河口村水庫初期蓄水滲漏與變形安全評價

劉耀宗++翟春明+李陸明

【摘要】河口村水庫大壩為混凝土面板堆石壩，自2014年9月25日正式開始下閘蓄水，大壩目前發(fā)現(xiàn)三段滲水處，滲水量占沁河多年平均徑流量的0.93%。大壩整體最大沉降量占壩高（含基礎(chǔ)）的0.74%，壩體及壩基變形趨于穩(wěn)定。壩肩繞滲測壓管水位和上游水位總體變化正常，隨上游水位的變化而變化。壩基應(yīng)力均處于受壓狀態(tài)，混凝土面板大部分呈受壓狀態(tài)，防滲墻鋼筋拉、壓應(yīng)力均有，但應(yīng)力值普遍較低，總體變化較小。根據(jù)對壩體、壩基、混凝土面板及防滲墻的變形、應(yīng)力及滲漏情況分析，大壩目前工作狀態(tài)正常，大壩是安全的。

【關(guān)鍵詞】滲漏；變形；評價包含

【Abstract】Hekoucun Reservoir is a concrete face rockfill dam. Three water penetration points have been found since September 25， 2014， the official start of the brake under water. The water seepage flow account for 0.93 percent of annual average runoff volume of Qin river. The maximum settlement value of the dam account for 0.74 percent of the dam height （include basic）. The deformation of the dam body and the dam foundation have been stabilized. The change of the piezometric level and the upper level is normal along with the change of the upper level. Stress in the dam foundation and the concrete face is in a state of compression. There are tensile stress and pressure stress in the rebar of the diaphragm wall， but the stress value is low general and the change is less overall. According to the transformation and stress of the dam body ， the dam foundation， the concrete face and the diaphragm wall， working condition of the dam is normal. The dam is safe.

【Key words】Leakage；Deformation；Assessment

1. 工程概況

（1）村水庫位于黃河一級支流沁河上，控制流域面積9223 Km2，是控制沁河洪水的關(guān)鍵工程，也是黃河下游防洪工程體系的重要組成部分。河口村水庫以防洪供水為主，兼顧灌溉、發(fā)電、改善下游生態(tài)基流。

（2）河口村水庫工程規(guī)模為大（2）型，工程等別為Ⅱ等，由大壩、泄洪洞、溢洪道及引水電站組成，總投資約27.75億元，總工期60個月。水庫按500年一遇設(shè)計，2000年一遇校核，設(shè)計（校核）水位285.43 m，正常高水位275.0 m，死水位225.0 m，總庫容3.17億 m3。

2. 壩址區(qū)地質(zhì)概況

2.1地質(zhì)概況。

（1）大壩左右岸地層由饅頭組板狀白云巖、泥灰?guī)r及頁巖、汝陽群石英砂巖及登封群花崗片麻巖及第四系覆蓋層組成。左壩肩屬褶皺斷裂發(fā)育區(qū)，構(gòu)造發(fā)育，巖體破碎，F(xiàn)11、F12、F14斷層、龜頭山褶皺束分布在其間其次左壩肩分布有古滑坡體及其他第四系堆積物。右岸壩肩存在寒武系∈1m3地層易風(fēng)化、泥化及發(fā)育巖溶現(xiàn)象，易產(chǎn)生滲漏。

（2）河床存在基巖深槽，上部為覆蓋層，由漫灘及高漫灘河流沖積、洪積層組成。一般厚30 m，最大厚41.87 m。巖性為含漂石及泥的砂卵石層，夾4層連續(xù)性不強的粘性土及19個砂層透鏡體。

2.2壩址區(qū)水文地質(zhì)概況。

2.2.1通過對庫區(qū)地形地貌及水文地質(zhì)條件的調(diào)查與分析，水庫蓄水后可能發(fā)生永久性滲漏的地段，應(yīng)在大壩左岸老斷溝～謝莊～山口河、左岸老斷溝～謝莊岸坡庫水向五廟坡斷層帶、右岸圪料灘～余鐵溝（右岸遠(yuǎn)岸）庫岸段及右岸嚇魂灘～余鐵溝（右岸中遠(yuǎn)岸）滲漏段等近壩庫區(qū)附近。大壩右岸滲漏區(qū)域分（1）疙料灘～余鐵溝段滲漏（遠(yuǎn)岸段）；（2）嚇魂灘～余鐵溝段滲漏（中遠(yuǎn)岸段）；（3）右岸近岸區(qū)向余鐵溝滲漏段。其中右岸近岸區(qū)向余鐵溝滲漏段位是可能產(chǎn)生右壩肩繞滲的重點地段。

2.2.2右岸為～向北緩傾的單斜構(gòu)造，出露巖層自下而上有登封群變質(zhì)巖、汝陽群碎屑巖、寒武系碳酸鹽巖與頁巖，透水層與隔水層相互成層分布。寒武系饅頭組下部構(gòu)造含水巖組（或透水層）。此層為構(gòu)造作用形成的拖曳褶皺層及上、下影響帶，主要包括∈1m1～∈1m4下部約10 m，厚32 m～34 m，巖性為白云巖、泥灰?guī)r及頁巖，底板高程200m～230 m，順河延伸長度5.0 Km，至張莊附近潛入河底，主要強透水層為∈1m4下部至∈1m1巖層組成的構(gòu)造透水層，是壩肩繞滲的主要通道。

2.2.3考慮到水庫蓄水后，承受高水頭作用，徑流帶大部分屬于層間承壓性的滲流形式，而下游出溢段為潛流滲流形式。其滲流途徑，一種可能是繞壩肩呈半園弧形自上游向下游壩后河谷排泄，另一種可能是上游呈弧形，下游呈直線向余鐵溝方向排泄。經(jīng)比較，在其它條件不變的情況下，前者平均坡降為0.129，后者為0.09，滲漏量最大的屬前一滲透途徑。經(jīng)估算近岸段滲漏量為0.192 m3/s=691.2 m3/h =16576 m3/d。

3. 大壩及防滲體系設(shè)計簡介

3.1大壩布置。大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高122.5m，壩頂高程288.5 m，防浪墻高1.2 m，壩頂長530.0 m，壩頂寬9.0 m，上、下游壩坡均為1：1.5。壩體從上游至下游依次布置為混凝土面板、擠壓邊墻、墊層料、過渡料、主堆石、次堆石及下游護(hù)坡。上游死水位以下設(shè)粘土、粉煤灰及石渣壓蓋，壩后設(shè)棄渣壓戧平臺。河床段面板基礎(chǔ)設(shè)在深覆蓋層上，面板前基礎(chǔ)設(shè)混凝土防滲墻，防滲墻及其以下53 m范圍河床基礎(chǔ)采用高壓旋噴樁加固。

3.2壩體防滲（面板）體系。主要有面板及趾板組成；布置在大壩上游坡面，面板頂部厚0.3 m，底部厚0.72 m；面板混凝土強度等級C30，采用雙層雙向配筋。河床部位面板基礎(chǔ)趾板坐落在深覆蓋層上，兩岸趾板坐落在基巖上；兩岸趾板后設(shè)防滲板以延長滲徑，趾板、防滲板及連接板混凝土強度等級均為C25。

3.3壩基防滲體系。

3.3.1防滲墻。由于河床段面板基礎(chǔ)（趾板）未挖到基巖，直接坐落在河床深覆蓋層上，為防止大壩基礎(chǔ)漏水，在大壩面板趾板前沿河床全斷面做一道混凝土防滲墻，墻長114 m，墻厚1.2 m，墻底嵌入基巖1.0 m，最大墻高28 m，河床趾板與基礎(chǔ)防滲墻通過4.0 m寬連接板連接。

3.3.2壩基基礎(chǔ)帷幕。

（1）大壩河床段設(shè)防滲墻，左、右岸趾板基礎(chǔ)下均設(shè)帷幕灌漿，提高基巖的整體性和防滲能力。大壩基礎(chǔ)帷幕布置從左岸溢洪道至右岸壩肩，并向右岸壩肩延長210 m，左岸山體由于受五廟坡斷層影響，導(dǎo)致庫區(qū)滲水嚴(yán)重，帷幕向左岸庫區(qū)延長1200 m。

（2）帷幕深度根據(jù)大壩建筑物級別及規(guī)范要求按3Lu控制，帷幕布置1～2排，間排距1.5 m～2.0 m，灌漿壓力0.3～3MPa。

4. 初期蓄水滲水情況

自2014年9月25日正式開始下閘蓄水，大壩目前發(fā)現(xiàn)滲水的地段有三段：大壩右岸下游壩腳山坡側(cè)地質(zhì)探洞、大壩右岸壩肩帷幕延伸段2#灌漿洞、壩后圍堰下游量水堰蓄水池。

4.1地質(zhì)探洞滲水。水庫從2014年9月25日正式下閘蓄水，2015年4月上旬發(fā)現(xiàn)大壩右壩肩壩下約135 m處地質(zhì)探洞出現(xiàn)滲水，滲水早期不很大，隨著水位上漲略有增加，早期監(jiān)測滲水量約在11 m3/h（3 L/s，庫水位243 m左右）；中間到達(dá)最大20 m3/h（約6 L/s，庫水位達(dá)到250 m左右），并隨庫水位的變化而變化。2015年6月份因汛前庫水要放至238 m高程以下，以滿足度汛要求，從2015年6月23日水庫開始放水至6月29日，庫水位降到233.64 m時，探洞滲水量已降到7 m3/h（約2.5 L/s）。后期一直到今年汛期，地質(zhì)探洞的滲水量基本穩(wěn)定在10 m3/h左右，直到前一段隨著庫水位的升高，地質(zhì)探洞滲水漸漸有所增加，但相對于去年增加幅度不很大，當(dāng)庫水位達(dá)到260 m高程時，前幾天觀測探洞滲水約為24.4 m3/h（約6.8 L/s），這兩天又觀測探洞滲水下降為14.6 m3/h（約4 L/s），但庫水位沒有下降，說明地質(zhì)探洞前一段滲水較大與降雨影響有關(guān)。

4.2壩后圍堰處量水堰蓄水池滲水。壩后量水堰設(shè)在壩后圍堰下游，距壩軸線約600 m，其中大壩壩基排水帶延至壩后圍堰從壩后圍堰穿出，即在壩基排水帶末端設(shè)置滲水蓄水池。蓄水池排水口處設(shè)置量水堰。該量水堰于2015年初建成使用，隨著庫水位的上升，量水堰蓄水池開始積水，2015年2月下旬蓄水池積水漫過量水堰，根據(jù)3月初監(jiān)測的量水堰最大滲水達(dá)200 m3/h（56 L/s，庫水位約242 m左右），以后基本維持在該標(biāo)準(zhǔn)左右。2016年后，隨著汛后水位的逐漸上升，近期監(jiān)測滲水量達(dá)到507.6 m3/h（141 L/s，庫區(qū)水位約260 m左右）。

4.32#灌漿洞滲水。2#灌漿洞位于大壩右岸，和壩頂上層1#灌漿洞同軸布置，主要為大壩右壩肩為防止繞滲進(jìn)行帷幕的低層灌漿廊道。水庫至2104年蓄水以來，2015年水庫蓄到250m高程時，2#灌漿洞進(jìn)本不滲水，僅局部裂縫處有微小滲水，后對裂縫進(jìn)行了處理。2016年以來，由于水庫蓄水位的增加，最高蓄到260 m高程時，前一段發(fā)現(xiàn)2#灌漿洞出現(xiàn)明顯滲水。洞內(nèi)明顯滲水12處，其中5處是由于灌漿洞襯砌裂縫導(dǎo)致，還有7處位于混凝土伸縮縫處。有2處滲水稍大，一處位于機(jī)窩處，在機(jī)窩內(nèi)洞頂混凝土縱橫向接縫處都有滲水；另一處是在襯砌伸縮縫處。滲水位置分別出現(xiàn)在洞頂，上游墻、下游墻等位置。根據(jù)滲水后匯集到排水溝檢測，滲水量約1.54 L/s，約為5.5 m3/h。

5. 水庫初期蓄水滲漏與變形安全評價

5.1觀測資料分析評價。為觀測大壩壩體及壩基、面板及基礎(chǔ)設(shè)施的變形及滲漏等情況，均埋設(shè)有觀測儀器。下面根據(jù)主要觀測資料分析大壩的工作狀態(tài)。

5.1.1壩體變形。根據(jù)近期觀測資料分析，大壩自下閘蓄水以來，壩體及壩基沉降變形很小，蓄水兩年多來，雖庫水位有所增加，但壩基沉降變形相對于剛蓄水時累積增加了20 mm左右，目前壩基最大沉降789 mm，大壩整體最大沉降1126 mm，現(xiàn)階段大壩整體最大沉降約占壩高（含基礎(chǔ)）的0.74%，壩體及壩基變形已趨于穩(wěn)定。

5.1.2壩基滲漏。壩基及趾板根據(jù)觀測資料分析，2015年第一季度的壩基滲水水位在169.63 m～180.08 m之間，當(dāng)前壩基滲水水位在168.43 m～185.58 m之間，變化不很大。

5.1.3壩肩繞滲。壩肩繞滲測壓管水位和上游水位有一定相關(guān)性，個別點受雨水季節(jié)巖體滲水影響，但總體變化正常，隨上游水位變化而變化。

5.1.4壩基應(yīng)力。監(jiān)測結(jié)果表明，當(dāng)前應(yīng)力測值在-27.39 MPa～-15.19 MPa之間，應(yīng)力均處于受壓狀態(tài)，總體變化量較小，測值變化穩(wěn)定。

5.1.5面板變形。混凝土面板當(dāng)前鋼筋應(yīng)力測值在-48.32 MPa～15.77 MPa之間，且大部分呈受壓狀態(tài)，普遍較小，混凝土微應(yīng)變當(dāng)前測值在-46.8 με～28.41 με之間，總體變化不大。局部面板脫空變形2015年年初觀測最大約為20 mm，兩年后脫空變形值約28 mm，增加約8 mm。面板撓度早期變形微小，近期隨著蓄水升高而有所反應(yīng)，但撓度不是很大，上述值均在設(shè)計控制范圍之內(nèi)。

5.1.6防滲墻。

（1）防滲墻內(nèi)滲壓除有幾只墻后儀器因在安裝埋設(shè)時可能被混凝土或水泥漿液包裹，測值較異常，其他儀器監(jiān)測正常，個別點墻后與上游水位有一定相關(guān)性，其余基本上與上游水位變化影響不大，說明墻體防滲效果良好。防滲墻鋼筋拉、壓應(yīng)力均有，應(yīng)力測值在-37.06 MPa～4.05 MPa之間，但應(yīng)力值普遍較低，總體變化較小。

（2）根據(jù)上述大壩近期的觀測資料分析，壩體、壩基、面板及防滲墻的變形、應(yīng)力及滲漏情況分析大壩目前工作狀態(tài)正常，是安全的。

5.2壩后滲漏對水庫影響分析評價。據(jù)前面所述分析，雖然壩后存在滲水現(xiàn)象，但大壩目前工作狀態(tài)正常，是安全的。但由于三處滲水（除壩后量水堰蓄水池滲水不能真實反映，但也從側(cè)面反映了壩基是存在滲水的）是真實存在的，雖然尚未影響大壩的安全，但滲水可能影響水庫的蓄水及興利作用。

5.2.1大壩右岸滲漏原因初步分析。除壩基外，地質(zhì)探洞和2#灌漿洞滲水均位于大壩右岸，初步判斷應(yīng)是壩肩繞滲造成，根據(jù)現(xiàn)場查看情況，結(jié)合已有的觀測資料初步分析，認(rèn)為本次滲漏原因存在以下幾種可能：

（1）右岸山體防滲帷幕施工過程中可能有部分地段灌漿效果不好，留有“空窗”，帷幕未達(dá)到封閉效果，近岸庫水通過帷幕間的缺陷段繞滲至壩下。這種原因已得到部分驗證，根據(jù)2#灌漿洞的滲水現(xiàn)象，說明至少在這些地方附近帷幕是有滲漏的，且有一定的滲壓。

（2）右岸原有防滲帷幕范圍不夠，庫水繞過帷幕滲漏所致。主要依據(jù)是根據(jù)現(xiàn)場對右岸帷幕端點外30m左右的原ZK67地質(zhì)鉆孔觀測水位，發(fā)現(xiàn)其與庫水基本保持同步升降，水位差保持在1～4 m?？紤]到該孔位于山體內(nèi)部，距最近的庫岸也有200 m遠(yuǎn)，說明該孔處與庫水連通性較好，庫水與該孔間可能存在較為通暢的滲漏通道。但ZK67與地質(zhì)探洞的滲漏是否存在滲漏通道尚不能確定。

（3）庫水通過右岸中遠(yuǎn)岸發(fā)生的滲漏。根據(jù)前期勘察結(jié)論，右岸中遠(yuǎn)岸的滲漏因滲漏總量較小且距離水庫建筑物較遠(yuǎn)，防滲代價高，因此沒有針對這部分進(jìn)行防滲。壩下的余鐵溝附近是庫水中遠(yuǎn)岸滲漏出口所在，地質(zhì)探洞雖然不在余鐵溝內(nèi)，但其距余鐵溝口也不過200 m遠(yuǎn)，完全有可能成為右岸中遠(yuǎn)岸滲漏出口的一部分。根據(jù)目前的庫水位高程和構(gòu)造透水層的高程，也不能排除這種可能。

5.2.2壩后量水堰蓄水池滲漏原因分析。壩后量水堰蓄水池滲漏，但由于該量水堰蓄水池基礎(chǔ)做在河床深覆蓋層上，蓄水池基礎(chǔ)并未把河床砂卵石基礎(chǔ)截斷，兩端也未與山體連接，并且該量水堰蓄水池距離壩基較遠(yuǎn)，中間尚有大壩右岸余鐵溝沖溝天然滲水，因此該量水堰不能完全反映壩基滲漏，但存在壩基滲漏的事實，且隨庫水位升高有增大趨勢。一是可以從壩基埋設(shè)滲壓計監(jiān)測的滲壓水頭目前在185.5 m左右，而量水堰蓄水池底高程為168.5 m，存在一定水頭差，根據(jù)量水堰的觀測今年滲水量明顯比去年增大；其次早期量水堰蓄水池滲水點一般都在蓄水池水面以下，但近期滲水點明顯有所提高，個別點已出現(xiàn)在水面以上；當(dāng)然也不排除近期降雨較為頻繁，余鐵溝及兩岸巖體滲水加大有一定影響。

5.2.3水庫允許滲漏控制標(biāo)準(zhǔn)及評價。任何一個水庫建成后，不可能完全不滲水，但需控制在允許范圍內(nèi)，否則影響水庫的作用。根據(jù)《水利水電工程水文地質(zhì)勘查規(guī)范》[]，當(dāng)滲漏量小于河流多年平均流量的3%時為輕微滲漏，滲漏量在3～10%之間為中等滲漏，滲漏量大于10%為嚴(yán)重滲漏。正常水庫的滲漏量應(yīng)控制在河流多年平均流量的3%以內(nèi)，河口村水庫多年平均流量為15.85 m3/s，計算水庫允許滲漏量為0.476 m3/s；另外根據(jù)水庫有關(guān)設(shè)計規(guī)范，水庫滲漏另一種控制標(biāo)準(zhǔn)是按水庫庫容的十萬分之2～5控制，如按最小的十萬分之二控制，計算水庫允許滲漏量為0.58 m3/s。目前地質(zhì)探洞和2#灌漿洞滲水量累積為30m3/h，換算為0.008 m3/s，從這兩處滲水來看滲水量是很小的。如果考慮壩后量水堰的滲水，由于壩后量水堰的滲水不能真實反映壩基的滲水量，有一部分滲水來自兩岸巖體以及壩后右岸余鐵溝，即使把壩后量水堰的滲水都算作是壩基滲水，其目前壩基最大滲水量為0.14 m3/s，加上右岸兩處滲水為0.148 m3/s（占多年平均徑流量的0.93%），也未超出水庫允許的滲漏量。當(dāng)然目前水庫尚未達(dá)到最高蓄水位275 m，還差15 m，但目前壩前水頭已經(jīng)達(dá)到95 m。

5.2.4水庫滲漏計算控制的標(biāo)準(zhǔn)。

（1）在建設(shè)早期，曾對河口村水庫進(jìn)行了庫壩區(qū)滲漏專題研究，研究專題進(jìn)行了水庫采取防滲措施和不采取防滲措施比較分析計算。水庫目前已經(jīng)實施的防滲措施就是計算采取的防滲措施，該防滲措施沿整個壩基一直到左右岸，并向左右岸各延伸一段進(jìn)行帷幕灌漿。并采用解析法與數(shù)值模擬法兩種方法進(jìn)行比較，兩種方法計算結(jié)果相近，以采用數(shù)值法計算為準(zhǔn)。

（2）數(shù)值法計算是委托華北水利水電學(xué)院利用國際上常用的地下水模擬系統(tǒng)GMS（Groundwater Modeling System）軟件對水庫庫壩區(qū)進(jìn)行了三維地下水滲流數(shù)值模擬，對近庫壩區(qū)不同工況條件下的右岸、左岸和壩基滲漏量分別進(jìn)行了計算，計算結(jié)果見表1。

（3）根據(jù)上表計算結(jié)果，按照目前的防滲體系，水庫的最大允許滲水量應(yīng)為0.412 m3/s（占河道多年平均流量的2.6%），因此即便是壩基量水堰的滲水都認(rèn)為是壩基的滲水包括右岸的滲水加起來也只有0.148 m3/s，未超出計算控制的標(biāo)準(zhǔn)。

6. 結(jié)語

根據(jù)以上所述，目前觀測到的滲漏及變形量基本在前期勘察計算的范圍內(nèi)，也在規(guī)范允許可控范圍之內(nèi)，對水庫發(fā)揮其既定功能無大的影響。

參考文獻(xiàn)

[1]高廣禮，李清波等.SL 373-2007水利水電工程水文地質(zhì)勘查規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2007.

[文章編號]1619-2737（2017）06-20-504

[作者簡介] 劉耀宗（1972-），男，漢族，籍貫：河南省光山縣人，職稱：高級工程師，工作單位：河南省前坪水庫溢洪道工程項目經(jīng)理，研究方向：長期從事水利水電工程施工與技術(shù)工作。