某粘土斜心墻壩滲壓計(jì)測(cè)值異常與滲流穩(wěn)定分析

呂高峰，王玉潔，周建波，朱錦杰，郭玉嶸

（國(guó)家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，311122）

某粘土斜心墻壩滲壓計(jì)測(cè)值異常與滲流穩(wěn)定分析

呂高峰，王玉潔，周建波，朱錦杰，郭玉嶸

（國(guó)家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，311122）

針對(duì)某粘土斜心墻壩內(nèi)滲壓計(jì)測(cè)值異常增大的現(xiàn)象，結(jié)合儀器埋設(shè)情況，綜合分析測(cè)值異常增大原因。利用有限元分別計(jì)算測(cè)值異常增大前后的滲流場(chǎng)，并進(jìn)行對(duì)比分析，以掌握異常增大對(duì)粘土斜心墻及滲流穩(wěn)定的影響，為工程后期運(yùn)行提供參考性意見。

粘土；斜心墻；滲壓計(jì)；滲流；穩(wěn)定

1 工程概況

某水電站樞紐工程由土石壩、泄洪閘、廠房、混凝土重力壩等主要建筑物組成。最大壩高37.6 m，總長(zhǎng)465 m，呈一字形攔河布置。河床式廠房布置在河床右岸河灘上，通過(guò)重力壩與右岸岸坡相連，泄洪閘布置在右岸河灘廠房的左側(cè)，土石壩緊靠泄洪閘布置在主河床上，通過(guò)混凝土擋土墻與左岸岸坡相連。

左岸土石壩總長(zhǎng)208.29 m，壩頂高程2 052.00 m，壩頂寬10.0 m。壩體上游坡比1∶2.5，下游坡比1∶2.0。防滲采用粘土斜心墻防滲體，防滲體上游坡比1∶2.0，下游坡比1∶1.5，頂寬4.0 m。壩體結(jié)構(gòu)自上游至下游分別為：砂礫石壩殼層、砂礫過(guò)渡料層、粘土防滲體、砂礫過(guò)渡料層、卵礫石層、砂礫石壩殼層和塊石防護(hù)層。

左岸土石壩基礎(chǔ)為砂礫石，厚4～8 m，其下為巖石。基礎(chǔ)采用C25混凝土防滲墻防滲，設(shè)計(jì)防滲墻長(zhǎng)約168 m，厚0.8 m，底部深入基巖弱風(fēng)化層下線以下0.5 m，頂部嵌入壩體粘土斜墻內(nèi)以形成封閉的防滲體。左岸土石壩典型斷面見圖1。

2 滲壓計(jì)布置情況

為監(jiān)測(cè)粘土斜心墻壩內(nèi)的浸潤(rùn)線和滲透壓力，在土石壩典型斷面上布置滲壓計(jì)4支，編號(hào)為UP1～UP4，分別位于壩體（壩上0-005.00，高程2 045 m）及壩基（壩下0+000.00、高程2 030 m，壩下0+030.00、高程2 030 m，壩下0+048.00、高程2 029 m），滲壓計(jì)布置見圖1。滲壓計(jì)采用測(cè)壓管式安裝埋設(shè)法，測(cè)壓管花管段長(zhǎng)為1 m，鋼護(hù)管不透水段豎直往上大致延伸到壩體壩殼料內(nèi)，鋼護(hù)管口由鋼蓋板覆蓋，管內(nèi)滲壓計(jì)電纜從管口蓋板引出沿著土壩壩殼料往上延伸到壩頂，見圖2。

3 滲壓計(jì)數(shù)據(jù)異常分析

滲壓計(jì)UP1和上游水位的測(cè)值過(guò)程線見圖3，由圖可知：2006～2010年期間，UP1的測(cè)值存在明顯的跳躍，上升過(guò)程基本都是突變，下降過(guò)程普遍存在漸變的過(guò)程，且異常增大后的峰值與庫(kù)水位多年平均值2 049.64 m相差很小。

圖1 左岸土石壩典型斷面及滲壓計(jì)布置圖Fig.1 Typicalcross section of the earth rockfill dam dam on the left bank and the distribution of osmometers

圖2 滲壓計(jì)UP1電纜埋設(shè)示意圖Fig.2 The cable embedded for the osmometer UP 1

圖3 UP1滲壓計(jì)測(cè)值與上游水位典型時(shí)間段過(guò)程線Fig.3 Graph of the monitored value by osmometer UP1 and the upstream water level

圖4 是滲壓計(jì)UP2～UP4和下游水位的測(cè)值過(guò)程線，由圖可知：UP2～UP4的測(cè)值都接近下游水位的多年平均值2 035.77 m，且變化規(guī)律與下游水位類似，沒(méi)有像UP1那樣有明顯的突變。說(shuō)明UP2～UP4主要受下游水位影響，粘土斜心墻和防滲墻防滲作用總體良好。

滲壓計(jì)UP1埋設(shè)位置到粘土斜心墻下邊緣的距離很近，若UP1的異常增大測(cè)值可靠，庫(kù)水有可能穿透粘土斜心墻，對(duì)壩體滲流產(chǎn)生影響，但UP2～UP4的測(cè)值在UP1異常增大的時(shí)候沒(méi)有發(fā)生相應(yīng)變化，說(shuō)明UP1測(cè)得的異常增大的峰值不能代表粘土斜心墻相應(yīng)區(qū)域的水頭實(shí)際值。

綜合測(cè)值變化規(guī)律和儀器埋設(shè)情況得出：由于滲壓計(jì)鋼護(hù)管與蓋板之間焊縫損壞或者電纜引出部位密封存在問(wèn)題，當(dāng)庫(kù)水位超過(guò)管口高程后，庫(kù)水直接從管口進(jìn)入鋼護(hù)管，導(dǎo)致管內(nèi)滲壓計(jì)測(cè)值突然增大。當(dāng)庫(kù)水降落至管口高程以下，鋼護(hù)管內(nèi)水體慢慢從透水段滲走，滲壓計(jì)測(cè)值逐步減小。

2010年下半年開始，庫(kù)水位基本保持高水位運(yùn)行，滲壓計(jì)UP1測(cè)值也基本維持在較高水位，而且測(cè)值波動(dòng)幅度較前三年明顯減小，尤其是近一年多庫(kù)水位較為穩(wěn)定，UP1的高水位也基本穩(wěn)定。

圖4 滲壓計(jì)UP2～UP4和下游水位測(cè)值過(guò)程線Fig.4 Graph of the monitored value by osmometers UP2～UP4 and the downstream water level

4 滲流穩(wěn)定分析

近三年來(lái)，滲壓計(jì)UP1通過(guò)鋼護(hù)管與庫(kù)水相通，使UPI測(cè)值處于高水位情況。由于UP1埋設(shè)的位置距粘土斜心墻下邊緣較近，高水位對(duì)防滲不利，因此有必要分析鋼護(hù)管被水填充后的滲流場(chǎng)，為工程運(yùn)行提供參考性意見。根據(jù)土壩滲壓計(jì)埋設(shè)典型斷面建立三維有限元模型，分別模擬管口產(chǎn)生滲漏通道前后的滲流場(chǎng)并進(jìn)行對(duì)比分析，以了解管口產(chǎn)生滲漏通道對(duì)滲流場(chǎng)的影響。

建模區(qū)域包括壩軸線上游300 m到壩軸線下游260 m，壩頂高程2 052 m到基巖高程2 018 m，包括了表層覆蓋層和強(qiáng)弱風(fēng)化基巖，壩軸向?qū)挒?0 m，單元總數(shù)11 550個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)13 618個(gè)。有限元網(wǎng)格模型見圖5。為模擬管口產(chǎn)生滲漏通道后的滲流場(chǎng)，鋼護(hù)管的網(wǎng)格在水平向剖分成0.1 m的正方形，網(wǎng)格尺寸往外遞增。

圖5 粘土斜心墻壩滲壓計(jì)埋設(shè)斷面三維有限元網(wǎng)格Fig.5 3D FEM grid of the osmometer embedment section of the clay sloping core dam

為分析鋼護(hù)管產(chǎn)生滲漏通道前后的情況，計(jì)算考慮兩種方案。

方案一：鋼護(hù)管和鋼蓋板完好，上游表面節(jié)點(diǎn)作為已知水頭邊界。上游水位采用上游多年平均水位2 049.64 m，下游水位采用下游多年平均水位2 035.77 m。

方案二：管口產(chǎn)生滲漏通道，庫(kù)水進(jìn)入鋼護(hù)管，上游表面和滲壓計(jì)周邊1 m的花管段作為已知水頭邊界。上游水位采用上游多年平均水位2 049.64 m，下游水位采用下游多年平均水位2 035.77 m。

按照壩體設(shè)計(jì)和地質(zhì)資料將模型分為13種材料。材料參數(shù)參考該工程蓄水和竣工安全報(bào)告所提供的參數(shù)，防滲墻滲透系數(shù)為2.50×10-9cm/s，粘土斜心墻為4.1×10-7cm/s，覆蓋層內(nèi)的砂卵礫石為7.14×10-2cm/s。其他材料參數(shù)按照其他工程選取。

圖6和圖7分別為方案一和方案二壩體內(nèi)部水頭等值線和浸潤(rùn)線分布圖，由圖可知：

圖6 方案一浸潤(rùn)線和水頭等值線分布圖Fig.6 Distribution of phreatic line and the water head contour lines in scheme 1

圖7 方案二浸潤(rùn)線和水頭等值線分布圖Fig.7 Distribution of phreatic line and the water head contour lines in scheme 2

（1）方案一計(jì)算得到的UP1、UP2、UP3和UP4值與假設(shè)管口產(chǎn)生滲漏通道前的實(shí)測(cè)值較為接近，說(shuō)明計(jì)算參數(shù)的選取與實(shí)際情況比較吻合。

（2）方案二計(jì)算得到的UP1、UP2、UP3和UP4值與假設(shè)管口產(chǎn)生滲漏通道后的實(shí)測(cè)值較為接近。說(shuō)明UP1異常增大的原因是管口產(chǎn)生了滲漏通道。

（3）管口產(chǎn)生滲漏通道前后，浸潤(rùn)線與水頭等值線總體情況基本一致，但管口產(chǎn)生滲漏通道后，滲壓計(jì)UP1附近水頭等值線變得非常密集，浸潤(rùn)線下凹。

管口產(chǎn)生滲漏通道前，滲壓計(jì)UP1附近的最大滲透坡降在0.5左右，管口產(chǎn)生滲漏通道后，滲壓計(jì)UP1附近個(gè)別網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的滲透坡降達(dá)到了6左右，管口產(chǎn)生滲漏通道后，庫(kù)水的進(jìn)入使粘土斜心墻局部承受的水力坡降增大。以上計(jì)算是假定滲壓計(jì)UP1實(shí)際埋設(shè)位置在設(shè)計(jì)位置進(jìn)行的，假如滲壓計(jì)UP1埋設(shè)位置在粘土斜心墻和過(guò)渡料之間，計(jì)算得到的浸潤(rùn)線在滲壓計(jì)UP1埋設(shè)位置更加下凹，滲壓計(jì)UP1埋設(shè)位置附近的滲透坡降將達(dá)到11左右。在左右岸方向，管口產(chǎn)生滲漏通道庫(kù)水進(jìn)入鋼護(hù)管影響的區(qū)域也在1～2 m之間，影響范圍較小。

2010年下半年開始，庫(kù)水位和UP1的測(cè)值基本處于高水位，沒(méi)有跌落到2 046.5 m左右，庫(kù)水與滲壓計(jì)長(zhǎng)期相通。覆蓋層內(nèi)滲壓計(jì)UP2的測(cè)值在2006年到2009年底有一定的減小趨勢(shì)，近三年有一定的增大趨勢(shì)，但沒(méi)有像UP1那樣產(chǎn)生突變，UP3和UP4處于穩(wěn)定變化狀態(tài)，沒(méi)有趨勢(shì)性或者突變，說(shuō)明粘土斜心墻暫時(shí)沒(méi)有發(fā)生滲透破壞，壩體內(nèi)部滲流處于穩(wěn)定狀態(tài)。需要密切關(guān)注各滲壓計(jì)的測(cè)值，以防斜心墻粘土在庫(kù)水的重復(fù)作用下產(chǎn)生破壞。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)壩體內(nèi)部滲壓計(jì)測(cè)值異常，綜合測(cè)值變化規(guī)律和儀器埋設(shè)情況，初步判斷滲流異常原因?yàn)闈B壓計(jì)UP1外鋼護(hù)管管口產(chǎn)生滲漏通道，庫(kù)水經(jīng)管口破損處流入鋼護(hù)管，到達(dá)滲壓計(jì)附近。為了解鋼護(hù)管充滿庫(kù)水后對(duì)壩體的影響，利用有限元模擬了管口產(chǎn)生滲漏通道前后土壩的滲流場(chǎng)并進(jìn)行對(duì)比分析，得出鋼護(hù)管產(chǎn)生滲漏通道后滲壓計(jì)UP1附近的滲透坡降明顯增大，對(duì)粘土斜心墻不利。近幾年滲壓計(jì)UP1始終保持較高的測(cè)值，護(hù)管與庫(kù)水已經(jīng)長(zhǎng)期連通，對(duì)滲流穩(wěn)定不利。計(jì)算分析同時(shí)得出UP1附近的滲透坡降增大范圍不大，粘土斜心墻下游側(cè)的滲壓計(jì)實(shí)測(cè)值也沒(méi)有明顯趨勢(shì)性變化或突變，說(shuō)明當(dāng)前粘土斜心墻的局部缺陷對(duì)整體滲流無(wú)明顯影響。電站運(yùn)行過(guò)程中需密切關(guān)注壩體壩基的滲壓變化。 ■

[1]毛昶熙.滲流計(jì)算分析與控制（第二版）[M].北京：中國(guó)水利水電出版社,2003.

[2]張嘎,張建民,江春波.溪洛渡水電站上游圍堰滲流分析及防滲型式比較[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2002(1)：82-87.

[3]叢藹森.多層地基深基坑的滲流穩(wěn)定問(wèn)題探討[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009(10)：2018-2023.

[4]張慧,趙堅(jiān),盛宏.面板砂礫石壩三維滲流敏感性分析[J].水電能源科學(xué),2012(9)：73-76.

作者郵箱：lv_gf2@ecidi.com

Analysis on abnormal measured value by osmometer and seepage stability in clay sloping core

dam

by LV Gao-feng,WANG Yu-jie,ZHOU Jian-bo,ZHU Jin-jie and GUO Yu-rong Large Dam Safe?ty Supervision Center,National Energy Administration

Aiming atthe abnormalincrease ofmeasured seepage pressure in clay sloping core dam,the reason for abnormal increase is comprehensively analyzed combining with the instrument embedment. In order to know the effectofabnormalincrease on the seepage stability and clay sloping core and pro?vide reference forengineering operation,the FEM to calculate the seepage field before and after the ab?normalincrease is carried out.

clay;sloping core;osmometer;seepage;stable

TV698.1

B

1671-1092（2017）01-0047-04

2014-06-23

呂高峰（1987-），男，浙江臨安人，工程師，碩士，主要從事大壩安全監(jiān)測(cè)和土石壩及巖土工程數(shù)值計(jì)算工作。