水庫大壩滲流監(jiān)測與分析

何興梅

（遼寧省水資源管理集團有限責(zé)任公司，遼寧沈陽110003）

水庫大壩滲流監(jiān)測與分析

何興梅

（遼寧省水資源管理集團有限責(zé)任公司，遼寧沈陽110003）

文中以某水庫主壩在1997.12.1—2005.12.1期間的揚壓力觀測和繞壩滲流觀測資料為基礎(chǔ)，進行了分析研究。分析結(jié)果表明：大壩揚壓力及繞壩滲流情況與大壩的防滲降壓措施、庫水位、地質(zhì)條件、降雨、施工質(zhì)量等因素有關(guān)；大壩揚壓力值在允許范圍內(nèi)，大壩左右岸存在不同程度的繞滲現(xiàn)象，說明大壩的防滲降壓措施是有效的，但應(yīng)加強觀測和分析；同時也表明自動化滲流觀測數(shù)據(jù)真實、可靠。

水庫大壩；自動化；滲流觀測；揚壓力

我國現(xiàn)有運行的水庫大壩中許多存在不同程度的缺陷和病害，嚴(yán)重的可使大壩失事。導(dǎo)致病害產(chǎn)生并影響其安全的因素很多，主要是運用過程中，長期受到水壓力、滲透、沖刷、磨損和氣蝕等物理作用及腐蝕、侵蝕等化學(xué)作用。特別是滲漏及滲透穩(wěn)定問題一直是水庫工程管理中的一個重要問題。若能加強觀測和管理，及時摸清和消除工程中存在的缺陷和隱患，就可避免一些事故的發(fā)生，或減輕事故破壞程度。

位于遼寧省大連市碧流河干流上某水庫，始建于1975年，1986年竣工，總庫容為9.34億m3。是一座以供水為主，兼顧防洪、灌溉、發(fā)電、養(yǎng)漁、旅游等綜合效益的大型水庫。水庫擋水建筑物由二級組成，即一座主壩和三座副壩，主壩是混合壩型，從左至右依次為瀝青心墻砂礫壩、混凝土重力壩、瀝青心墻堆石壩，壩頂高程74.3 m，最大壩高53.5 m，壩的全長708.5 m。滲流觀測包括主壩揚壓力觀測、左右岸繞壩滲流觀測、一副壩浸潤線觀測、二副壩滲流觀測和壩體滲流量觀測。文中主要以主壩滲流觀測為例進行研究分析。

1 觀測設(shè)備的布置

主壩滲流觀測是整個大壩觀測的主要內(nèi)容之一，包括揚壓力觀測和繞壩滲流觀測兩項內(nèi)容。觀測設(shè)備是由加拿大ROCTEST公司提供的自動化觀測系統(tǒng)，主要是振弦式滲壓計（Vibrating wire piezometer）、2380數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及作圖軟件。

1.1 揚壓力觀測點的布置

主壩廊道揚壓力觀測點布置按照“全面布置，重點考慮，點面結(jié)合”的原則，依次在排水廊道、灌漿廊道、壩段橫穿廊道及左聯(lián)接段布置揚壓力觀測點。表1所示為主壩揚壓力各觀測點具體位置情況，其中Y1、Y2為灌漿廊道揚壓力觀測點；Y3、Y9、Y10、Y12為排水廊道揚壓力觀測點；Y4-Y8為八號壩段橫穿廊道揚壓力觀測點；Y11為十四號壩段橫穿廊道揚壓力觀測點；Y13-Y20為廊道左聯(lián)接段揚壓力觀測點。

1.2 繞壩滲流觀測孔的布置

繞壩滲流觀測包括右岸和左岸兩部分。在這兩處各埋設(shè)了6支滲壓計，右岸標(biāo)記為RB-1A至RB-6A，左岸標(biāo)記為RB-7A至RB-12A。

2 觀測方法

自動化觀測系統(tǒng)中的各項觀測數(shù)據(jù)存儲在各自的測控單元（MCU）中，主機應(yīng)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將觀測數(shù)據(jù)傳入計算機后，再進行數(shù)據(jù)處理及分析。各項觀測同時進行人工比測，以確定自動觀測的可靠性。觀測時間均從1997年12月份開始。

表1 主壩揚壓力各觀測點具體位置

3 觀測資料

分析的觀測資料為1997-12-01至2005-12-01期間的觀測資料。

3.1 揚壓力觀測資料

主要有：滲壓計過程線、孔水位及上下游庫水位過程線；揚壓力與庫水位關(guān)系曲線；揚壓力比測過程線。

3.2 繞壩滲流觀測資料

主要有：滲壓計過程線；右岸孔水位過程線；孔水位與庫水位相關(guān)線；右岸繞壩滲流比測過程線。

4 觀測資料的分析

4.1 揚壓力觀測資料分析

分析測孔水位過程線、測值及上下游水位過程線可以看出，揚壓力與上下游庫水位有關(guān)，且與所在位置的帷幕、排水孔情況及地質(zhì)條件等各種因素有關(guān)，只是影響程度不一樣。一般來說，揚壓力隨上下游庫水位的漲落而升降。各測孔揚壓力值的變化幾乎沒有滯后現(xiàn)象。下面結(jié)合各觀測點的位置及地質(zhì)情況進行分析。

4.1.1 灌漿廊道和排水廊道處資料分析

從灌漿廊道和排水廊道的揚壓力觀測點的布置位置看，Y1-Y12均在上游灌漿帷幕的下游，Y1、Y2在灌漿廊道排水孔的上游，Y3、Y9-Y12在排水廊道排水孔的上游，Y4-Y8在八號壩段的橫穿廊道處，在灌漿廊道和排水廊道排水孔之間。據(jù)以往地質(zhì)勘查結(jié)果可知，Y1-Y12處的地質(zhì)條件均較好，滲壓系數(shù)都較小，甚至有的為負值，說明所觀測的孔水位低于下游庫水位。這些也表明該部位的防滲降壓措施是非常有效的，揚壓力值符合設(shè)計要求。

4.1.2 左聯(lián)接段處資料分析

揚壓力觀測點Y13-Y20在左聯(lián)接段處，雖然上游和左側(cè)均有灌漿帷幕，但因其位于F101和f12兩大斷層處，地質(zhì)條件不好，故滲壓系數(shù)很大，特別是Y14、Y15、Y16處的滲壓系數(shù)近于設(shè)計允許值[α′]≤0.3，其中較大值在Y16處，為2003年的0.224和2005年的0.212。

雖2005年庫水位較高，但揚壓值基本沒發(fā)生特殊的變化，只是隨著上下游庫水位的升降而略有變化，且最大的滲壓系數(shù)值也沒超過歷史上最大的滲壓系數(shù)值。通過計算分析知各測點的滲壓系數(shù)值均小于規(guī)范規(guī)定的а′≤0.3。這充分說明了混凝土壩廊道內(nèi)防滲及排水設(shè)施運行狀態(tài)良好，均起到了應(yīng)有的作用，即上游的灌漿帷幕與下游的排水孔真正起到了上堵下排的作用。

4.2 繞壩滲流觀測資料分析

從繞壩滲流觀測資料看，各測孔水位因其所在位置不同而有所變化，多數(shù)低于或接近于同期的庫水位，只有少數(shù)比庫水位高。影響繞壩滲流的因素很多，現(xiàn)從以下幾方面進行分析。

4.2.1 庫水位對測孔水位的影響

從孔水位與庫水位相關(guān)線知：各測孔水位變化的情況與庫水位的關(guān)系存在兩種情況。

1）庫水位對測孔水位產(chǎn)生一定影響。庫水位對繞壩滲流測孔水位變化的影響又分為三種情況：一是測孔水位幾乎與庫水位同步變化。二是測孔水位與庫水位變化趨勢相似。三是測孔水位與庫水位變化相似，且與山體水有關(guān)。

經(jīng)分析，水的來源主要為山體水，也可能會有上游庫水通過巖石裂隙或某些空隙的繞滲水，這也說明了左右壩頭可能存在裂縫，而成為上游庫水的滲漏通道，初步判斷以前在進行帷幕灌漿施工時，可能未與壩頭山體銜接好。今后應(yīng)重點觀測這些部位，以便深入分析確定這部分水的來源。

2）庫水位對測孔水位不產(chǎn)生影響。這種情況下，庫水位升高和降低，都不會使測孔水位發(fā)生變化。而2001年1至10月份（建庫以來庫水位最低的年份），當(dāng)庫水位降至59.01 m以下時，測孔水位開始發(fā)生變化，其隨庫水位的升降而升降。分析認(rèn)為可能因1999年、2000年連續(xù)兩年枯水年，且2001年1至6月份降雨很少，同時地下水被大量使用而導(dǎo)致整個地下水位下降，僅為58.60 mm。從7月份陸續(xù)降雨以來，其孔水位又逐漸上升，到2001年10月末以后，庫水位上升至原來59.01 m以上的位置。這時孔水位就不再隨庫水位升降而變化了,原因是降雨不斷補充了地下水，使整個地下水位有所抬高。因2003年全年降雨481.31 mm，且基本沒有形成徑流，所以水庫來水較少，庫水位沒有較大抬高。2003年水庫水位最高時僅達1月1日的59.66 m，2004年1月至8月6日，庫水位一直低于59.01 m。當(dāng)庫水位降至59.01 m左右時，也出現(xiàn)了同2001年相同的狀況，即地下水位下降了，孔水位隨庫水位的升降而升降。從而可以看出，孔水位隨庫水位升降變化的界限水位為59.01 m左右。

4.2.2 降雨對測孔水位的影響

分析測孔水位過程線發(fā)現(xiàn)，降雨對繞壩滲流測孔水位有一定的影響。各測孔水位過程線上的尖峰變化，主要是降雨所造成的。降雨強度越大，歷時越短，則測孔水位上升就快而高，變化的越明顯；降雨強度越小，歷時越長，則測孔水位上升就較為緩慢。例如1999年5至6月份、2000年7至8月份、2002年6至7月份、2003年10至11月份、2004年6至9月份及2005年5至8月份的降雨對測孔水位的影響，就可以較容易的看出這種變化規(guī)律。

4.2.3 地質(zhì)條件對測孔水位的影響

分析各測孔水位過程線及降雨分布圖還可發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)條件的好壞對繞滲也會產(chǎn)生不同程度的影響?；鶐r破碎、地質(zhì)條件較差的部位，孔水位就急劇上升，出現(xiàn)了峰值，且雨后孔水位又迅速恢復(fù)到原來的孔水位，使雨水直接入滲和消散降雨不久；說明這幾處基巖較完整，土壤滲透系數(shù)小的部位，雨后孔水位的消散也不是很急劇。上部基巖較完整，下部基巖較為破碎的部位，降雨時，孔水位不是很快上升出現(xiàn)峰值，而是經(jīng)過3～5 d才出現(xiàn)峰值，但雨后水位消散很快。

另從繞滲各測孔水位與庫水位關(guān)系曲線還可看出，RB-2A、B-4A、RB-6A、RB-8A、RB-9A等測孔處，其相關(guān)線呈一條測點密集的直線，斜率較小，這一點也充分說明了其滲透穩(wěn)定可靠，土體滲流條件未發(fā)生變化。

2005年水庫大壩是在較高庫水位下運行的，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)除RB-3A、RB-5A無繞滲外，其余各測孔水位均有不同程度的升高變化，這也充分說明了大壩存在著一定的繞滲現(xiàn)象，只是因地質(zhì)條件不同而有所不同，還需進一步觀測。

5 自動化觀測數(shù)值的可靠性分析

從1998年7月開始，對主壩滲流除了采用自動化觀測外，也對揚壓力和繞壩滲流的各個測孔進行了人工對比觀測，每月觀測一次，汛期時加密觀測次數(shù)。比較自動觀測和人工觀測的過程線發(fā)現(xiàn)，兩者的平穩(wěn)或升降趨勢基本一致，這充分說明了主壩滲流自動化觀測所獲得的數(shù)值是真實、準(zhǔn)確、可靠的。

6 結(jié)語

1）大壩揚壓力及繞壩滲流情況與大壩的防滲降壓措施、庫水位、地質(zhì)條件、降雨、施工質(zhì)量等因素有關(guān)，影響程度不同，應(yīng)根據(jù)具體情況進行具體分析。

2）在揚壓力觀測中，左聯(lián)接段的Y14-Y16的滲壓系數(shù)較大，但是均沒有超出規(guī)范規(guī)定的允許最大值0.3，說明大壩的防滲降壓措施有效。左、右岸繞壩滲流中除確定的RB-3A、RB-5A兩處無繞壩滲流外，其余各處均有不同程度的繞滲現(xiàn)象，且繞滲狀態(tài)穩(wěn)定，影響因素較多，應(yīng)在今后加強觀測和分析。

3）加拿大自動化滲流觀測項目引進至今整體運行良好，各項觀測數(shù)據(jù)真實、可靠，為大壩安全觀測提供了大量寶貴資料，也為大壩的運行狀態(tài)分析和水庫的科學(xué)管理提供了重要依據(jù)。

［1］張光斗，王光綸.水工建筑物［M］.北京：水利水電出版社，1994，7.

［2］李蔭龍主編.柴河水庫土壩觀測資料整編分析［M］.大連：理工大學(xué)出版社，1997，5.

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2017-04-09