水庫大壩浸潤線觀測及壩坡穩(wěn)定性分析

郭　濤

(新疆維吾爾自治區(qū)烏蘇市水利管理站，新疆 烏蘇 833000)

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水庫大壩浸潤線觀測及壩坡穩(wěn)定性分析

郭濤

(新疆維吾爾自治區(qū)烏蘇市水利管理站，新疆 烏蘇 833000)

以新疆下坂地水庫大壩滲流觀測為例，通過浸潤線觀測分析水庫大壩及兩岸滲流穩(wěn)定性，并結(jié)合理論計(jì)算判定壩體滲流及壩坡穩(wěn)定情況；分析得出壩體滲流場穩(wěn)定，而壩肩滲壓水位偏高，需進(jìn)一步觀測分析。

水庫大壩；浸潤線；觀測；壩坡穩(wěn)定性

就現(xiàn)階段而言，土石壩在我國水庫大壩中仍具有較大的數(shù)量比例，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，其在國內(nèi)大壩總數(shù)中占有比例超過了80%。國內(nèi)多數(shù)土石壩修建于上世紀(jì)五、六十年代，受當(dāng)時(shí)建設(shè)施工技術(shù)條件的限制，多數(shù)水庫大壩在運(yùn)行中出現(xiàn)不同程度的質(zhì)量問題[1]。雖在運(yùn)行階段經(jīng)過多次除險(xiǎn)加固，但其水庫功能及興利效益始終達(dá)不到理想要求。對水庫大壩進(jìn)行滲流觀測以評價(jià)土石壩穩(wěn)定性，并制定相應(yīng)地補(bǔ)強(qiáng)修護(hù)方案，這是現(xiàn)階段土石壩運(yùn)行管理的重點(diǎn)內(nèi)容。

1　工程概況

下坂地水庫位于新疆境塔什庫爾干河流域，以水力發(fā)電為主，兼顧生態(tài)補(bǔ)水、灌溉的一綜合性水庫。水庫水工建筑物主要包括大壩、左岸溢洪道和引水隧洞、右岸泄洪洞以及發(fā)電廠房等。而攔河大壩墻體結(jié)構(gòu)為壤土心墻沙礫石壩，上游迎水坡與下游背水坡坡度存在變化，上下游壩坡分別有兩級和三級馬道。壩體防滲土料主要為粉質(zhì)壤土，壩體心墻厚度較厚，設(shè)計(jì)心墻上游坡與下游坡坡比分別為1：0.18～0.39和1：0.4；壩殼為砂礫石料。壩體基礎(chǔ)防滲采用防滲墻、帷幕灌漿、齒墻等結(jié)構(gòu)，由于壩基覆蓋層為冰磧砂礫石層，其具有較強(qiáng)的滲透性。滲透系數(shù)在6～20.36 m/d，可能對大壩安全運(yùn)行造成影響。

2　水庫大壩浸潤線觀測

2.1觀測方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)水庫大壩浸潤線觀測觀測設(shè)備為測壓管，測壓管內(nèi)安設(shè)有滲壓計(jì)與繩式電測水位計(jì)，設(shè)計(jì)5 d獲取一組觀測數(shù)據(jù)[2]。根據(jù)大壩結(jié)構(gòu)形式設(shè)定觀測點(diǎn)個(gè)數(shù)為14個(gè)，其編號依次為D1～D14。其中D1～D6觀測位置主要為大壩橫斷面，即橫向樁號0+150，對大壩壩頂、馬道及壩坡實(shí)施觀測；D1與D3監(jiān)測點(diǎn)分別位于壩體心墻上下游墻體內(nèi)，D2監(jiān)測點(diǎn)布置在防滲心墻后基巖上，而D4、D5、D6則需穿過水庫大壩壩殼料；D7～D14負(fù)責(zé)監(jiān)測兩岸邊坡浸潤線變化情況。

2.2大壩主斷面浸潤線觀測

1)滲流觀測

壩體浸潤線變化通常與庫水位之間有著密切的聯(lián)系，因此，壩體浸潤線分析需要結(jié)合水庫蓄放水過程[3-4]。本次觀測分析主要以近年測壓管監(jiān)測數(shù)據(jù)為主，其滲透壓力水位過程如圖1所示。分析庫水位變化情況可知，庫水位整體歷經(jīng)了多次變化，庫水位在3月14日、9月13日達(dá)到峰值，其水位高程分別為2 000.12 m、2 000.89 m，7月8日水庫水位最低，其余各階段均處于緩慢變化過程中。

而由主壩測壓管水位變化情況可知，其大致變化趨勢與庫水位變化情況相似，變化曲線均呈正態(tài)分布；相較于庫水位變化，測壓管水位變化幅度較小，其平均變化幅度約為1.5 m。隨著庫水位高程的變動(dòng)，D1與D3監(jiān)測管管水位波動(dòng)幅度逐漸降低，D2、D4、D5、D6亦呈相似規(guī)律，且越靠近下游位置管水位波動(dòng)幅度越小，表明壩體防滲結(jié)構(gòu)工作正常，壩殼排水通暢。水庫壩體滲流逸出比降在0.103～0.164，未超過安全允許值要求。

圖1　水庫大壩壩體滲壓水位過程線

2)壩體浸潤線

根據(jù)水庫壩體滲流觀測成果。分析浸潤線分布及變化情況可知，其與庫水位變化存在一定滯后性，導(dǎo)致變化不同步情況出現(xiàn)的主要原因?yàn)槭艿剿畮靿误w結(jié)構(gòu)、測點(diǎn)安設(shè)位置、庫水位變化情況的影響，土石壩浸潤線變化通常處于動(dòng)態(tài)變化之中，而浸潤線繪制通常以某一時(shí)期觀測數(shù)據(jù)為主，故導(dǎo)致其變化滯后于庫水位變化。這種變化的滯后性通常不可避免，只要滯后時(shí)間長期保持在一穩(wěn)定狀態(tài)，則浸潤線能夠有效反映壩體穩(wěn)定情況。本次觀測測壓管水位滯后時(shí)間為10～15d，且保持相對穩(wěn)定狀態(tài)，表明水庫壩體處于穩(wěn)定滲流狀態(tài)。

2.3左右岸邊坡浸潤分析

下坂地水庫兩岸壩坡巖層較為破碎，存在繞滲可能，水庫除險(xiǎn)加固中對兩岸分別進(jìn)行了固結(jié)灌漿與帷幕灌漿處理。為掌握兩岸防滲加固效果，在左右岸各布置4個(gè)測點(diǎn)，監(jiān)測山體壩肩浸潤水位；D7～D10布置在右岸，D11～D14布置在左岸。

分析水庫左右岸邊坡滲壓水位變化過程可知，壩肩測壓管水位與庫水位成正相關(guān)關(guān)系，曲線分布呈正太分布。當(dāng)庫水位達(dá)到1 999.72 m時(shí)，右岸壩肩帷幕區(qū)、D7、D8測壓管水位為1 994.18 m、1 993.69 m，馬道D9水位1 963.19 m，后壩坡D10水位1 955.02 m；左岸帷幕前D11測壓管水位1 985.58 m，帷幕后D12、D13、D14測壓管內(nèi)的滲壓水位分別在1 984.58 m、1 980.69 m、1 978.74 m。分析防滲帷幕前后測壓管水位變化可知，其滲壓水頭折減幅度非常小，而通過實(shí)際探測得出大壩山體沒有出現(xiàn)滲流逸出或巖體潮濕情況。

綜上分析可知，水庫兩岸壩肩位置滲壓水位均存在偏高的情況，致使大壩壩肩浸潤線超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。分析兩壩肩滲壓水位偏高的可能原因有以下幾個(gè)方面：(1)水庫左右岸坡雖進(jìn)行了除險(xiǎn)加固施工，但并不能避免山體中微弱滲流的情況；(2)岸坡巖層中孔隙發(fā)育程度較高，山體內(nèi)部孔隙的毛細(xì)作用較為強(qiáng)烈，為滲流提供了便利條件；(3)山體內(nèi)部缺少排水設(shè)施，排水不暢。雖防滲帷幕前后滲壓水位折減幅度較小，但考慮壩肩滲流水位與庫水位變化規(guī)律基本一致，因此，分析水庫兩岸壩肩的滲流仍處于一較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

3　水庫壩坡穩(wěn)定性分析

為驗(yàn)證觀測推算結(jié)果，通過理論計(jì)算過程進(jìn)一步了解水庫穩(wěn)定性。計(jì)算前通過鉆孔取樣測試大壩土體物理指標(biāo)參數(shù)，設(shè)計(jì)在壩體不同位置進(jìn)行鉆孔檢查，鉆孔數(shù)量7個(gè)，獲取土體樣本48組，實(shí)驗(yàn)測得土體參數(shù)見表1。

表1　土體物理力學(xué)參數(shù)

3.1計(jì)算方法

水庫壩坡穩(wěn)定性分析依據(jù)剛體極限平衡法，采用瑞典圓弧法與簡化畢肖普法兩種方法，共同計(jì)算壩坡在不同工況條件下的最小安全系數(shù)。依據(jù)相關(guān)規(guī)定[5]要求，壩坡穩(wěn)定性分析計(jì)算工況選擇三種：

工況一：水庫正常蓄水位條件下的上下游壩坡；

工況二：庫水位急劇下降時(shí)期的上游壩坡，由于大壩心墻墻體主要為壤土，其滲透系數(shù)較低，庫水位急劇變化后壩體的浸潤線水位不會(huì)出現(xiàn)大幅度的波動(dòng)；出于水庫大壩安全運(yùn)行的要求，計(jì)算中仍按照穩(wěn)定滲流期間心墻浸潤線進(jìn)行，僅考慮水庫外部水位下降造成的影響。

工況三：正常蓄水位+7度地震，計(jì)算上下游壩坡。

3.2計(jì)算結(jié)果

水庫壩坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表2。

表2　壩坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可知，在各種計(jì)算工況下，壩坡最小安全系數(shù)都符合要求，結(jié)合滲流觀測結(jié)果，判定水庫上、下游壩坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4　結(jié)語

作為判斷壩體內(nèi)部滲流與安全的重要內(nèi)容，浸潤線觀測有助于了解水工建筑物內(nèi)部及地基的滲流場，對監(jiān)控與評價(jià)壩坡滲透安全性具有重要意義。下坂地水庫攔水大壩采取了多種防滲加固措施，防滲結(jié)構(gòu)工作正常，壩體滲流穩(wěn)定；而壩肩由于巖層情況特殊，導(dǎo)致滲壓水位偏高，但總體仍處于穩(wěn)定滲流狀態(tài)。結(jié)合滲流觀測與理論計(jì)算，認(rèn)為下坂地水庫現(xiàn)階段水庫壩坡較為穩(wěn)定，但需對兩岸滲流進(jìn)行進(jìn)一步檢測分析。

[1]劉寧.對中國水工程安全評價(jià)和隱患治理的認(rèn)識[J].中國水利.2005,13(22):27-31.

[2]蔣春霞.土石壩滲流觀測方法分析[J].黑龍江水利科技.2011.39(5):58-59.

[3]劉金輝.昌馬水庫大壩浸潤線觀測分析[J].水利工程.2013,08:94-95.

[4]張健民，李中樾.阿哈水庫黏土斜墻壩滲流及壩坡穩(wěn)定性分析[J].貴州水力發(fā)電.2007,03:76-80.

[5]SL274-2001.碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中華人民共和國水利部.2002.

2016-03-21

郭濤(1974-)，男，河南項(xiàng)城人，工程師，主要從事水利工程建設(shè)與管理工作。

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