湖北富水水庫大壩滲流監(jiān)測資料分析

胡煥發(fā)，龐 瓊，王 宏，胡 良

（1.湖北省富水水庫管理局，435299，黃石；2.南京水利科學研究院，210029，南京；3.水利部大壩安全管理中心，210029，南京；4.湖北省王英水庫管理局，437100，咸寧）

富水水庫位于長江水系富水流域中下游的湖北省陽新縣富水鎮(zhèn)，水庫集水面積2 450 km2，總庫容16.65億m3，是一座以防洪發(fā)電為主，兼有灌溉、養(yǎng)殖等綜合利用的大（1）型水利工程。水庫大壩在28.00 m高程以下為均質(zhì)壩，28.00 m高程以上為黏土心墻壩。上游壩殼料為砂質(zhì)黏土，下游壩殼料用溢洪道開挖的頁巖填筑。壩頂軸線長941 m，寬6.5 m，最大壩高46.8 m，壩頂高程65.50 m，心墻頂高程65.00 m，防浪墻頂高程66.70 m。發(fā)電輸水管位于大壩左壩肩，為鋼筋混凝土壓力圓管，斷面直徑為6.5 m，進口底高程38.25 m。

根據(jù)《湖北省富水水庫整險加固工程補充——工程地質(zhì)勘察報告》，以上游壩坡52.65 m高程平臺為軸線進行地質(zhì)勘探：①左岸壩肩（樁號0-080～0+100）表層為殘坡積層，樁號0-22.69處為厚1.7 m的碎石夾土，結(jié)構(gòu)松散，透水性強?；鶐r為頁巖，強風化帶厚1.4～12.1 m，裂隙發(fā)育，呈中等透水性，弱風化帶厚0～1.2 m，向下為微新巖石，呈弱～微透水性，透水性均由上向下減小。②左岸階地（樁號0+100～0+500）上部為厚 1～4 m 的壤土，弱～微透水性，為相對隔水層；下部為砂、砂礫石層，砂層厚 1～6 m，砂礫石層一般厚4～5 m，最厚達12.4 m。③河床部位（樁號 0+500～0+670）砂礫石層厚2～4 m。砂、砂礫石順河連續(xù)分布，中等～強透水性，為透水層。④右岸階地（樁號 0+670～0+941），覆蓋層主要為粉質(zhì)黏土、壤土，厚5～10 m，僅樁號0+769.22處基巖面呈凹形，在黏性土與基巖面接觸部位分布厚0.7 m的砂層。壩基基巖為志留系頁巖，強風化帶厚0.1～4.0 m， 弱風化帶厚 0.4～0.6 m，以下為微新巖石。

大壩于2003—2006年進行除險加固：①樁號 0+086～0+884，大壩上游坡55.00 m高程處設(shè)60 cm厚混凝土防滲墻；②左岸 0-050～0+086、右岸 0＋884至溢洪道防滲體采用帷幕灌漿處理。根據(jù)后期填筑質(zhì)量評價發(fā)現(xiàn)，左壩肩帷幕灌漿效果不如右壩肩的理想。

一、大壩滲流監(jiān)測點布置

富水水庫滲流監(jiān)測主要包括壩體、壩基、繞壩滲流壓力監(jiān)測以及發(fā)電管周圍滲流壓力監(jiān)測、減壓井水位監(jiān)測和滲流量監(jiān)測。其中，壩體、壩基滲 流 壓 力 監(jiān) 測 在 0+099、0+210、0+340、0+500、0+602 和 0+700 斷面上共鉆孔36個，安裝埋設(shè)54只孔隙水壓力計；繞壩滲流壓力監(jiān)測共鉆8孔，左岸埋設(shè) 3個測點（L1—L3），右岸埋設(shè)5個測點（R1—R5）；發(fā)電管周圍滲流壓力監(jiān)測在發(fā)電管左右側(cè)各安裝埋設(shè) 3 個，共 6 個測點（S1—S6）；減壓井水位監(jiān)測共安裝了5個測點，編號分別為 G1、G11、G31、G34 和 G48；滲流量監(jiān)測點2個，在減壓井廊道內(nèi)的壩體和壩基排水溝出水口處各建1個三角量水堰，各安裝堰上水位計1支。

二、滲流監(jiān)測資料分析

1.壩體、壩基滲流壓力

（1）壩體滲流及心墻防滲效果分析

繪制壩體各測點水位過程線和水位相關(guān)線，并通過回歸分析計算相關(guān)系數(shù)。以部分典型斷面為例對壩體滲流及心墻防滲效果進行分析：①0+340斷面測點滲壓水位從上游到下游逐漸下降，且心墻后水位明顯降低，符合心墻壩內(nèi)滲流一般規(guī)律，其中D15A測點滲壓水位與庫水位相關(guān)系數(shù)為0.29，相關(guān)性較差；②0+210斷面D11A、D12A測點和0+700斷面D33A測點滲壓水位與庫水位有一定相關(guān)性，相關(guān)性系數(shù)達到0.65以上，其余各測點滲壓水位均較穩(wěn)定，與庫水位相關(guān)性差，相關(guān)性系數(shù)最小僅0.04。

選擇穩(wěn)定高庫水位53.97 m，對各斷面位于心墻部位（壩軸距-8.0 m）和心墻下游側(cè)（壩軸距2.5 m）的壩體測點位勢進行對比分析?？芍孩傩膲ο掠蝹?cè)測點位勢變化不大，且均在35%以下，說明各斷面心墻降低位勢均在65%以上；②0+602斷面心墻內(nèi)測點位勢小于其余斷面同部位測點位勢，這是由于該斷面上游水下拋填鋪蓋的作用降低了一部分位勢；③0+700斷面心墻內(nèi)測點位勢大于其余斷面同部位測點位勢。

對穩(wěn)定高庫水位53.97 m下的壩體典型橫斷面浸潤線進行分析，可知：①各斷面心墻后壩體滲流水位明顯降低，符合心墻壩滲流場的一般規(guī)律；②0+099、0+210和0+340斷面背水面浸潤線略高，是由于0+000～0+400段大壩背水面壩殼料為黏性土夾碎石，呈微透水性，不利于壩體水的排出；③0+602斷面壩體上游側(cè)浸潤線低于其他斷面，可能與該斷面上游水下拋填鋪蓋有關(guān)。

選擇高中低三個典型庫水位53.97 m、50.84 m、48.17 m， 對位于心墻部位（壩軸距-8.0 m）和心墻下游側(cè)（壩軸距2.5 m）的縱剖面滲流水位分布進行分析。在高中低三個典型庫水位情況下，位于心墻下游側(cè)的縱斷面各測點水位較低且變化不大，較心墻部位測點水位有明顯降低；位于心墻部位的縱斷面各測點中，0+700斷面D33A測點水位均高于其余斷面2～6m。

對高庫水位53.97 m下壩體滲流壓力分布進行分析可知：①心墻下游各測點水位均較低，符合心墻壩內(nèi)滲流一般規(guī)律；②壩體左端滲流壓力水位高于右端，是受左壩端發(fā)電廠房尾水及繞壩滲流影響。

（2）壩基滲流及混凝土防滲墻防滲效果分析

以部分典型斷面為例對壩基滲流及混凝土防滲墻防滲效果進行分析：①0+340斷面壩基測點滲壓水位從上游到下游逐漸降低，符合壩基滲流的一般規(guī)律，下游庫水位受電站尾水影響顯著；壩基測點滲壓水位與庫水位相關(guān)性整體比壩體明顯，混凝土防滲墻前各測點與庫水位相關(guān)性顯著，相關(guān)性系數(shù)最高為0.99。②0+099斷面壩基混凝土防滲墻前后測點水位與庫水位的相關(guān)性較其他斷面明顯，且墻后測點水位較高，這是由于0-080～0+100段壩基存在透水強的殘坡積層及頁巖強風化帶，而左岸帷幕灌漿處理效果不理想，存在繞壩滲流影響。 ③0+340、0+500、0+602 斷面混凝土防滲墻后水位明顯降低，而左、右兩端滲流壓力水位高于大壩中段。④防滲墻后大部分測點與庫水位有一定相關(guān)性，相關(guān)性系數(shù)大于0.5。

選擇高庫水位53.97 m，分別對各斷面位于壩基混凝土防滲墻上游側(cè)（壩軸距-31 m）和下游側(cè)（壩軸距-27 m）的壩基測點位勢進行對比分析?？芍?①0+340、0+500、0+602 斷面混凝土防滲墻對位勢的降低作用明顯，分別為56%、35%和33%，說明斷面混凝土防滲墻防滲效果明顯；②左、右兩端混凝土防滲墻對位勢的降低作用小于大壩中段。

對高庫水位53.97 m下的壩基滲流壓力分布進行分析，可知壩基左端0+000、0+099斷面和右端0+700斷面滲流壓力水位高于大壩中部，左岸主要是受繞滲影響。

對壩基各斷面相鄰測點間滲透坡降進行計算，軸距-31～-27 m兩測點間計算混凝土防滲墻的平均坡降，壩基滲透坡降匯總見表1。各斷面混凝土防滲墻平均滲透坡降最大值為32.417，小于規(guī)范規(guī)定的混凝土防滲墻允許坡降；混凝土防滲墻后壩基滲透坡降計算結(jié)果中，0+099、0+700斷面軸距-27～31 m段滲透坡降較大，分別為0.305和0.407，但仍小于規(guī)范規(guī)定的岸坡壩段壩基土體允許坡降。

表1 各斷面壩基滲透坡降匯總

綜上可知，壩體各測點滲流水位較為穩(wěn)定，與庫水位相關(guān)性較差；各斷面心墻防滲效果顯著；壩基各斷面測點水位與庫水位相關(guān)性整體比壩體測點明顯；壩基混凝土防滲墻防滲效果比兩岸帷幕灌漿效果明顯。

2.繞壩滲流壓力

以部分典型斷面為例對壩基滲流及混凝土防滲墻防滲效果進行分析：①左岸0+000斷面L1測點水位常年略高于庫水位且與庫水位相關(guān)性明顯，相關(guān)性系數(shù)為0.91，L2與L3測點水位較為接近且與庫水位有一定相關(guān)性，相關(guān)性系數(shù)分別為0.77、0.66，3個繞壩滲流測點水位受降雨影響較為明顯；②右岸0+800斷面R1、R2、R3 測點水位基本相同，0+870斷面R4、R5測點水位基本相同，5個繞壩滲流測點均較低且變化幅度小，與庫水位相關(guān)性差，相關(guān)性系數(shù)最大為0.36，受降雨影響不明顯。

選擇穩(wěn)定高庫水位53.97 m，對繞壩滲流測點位勢進行對比分析?？芍孩僮蟀?+000斷面總體滲流壓力位勢較高，其中L1測點位勢常年高于100%；②右岸0+800和0+870斷面各測點位勢較低，均在20%～25%左右，并隨著時間推移有小幅度下降。

對左岸0+000斷面相鄰測點間橫向滲透坡降及0+000～0+099斷面間縱向滲透坡降進行計算，并對右岸0+800和0+870斷面相鄰測點間橫向滲透坡降及0+800～0+870斷面間縱向滲透坡降進行計算分析?？芍鹤蟀稘B透坡降整體明顯大于右岸，左岸滲透坡降最大值為0.424，右岸滲透坡降最大值為0.040。

綜上分析，說明左壩肩存在明顯繞滲，右壩肩無明顯繞滲。

3.發(fā)電管周圍滲流壓力

繪制發(fā)電管周圍各測點水位過程線和水位相關(guān)線，并計算相關(guān)系數(shù)及位勢。得出如下結(jié)果：①發(fā)電管左側(cè)S1、S2測點水位與庫水位相關(guān)性較為明顯，相關(guān)性系數(shù)分別為0.95和0.86，S3測點水位與庫水位相關(guān)性差；②發(fā)電管右側(cè)S4、S5、S6測點水位較為穩(wěn)定，其中S4測點水位與庫水位有一定相關(guān)性，相關(guān)性系數(shù)為0.59，S5、S6測點水位與庫水位相關(guān)性差； ③S1、S2、S4 測點靠近上游，水位較高，位勢分別在90%、70%、80%左右，S5測點位勢在55%左右，S3、S6測點位于下游，位勢均為30%左右，總體符合土石壩內(nèi)滲流一般規(guī)律。

對發(fā)電管周圍土體滲透坡降進行計算分析。首先,計算允許坡降[J]，由臨界滲透坡降 [Jc]確定：[J]=Jc/K，K為安全系數(shù)，取2。其中，Jc根據(jù)太沙基公式計算，Jc（垂直向上）=（γs/γ-1）(1-n)，Jc（水平）=0.667×Jc（垂直向上），γs為 土 粒 容重（g/cm3），γ 為水容重（g/cm3），n 為土體孔隙率，根據(jù)文獻γs取2.72 g/cm3，n取0.52，計算[J]為0.413。由太沙基公式求得的Jc由于未考慮土體抗剪強度影響，一般約小于試驗值的15%～25%，故由其計算得出的允許坡降是偏安全的。其次,計算發(fā)電管周圍土體平均滲透坡降，經(jīng)計算最大值為0.402，發(fā)生在左側(cè)S2～S3測點之間；發(fā)電管周圍土體滲透坡降均小于允許坡降，發(fā)生接觸沖刷可能性較小，但應(yīng)加強觀測。

4.減壓井水位

繪制減壓井水位過程線和水位相關(guān)線，并計算相關(guān)系數(shù)及位勢。得出如下結(jié)果：①G01、G11、G31、G34 和G48各測點水位均較低，且變化幅度較小，基本在22.00～26.00 m范圍內(nèi)；②測點水位與庫水位有一定相關(guān)性，相關(guān)性系數(shù)最大為0.70，相關(guān)性系數(shù)最小為0.53；③各測點位勢均較低，分別在 5%、3%、0%、-4%、-6%左右，位勢出現(xiàn)負值是由于受左岸下游電站尾水影響。

對減壓井上、下游土體滲透坡降進行計算分析。 計算允許坡降，[J]=Jc/K，K 取 2，Jc=（γs/γ-1）(1-n)， 根據(jù)《滲流計算分析與控制 （第二版）》，n取0.4，計算允許坡降為0.5。經(jīng)計算，減壓井上游壩基測點到減壓井測點間平均滲透坡降最大值為0.051，發(fā)生在D18B～G34測點之間，接近允許坡降；減壓井到下游水位測點間平均滲透坡降最大值為0.494，發(fā)生在G48測點到下游水位測點間，小于壓滲體計算允許坡降，不會發(fā)生頂托破壞。根據(jù)分析結(jié)果，應(yīng)加強大壩下游壩腳的巡視檢查。

5.滲流量

通過對滲流量過程線的分析可知：①壩體、壩基滲流量受降雨影響十分顯著，與庫水位有一定相關(guān)性；②0+177斷面W1壩基滲流量整體較小，但于2011年6月20日和2014年7月18日分別出現(xiàn)大值12.11 L/s和9.10 L/s，這是因為降雨作用對滲流量的增加具有直接影響；③0+277斷面W2壩體滲流量整體大于0+177斷面W1壩基滲流量。

三、結(jié) 語

①壩體各測點滲流水位較為穩(wěn)定，與庫水位相關(guān)性較差；壩體各斷面心墻降低位勢均在65%以上，心墻防滲效果顯著。

②壩基各斷面測點水位與庫水位相關(guān)性整體比壩體測點明顯；壩基左、右兩端滲流壓力水位高于大壩中部，壩基混凝土防滲墻比兩岸帷幕灌漿防滲效果明顯；混凝土防滲墻及墻后壩基滲透坡降均小于相應(yīng)允許坡降。

③左岸繞壩滲流測點滲流壓力位勢和滲透坡降整體明顯大于右岸，說明左壩肩存在明顯繞滲，右壩肩無明顯繞滲。

④發(fā)電管周圍滲流水位受庫水位影響相對較小，滲透坡降均小于計算允許坡降，發(fā)生接觸沖刷可能性較小，但應(yīng)加強觀測。

⑤減壓井各測點水位和位勢均較低，與庫水位有一定相關(guān)性，且受下游電站尾水影響；減壓井到上游壩基測點間平均滲透坡降小于設(shè)計允許坡降，減壓井到下游水位測點間平均滲透坡降小于壓滲體計算允許坡降，不會發(fā)生頂托破壞，但應(yīng)加強巡視檢查。

⑥壩體、壩基滲流量受降雨影響顯著，與庫水位有一定相關(guān)性；壩基滲流量整體較小，小于壩體滲流量。