碗窯水庫大壩滲流分析

唐素娟，周劍雄

（1．碗窯水庫管理局大壩管理站，浙江江山324100；2．水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江杭州310012）

碗窯水庫大壩滲流分析

唐素娟1，周劍雄2

（1．碗窯水庫管理局大壩管理站，浙江江山324100；2．水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江杭州310012）

在滲流監(jiān)測資料分析的基礎(chǔ)上，分析了碗窯水庫大壩滲流的安全狀況。分析結(jié)果表明：碗窯水庫大壩壩基揚壓力小于設(shè)計值；局部存在一定滲流異常，但目前尚不影響大壩安全，大壩滲流安全性態(tài)總體良好。建議加強大壩巡視檢查，尤其是在高水位下的滲流觀測，及時對觀測資料進行整編分析，保障工程安全。圖5幅，表1個。

水庫；滲流觀測；滲流分析；計算

1 工程概況

碗窯水庫位于浙江省江山市碗窯鄉(xiāng)碗窯村，主要由碾壓混凝土重力壩、引水壓力鋼管、發(fā)電廠房、漿砌塊石副壩和灌溉渠系等建筑物組成。壩體采用“金包銀”式碾壓混凝土結(jié)構(gòu)，主壩壩頂高程196.24m，最大壩高79.00m，壩頂長390.0m，寬8.5m，壩頂上游側(cè)設(shè)有鋼筋混凝土防浪墻。總庫容2.23×108m3，正常高水位194.24m，相應(yīng)庫容2.08×108m3，是1座以灌溉為主，結(jié)合供水、發(fā)電、防洪等綜合利用的大（2）型水利工程。

水庫自蓄水投入運行以來，蓄水位逐年抬高，2010年5月23日庫水位達194.79m，為歷史最高水位，經(jīng)檢查觀察，無變形異常情況出現(xiàn)，但滲流狀況存在缺陷。大壩的滲流性態(tài)一度引起了上級主管部門和專家的重視，曾經(jīng)多次處理，雖然取得了一定的成效，但并未最終解決。

2 大壩滲流觀測資料分析

2.1 壩基揚壓力觀測資料分析

通過對布設(shè)在不同位置的壩基揚壓力測點的觀測資料來看，縱向上各測孔水位分布都呈兩岸坡高、中間低的形狀。其主要原因是兩岸坡的地下水位較高，另外，在雨水季節(jié)降水入滲也使得岸坡地下水位抬高，從而岸坡的揚壓力孔水位也相應(yīng)升高。橫向上，由于隨著滲徑的延長，滲透壓力逐漸減小，基本呈上游向下游逐步降低的變化規(guī)律。

根據(jù)揚壓力孔水位資料計算在各壩塊壩基揚壓力測孔的最大揚壓力系數(shù)，并進行特征值（最大值、最小值、均值、變幅）統(tǒng)計，然后繪制揚壓力系數(shù)縱向分布圖（見圖1）。由此可見，兩岸U2、U3、U8、U9、U10尤其是低溫季節(jié)，揚壓力系數(shù)比較大，其原因主要是兩岸坡的揚壓力系數(shù)受兩岸地下水的影響較大；再者該部位的地質(zhì)條件較差，存在大的裂隙，對大壩的穩(wěn)定不利；建議加強觀測和及時分析，必要時采取工程措施。其他壩段測孔的揚壓力系數(shù)相對較小，均小于規(guī)范允許值，這表明河床壩段現(xiàn)有的防滲帷幕和排水設(shè)施運行情況良好。

2.2 大壩滲漏量觀測

壩體、壩基的滲漏量觀測結(jié)果如下所示（見圖2）。一方面，上游庫水位是影響壩體滲漏量變化的主要因素，與庫水位相關(guān)系數(shù)為0.469，當庫水位超過180.00m時壩體滲漏量增加較大。壩體最大滲漏量為1.158L／s。壩體滲漏量偏大，與庫水位的相關(guān)性較好，其原因主要與大壩上游防滲面板的抗?jié)B等級較低、碾壓混凝土層面膠結(jié)差等有關(guān)。同時，也反映出壩體上游防滲體系和壩體排水系統(tǒng)存在缺陷。壩體滲漏量時效分量有逐漸上升趨勢，且長期滲漏對碾壓混凝土層面的抗滑穩(wěn)定非常不利；另一方面，壩基滲漏量主要受上游庫水位影響（與庫水位相關(guān)系數(shù)為0.616，相關(guān)性較高），其次受溫度和降雨量的影響。其中，在低溫且降雨量較多的季節(jié)，庫水位又較高的工況下，往往壩基滲漏量達到年內(nèi)最大，為3.219L／s。

圖1 壩基揚壓力系數(shù)縱向分布

時效對壩基滲漏量影響雖較小，但壩基滲漏量時效分量有逐漸上升趨勢，影響大壩穩(wěn)定。

圖2 大壩滲漏測值過程線

2.3 繞壩滲流觀測

為監(jiān)測大壩兩壩肩的繞壩滲流，本工程共布置繞壩滲流觀測孔14只。左右岸各7只，其中左、右岸帷幕前各布置1只，繞壩滲流孔于1998年12月完成安裝，1999年2月開始觀測（見圖3）。

圖3 繞壩滲流測點SA8過程線

對繞壩滲流觀測資料進行分析，得到如下結(jié)論：

（1）降雨量變化對繞壩滲流測孔水位有重要影響。降雨量增大，地下水位升高，測孔水位隨之升高；降雨量減小，地下水位降低，測孔水位也隨之降低。測孔水位的變化較降雨量有滯后過程。

（2）庫水位變化對繞壩測孔水位有一定的影響。庫水位上升，測孔水位升高，反之，庫水位下降，測孔水位也下降。

（3）左、右岸兩壩頭的測孔SA1、SA2和SA15的孔水位普遍超過上游水位。這主要是這些測孔的孔水位除了受上游庫水位和降雨的影響外，還受兩岸地下水位的控制。

（4）相對接近大壩的右岸SA11、SA8和左岸的SA5水位與庫水位相關(guān)密切，且接近庫水位。這主要是兩岸多組節(jié)理（左岸主要有6組，右岸有4組）發(fā)育，以及右岸F7、F10張性斷層橫穿壩頭，斷層膠結(jié)差，下游山體單薄等因素造成壩肩繞滲。

3 壩體滲流計算分析

計算建模采用Darcy各向異性等效連續(xù)體模型，建模計算范圍為：X方向以壩軸線為坐標原點，上游和下游分別截取約1.5倍壩高；Z方向以高程為坐標，參考防滲帷幕的深度，壩基截取約1.5倍壩高。5號溢流壩段離散后共劃分了3180個節(jié)點，2117個六面體八節(jié)點單元。6號非溢流壩段離散后共劃分了3278個節(jié)點，2181個六面體八節(jié)點單元（見圖4、圖5）。根據(jù)材料特性，將6號非溢流壩段以及5號溢流壩段與壩基共劃分為壩體、上游防滲面板、基巖以及防滲帷幕等4個材料區(qū)域。排水帷幕作為等效介質(zhì)考慮；排水孔布置在單元的節(jié)點上，采用以點代井的方法，作為給定水頭（運行水位193.25m）的第一類邊界點處理。

圖4 6號非溢流壩段的有限元網(wǎng)格

圖5 5號溢流壩段的有限元網(wǎng)格

具體計算分反演和正演兩個過程，首先基于壩體實測的測壓管水位和相應(yīng)的滲流量，反演分析了大壩193.25m水位時的壩體與壩基滲流場，得到了壩體碾壓混凝土、防滲面板、基巖以及防滲帷幕等材料的滲流參數(shù)。然后利用反演得到的參數(shù)正分析了6號非溢流壩段和5號溢流壩段在正常蓄水位、設(shè)計洪水位和校核洪水位時的壩體與壩基滲流場。經(jīng)計算，6號非溢流壩段與5號溢流壩段在正常蓄水位、設(shè)計洪水位以及校核洪水位3種工況下的揚壓力系數(shù)如下所示（見表1）。

表1 計算得到的各斷面的揚壓力系數(shù)

計算結(jié)果表明，非溢流壩段壩體的滲流逸出點高程高于溢流壩段的滲流逸出部位，其中溢流壩段的滲流逸出部位較低，位于挑流鼻坎附近。2個壩段的滲流逸出點與現(xiàn)場檢查的情況較吻合。

本工程壩基處理時在軸下2.5m設(shè)置了防滲帷幕以及排水孔，并在軸下23.0m處設(shè)置了基礎(chǔ)排水廊道，在軸下40.0m處還設(shè)有半圓形的無砂混凝土排水管，采取了抽排措施。對照《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》（SL319—2005），河床壩段的揚壓力系數(shù)可取為0.20～0.25，岸坡壩段的揚壓力系數(shù)可取為0.35。由此可見，河床典型壩段的壩基揚壓力系數(shù)均低于設(shè)計值。

與此同時，由于碗窯水庫主壩施工時，壩體上游面采用的是S6與S8防滲等級的常態(tài)混凝土。按照中華人民共和國水利行業(yè)標準《碾壓混凝土壩設(shè)計規(guī)范》（SL314—2004），碾壓混凝土壩上游面所設(shè)防滲層的抗?jié)B等級的最小允許值為S8。由此可見，碗窯水庫的滲水較多與上游防滲面板的抗?jié)B等級較低有關(guān)。

4 結(jié)論與建議

依據(jù)碗窯水庫壩基揚壓力、滲漏量及繞壩滲流等觀測資料，系統(tǒng)分析了其變化規(guī)律，然后基于壩體滲流實測資料的三維有限元反演計算了壩體主要筑壩分區(qū)材料的滲透性參數(shù)，正演計算了大壩在各種工況下的滲流狀態(tài)。計算結(jié)果顯示大壩滲流性態(tài)總體正常，非溢流壩段壩體的滲流逸出點高程高于溢流壩段的滲流逸出部位，兩個壩段的滲流逸出點與現(xiàn)場檢查的情況較吻合。表明計算模型合理，結(jié)果可靠。

觀測結(jié)果顯示部分測壓管水位較高、滲漏量有時效緩慢增大等薄弱環(huán)節(jié)，主要是由于設(shè)計、施工時尚無規(guī)范可循，大壩防滲設(shè)計指標偏低、施工經(jīng)驗差等造成的，建議加強觀測，并及時分析，確保工程安全。

責任編輯 吳 昊

2015－03－12

唐素娟（1974－），女，工程師，主要從事水利工程運行管理工作。