè)計(jì)有效幕厚為3.6 m;帷幕為懸掛式,平均深度為12.8 m。

為檢驗(yàn)大壩的加固效果及以后的安全運(yùn)行管理提供決策依據(jù),水庫(kù)建立了安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè),其中滲流監(jiān)測(cè)是該工程監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵與重點(diǎn)。

2 加固后滲流性態(tài)分析

2.1 滲流觀測(cè)布置

施工時(shí)原測(cè)壓管大部分被堵塞,因而在灌漿結(jié)束后重新埋設(shè)滲流觀測(cè)設(shè)施。在大壩共選取6個(gè)觀測(cè)斷面,每個(gè)斷面布置3～5個(gè)測(cè)壓管,用于觀測(cè)壩體浸潤(rùn)線和壩基滲流壓力,其中壩體測(cè)壓管10個(gè),壩基測(cè)壓管10個(gè)。在每個(gè)測(cè)壓管中安裝1支滲壓計(jì),以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

典型斷面的滲流監(jiān)測(cè)剖面見(jiàn)圖1。

圖1 壩體和壩基滲流監(jiān)測(cè)典型斷面圖

2.2 測(cè)壓管水位變化過(guò)程分析

2.2.1 各斷面的測(cè)壓管水位

各斷面的測(cè)壓管水位見(jiàn)圖2～7,其變化規(guī)律如下:

(1)上游側(cè)防滲墻前的6支測(cè)壓管水位變化與庫(kù)水位變化密切相關(guān),其變化幅度與庫(kù)水位變化幅度基本一致,峰值出現(xiàn)時(shí)間也基本一致,滯后時(shí)間很短。下游側(cè)距壩軸線5～15m范圍內(nèi)的測(cè)壓管,水位變幅2～4 m/a,遠(yuǎn)小于庫(kù)水位的變幅(11.35 m/a)。其峰值出現(xiàn)時(shí)間與庫(kù)水位相比,滯后2～4 d。下游側(cè)距壩軸線24～29 m范圍內(nèi)的測(cè)壓管,水位變幅普遍在0.5 m/a以內(nèi),庫(kù)水位的變化對(duì)這些測(cè)壓管影響甚微。

(2)壩后測(cè)壓管JUP41變化幅度也很小,約為0.5 m,表明壩后地下水位基本沒(méi)有大的升降,其變化一定程度上受降雨的影響。

圖2 0+090 m斷面測(cè)壓管的水位過(guò)程線圖

圖3 0+110 m斷面測(cè)壓管的水位過(guò)程線圖

圖4 0+158 m斷面測(cè)壓管的水位過(guò)程線圖

圖5 0+210 m斷面測(cè)壓管的水位過(guò)程線圖

圖6 0+286 m斷面測(cè)壓管的水位過(guò)程線圖

圖7 0+337 m斷面測(cè)壓管的水位過(guò)程線圖

2.2.2 各斷面測(cè)壓管水位分布圖

為便于比較,繪制觀測(cè)期內(nèi)高水位、低水位、中間水位3種工況時(shí)各個(gè)斷面的測(cè)壓管實(shí)測(cè)水位分布圖 (見(jiàn)圖8,其它斷面基本相似)。其中高水位選取時(shí)間為2007年10月10日,對(duì)應(yīng)庫(kù)水位70.42m;低水位選取時(shí)間為2007年8月19日,對(duì)應(yīng)庫(kù)水位61.35 m;中間水位選取時(shí)間為2007年1月10日,對(duì)應(yīng)庫(kù)水位64.05 m。

圖8 測(cè)壓管水位分布圖

各斷面測(cè)壓管水位分布具有相似的規(guī)律,即從上游水面線到上游側(cè)的測(cè)壓管,沿程水頭損失很小,曲線接近水平;從上游側(cè)的測(cè)壓管到下游方向第1排測(cè)壓管,沿程水頭損失最大,曲線呈快速下降,這是因?yàn)榉罎B墻承擔(dān)了絕大部分的水頭損失,尤其是當(dāng)庫(kù)水位較高時(shí),防滲墻部位承擔(dān)的水頭損失更高;再往下游方向,曲線又逐漸平緩。整個(gè)觀測(cè)期間內(nèi)最下游側(cè)的測(cè)壓管水位變化甚微。從2007年8月下旬到10月上旬1個(gè)多月的時(shí)間里,庫(kù)水位快速上升10余米,各斷面壩后的水力坡降都未出現(xiàn)大的變化。這表明在目前運(yùn)行的水位條件下,庫(kù)水位的變化對(duì)壩下游坡的滲流場(chǎng)影響是很小的。

2.2.3 測(cè)壓管位勢(shì)分析

對(duì)穩(wěn)定滲流而言,測(cè)壓管位勢(shì)僅僅是空間的函數(shù),而不隨時(shí)間而變。若滲流場(chǎng)中某點(diǎn)的位勢(shì)增大,則有可能產(chǎn)生滲透變形。位勢(shì)可用下式計(jì)算:

式中:hi為測(cè)壓管水位(m),H1、H2為上下游水位(m)。該報(bào)告中,下游水位采用0+210 m斷面位于壩坡腳的JUP41的實(shí)測(cè)水位。

測(cè)壓管透水段位于壩基的有3個(gè)斷面,以0+158 m斷面為例 (見(jiàn)圖9)。3支測(cè)壓管的位勢(shì)從上游側(cè)到下游側(cè)分別為0.97～1.0,0.30～0.36,0.01～0.04 m。可以看出:①壩基的透水性較強(qiáng),防滲墻前的測(cè)壓管位勢(shì)接近100%,而防滲墻后2個(gè)測(cè)壓管的位勢(shì)則較低,尤其是最下游側(cè)的測(cè)壓管,位勢(shì)接近于0,說(shuō)明防滲墻在截?cái)酀B流水頭方面起到了重要作用;②1年多的觀測(cè)期內(nèi)各測(cè)壓管的位勢(shì)基本保持不變,說(shuō)明滲流是基本穩(wěn)定的。位于壩基的另外2個(gè)斷面0+090,0+286 m與其具有相似的規(guī)律。

測(cè)壓管透水段位于壩體的也有3個(gè)斷面,以0+210 m斷面為例 (見(jiàn)圖10)。該斷面布置的4個(gè)測(cè)壓管的位勢(shì)從上游側(cè)到下游側(cè)分別為0.90～0.93,0.52～0.59,0.34～0.45,0.20～0.28 m,其分布也符合滲流的基本規(guī)律,但上游側(cè)的測(cè)壓管位勢(shì)比壩基測(cè)壓管相比較要小,顯然與測(cè)壓管的透水段實(shí)際上是位于心墻內(nèi),而心墻滲透系數(shù)較小有關(guān)。該斷面在1年多的觀測(cè)期內(nèi)位勢(shì)變化也不大,但要比壩基的變化顯著些,推測(cè)其原因,位于壩體的各測(cè)孔位于滲透系數(shù)相對(duì)較小的心墻或過(guò)渡料層內(nèi),容易受測(cè)壓管滯后效應(yīng)的影響。進(jìn)一步分析表明,位勢(shì)變化最大的時(shí)段是2007年9月下旬。這個(gè)階段受臺(tái)風(fēng)降雨的影響,庫(kù)水位快速上升10余米,而測(cè)壓管處于滲透系數(shù)較小的地層內(nèi),水位有一定的滯后,因此位勢(shì)就出現(xiàn)不同程度的下降。在庫(kù)水位快速上升的時(shí)候,位勢(shì)沒(méi)有上升,也說(shuō)明壩體的滲流場(chǎng)沒(méi)有出現(xiàn)不利的變化趨勢(shì)。位于壩體的其余2個(gè)斷面0+110,0+352 m與其規(guī)律類似。

圖9 0+158 m測(cè)壓管的位勢(shì)圖

圖10 0+210 m斷面測(cè)壓管的位勢(shì)圖

2.3 壩體滲流的影響因素分析

影響壩體浸潤(rùn)線形態(tài)的因素很多,包括上游庫(kù)水位、降雨及時(shí)效等因素。由于滲流具有一定的滯后效應(yīng),因此影響到壩體浸潤(rùn)線的并不僅僅是當(dāng)前的庫(kù)水位和當(dāng)日的降雨量,還包括前一段時(shí)間的庫(kù)水位和降雨量。根據(jù)可能的延滯時(shí)間,該分析選取了當(dāng)日庫(kù)水位以及1～7天前的庫(kù)水位、當(dāng)日降雨量以及1～4天前的降雨以及時(shí)效分量進(jìn)行逐步回歸計(jì)算。

根據(jù)滲流的支配方程,上游水位并不與下游水位呈線性相關(guān),但其平方則滿足線性關(guān)系。因此建立的回歸方程模型為:

式中:H為測(cè)壓管水位 (m);bi(i=0～17)為回歸系數(shù);Wi(i=1～8)為當(dāng)日以及第1～7天前的庫(kù)水位(m);Ri(i=1～5)為當(dāng)日及1～4天前的日降雨量 (mm);θ為時(shí)效,以觀測(cè)持續(xù)天數(shù)除以100計(jì)算。

該文以0+210 m斷面5支測(cè)壓管為例進(jìn)行分析,0+210 m斷面共5個(gè)測(cè)壓管。首先利用逐步回歸方程,計(jì)算回歸系數(shù),然后對(duì)于建立的回歸方程進(jìn)行有效性檢驗(yàn)。對(duì)于給定的顯著性水平α=0.05,α=0.01,F臨界值及F檢驗(yàn)值見(jiàn)表1。F檢驗(yàn)結(jié)果表明,F檢驗(yàn)值＞F(0.01,k,n-k-2),表明建立的回歸方程是有效的。

回歸結(jié)果表明,位于最上游側(cè)的TUP21僅僅與當(dāng)日庫(kù)水位和時(shí)效有關(guān),而與降雨無(wú)關(guān),這與該部位的實(shí)際情況是吻合的。往下游方向的TUP22與2天前的庫(kù)水位有一定關(guān)系,同時(shí)還與降雨和時(shí)效有關(guān)。再往下游方向的TUP23和TUP24,與庫(kù)水位雖然也有一定相關(guān)性,但相關(guān)性已經(jīng)很弱。而位于下游坡腳的JUP41雖然與當(dāng)日、2天前的庫(kù)水位都有一定相關(guān),但系數(shù)卻1正1負(fù),其量值基本相等,同時(shí)考慮到2天內(nèi)庫(kù)水位的變化不大,因此基本是抵消的,而該部位與2天前的降雨量有一定相關(guān),這與該測(cè)孔埋深較淺,容易受地表水下滲影響有關(guān)。

表1 0+210 m斷面測(cè)壓管回歸方程F檢驗(yàn)值表

從回歸分析結(jié)果可以得出,壩體滲流的主要因素為:上游庫(kù)水位、降雨、時(shí)效。其中上游庫(kù)水位占主導(dǎo)地位,但主要是影響防滲墻前的測(cè)壓管,而對(duì)下游坡的測(cè)壓管影響程度顯著減弱,表明防滲心墻及帷幕灌漿發(fā)揮了很好的作用。降雨主要是對(duì)下游坡的測(cè)壓管有一定影響,這是由于壩體雨水下滲,會(huì)使測(cè)壓管水位抬高,但降雨對(duì)上游坡的測(cè)壓管無(wú)任何影響。時(shí)效因素對(duì)上下游的測(cè)壓管都有一定作用,這主要可能是反映測(cè)壓管隨時(shí)間推移,靈敏度逐漸下降的過(guò)程。時(shí)效因素影響程度甚微。

2.4 加固前后測(cè)壓管水位變化

與加固前埋設(shè)的測(cè)壓管進(jìn)行比較分析。由于以下2點(diǎn)原因,分析結(jié)果只具有參考意義:①原有測(cè)壓管的孔位、孔深、花管結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)度、所處地層層位均與新安裝的測(cè)壓管有所區(qū)別;②原有的測(cè)壓管因運(yùn)行時(shí)間久,其靈敏度可能有所下降。

現(xiàn)以0+218 m斷面的II2(距離壩軸線7.5 m)為例,從1999—2003年,該孔測(cè)壓管水位在62～58 m變化。而0+210 m斷面的TUP22(距離壩軸線7 m),2007年最高測(cè)壓管水位約為56 m,與前期相比,下降了4 m左右。

以位于0+163 m斷面的V2(距離壩軸線3.5 m)為例。2003年測(cè)壓管最高水位在51 m左右。而0+158 m斷面的JUP22,2007年度最高水位為48 m,下降了3 m左右。

從以上的比較結(jié)果可以看出,防滲墻的實(shí)施,使得壩體和壩基的測(cè)壓管水位均有了一定程度的下降,說(shuō)明防滲墻起到了比較明顯的作用。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)測(cè)壓管水位分析、位勢(shì)分析、滲透坡降計(jì)算以及與原測(cè)壓管水位觀測(cè)資料的比較后認(rèn)為,壩基帷幕灌漿的實(shí)施,對(duì)于改善大壩的滲流狀況,起到了較好的作用。