某混凝土面板堆石壩滲流監(jiān)測資料分析

陳 松，宋志榮，寧 聰，王 巖

(1.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院， 重慶 400074； 2.中建水務(wù)環(huán)保有限公司， 廣東 深圳 518118；3.重慶同望水利水電設(shè)計有限公司， 重慶 401120)

在我國水庫大壩中，面板堆石壩是較為普遍的壩型，然而在水庫大壩失事中滲流破壞最為突出。據(jù)水利部統(tǒng)計調(diào)查表明，由于滲流問題導(dǎo)致水庫大壩失事占25%左右[1]，因此，需要加強對大壩滲流監(jiān)測分析，預(yù)防大壩發(fā)生滲流破壞。相關(guān)學(xué)者在水庫大壩滲流領(lǐng)域做了大量研究工作，如彭正權(quán)等[2]根據(jù)萬安水電站的滲流監(jiān)測資料，對壩體的滲流特性進行了分析，分析表明壩體的滲壓變化規(guī)律合理，壩體滲流特性正常。趙迪等[3]以金佛山面板堆石壩為例，進行了二維滲流計算分析，分析表明混凝土面板及防滲帷幕起主要阻水作用。姜建芳等[4]根據(jù)白水坑水庫混凝土面板堆石壩的監(jiān)測，分析了防滲體及面板應(yīng)力等監(jiān)測資料，分析表明壩體滲流量較小，壩體及面板施工質(zhì)量及運行良好，未發(fā)現(xiàn)異常。然而涵蓋完整連續(xù)的水庫工程滲流監(jiān)測資料的分析較少，且貫穿施工期、蓄水期及運行期連續(xù)監(jiān)測資料的分析更少。本文基于某水庫大壩從施工期到運行期整個連續(xù)十幾年的滲流監(jiān)測資料，對大壩滲流監(jiān)測開展分析工作，并建立多因子回歸統(tǒng)計模型，可及時掌握大壩的運行性態(tài)和對大壩滲流狀況進行評價，為保證水庫大壩安全運行提供科學(xué)依據(jù)，對其它類似工程的監(jiān)測資料分析具有參考價值。

1 工程概況

某水庫位于重慶市開縣境內(nèi)，壩址處于長江支流小江的二級支流桃溪河流域，控制集水面積235 km2，該水庫工程是以農(nóng)業(yè)灌溉和城鎮(zhèn)供水為主，兼有發(fā)電防洪等綜合效益的綜合性水利樞紐工程。大壩為混凝土面板堆石壩，壩頂高程453.80 m，最大壩高103.80 m，壩頂長243 m，壩頂寬8 m。水庫正常蓄水位為450.00 m，總庫容為10 240萬m3，屬于大(2)型水利樞紐工程。該樞紐工程主要由攔河大壩、溢洪道、排沙防空洞、發(fā)電引水洞、灌溉和城鎮(zhèn)供水引水渠道等建筑物組成。

根據(jù)大壩安全監(jiān)測設(shè)計規(guī)范要求[5]，該水庫布置了比較全面的大壩原型監(jiān)測系統(tǒng)，此監(jiān)測系統(tǒng)由變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測及環(huán)境量(降雨量、庫水位)監(jiān)測等項組成。其中大壩滲流監(jiān)測項主要包括：F4斷層滲流監(jiān)測、防滲帷幕防滲效果監(jiān)測、壩體壩基滲流監(jiān)測、繞壩滲流監(jiān)測及滲流量監(jiān)測等。滲流監(jiān)測采用的手段為埋設(shè)安裝滲壓計，在施工期通過人工觀測采取數(shù)據(jù)，大壩竣工后接入自動化觀測系統(tǒng)自動采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過對大壩滲透壓力的監(jiān)測，獲取大壩的滲流狀況。樁號為0+097.50最大橫向監(jiān)測斷面壩體填筑分區(qū)和滲流監(jiān)測儀器布置情況見圖1。

圖1壩0+097.50斷面壩體填料分區(qū)和滲流監(jiān)測儀器布置(單位：m)

2 滲流監(jiān)測資料定性分析

滲流監(jiān)測[6]是為了掌握大壩滲流規(guī)律，判斷大壩滲流狀態(tài)。該水庫工程滲流監(jiān)測包括F4斷層、防滲帷幕、繞壩滲流、壩體及壩基等監(jiān)測項，以下對其監(jiān)測資料進行定性分析。

2.1 F4斷層滲流監(jiān)測分析

根據(jù)地勘資料發(fā)現(xiàn)，壩址區(qū)斷裂發(fā)育存在對水庫工程安全影響的F4斷層(距趾板線70 m)。為監(jiān)測F4斷層滲透壓力的變化情況，在F4斷層灌漿帷幕后布設(shè)2支滲壓計(G1、G2)監(jiān)測F4斷層灌漿防滲效果，布設(shè)在兩個橫斷面分別為0+049.5 m、0+097.5 m，且縱斷面均為0-020.0 m，高程均為345.00 m處。監(jiān)測成果繪制的F4斷層滲壓計測值變化曲線如圖2所示。

圖2 F4斷層滲流監(jiān)測滲壓計G1和G2滲透壓力與庫水位變化曲線圖

由F4斷層滲透壓力與庫水位變化曲線圖2可以看出，兩支滲壓計的滲透壓力變化趨勢基本一致。在施工期過程中，由于水雨情監(jiān)測不完善，只是通過人工觀測記錄，發(fā)現(xiàn)其滲透壓力受降雨量的影響。在2007年6月18日強降雨后，G1滲透壓力保持在40 kPa左右，而G2滲透壓力保持在20 kPa左右。隨著降雨的結(jié)束，滲透壓力相應(yīng)減小，說明降雨量對其滲透壓力存在影響。從2008年4月開始試蓄水后，滲透壓力明顯增大，持續(xù)一段時間后，滲透壓力趨向穩(wěn)定。水庫運行過程中，G1和G2滲透壓力基本保持穩(wěn)定，在2011年7月水庫水位首次蓄水至最高水位450.32 m，滲壓計測值有明顯的增大變化，庫水位的迅速增加導(dǎo)致滲壓計出現(xiàn)測值不穩(wěn)定情況，從而在監(jiān)測數(shù)據(jù)中出現(xiàn)突變值。高水位時期，滲透壓力處于最大，隨著庫水位降低，滲透壓力逐漸回歸正常值，之后基本呈較小的變化，說明斷層F4帷幕防滲效果較好，斷層滲透性態(tài)正常。

2.2 防滲帷幕防滲效果監(jiān)測分析

防滲帷幕是混凝土面板堆石壩一道較為重要的阻水屏障，對于大壩安全運行有著至關(guān)重要的作用。為監(jiān)測混凝土趾板下防滲帷幕的防滲效果，共埋設(shè)了5支滲壓計HF1至HF5，分別在樁號0+049.50 m、0+073.50 m、0+097.50 m、0+133.50 m和0+157.50 m五個橫斷面的防滲帷幕后各布置1支滲壓計，安裝高程均為348.00 m。由于施工等因素導(dǎo)致部分滲壓計出現(xiàn)測值故障，目前運行良好且具有代表性的滲壓計有HF1、HF2和HF5，將其監(jiān)測值繪制滲透壓力變化曲線如圖3所示。

圖3帷幕后滲流監(jiān)測滲壓計HF1、HF2和HF5滲透壓力與庫水位變化曲線圖

由帷幕灌滲壓計測值與庫水位變化曲線圖3可看出，滲壓計HF1和HF5測值變化波動相對較小，而靠上游側(cè)的滲壓計HF2測值與波動較大。在2006年12月與2007年2月對比，HF2滲透壓力增大了70 kPa左右，最大達到了100 kPa。根據(jù)大壩監(jiān)測資料記載，主要是因為基坑回填，導(dǎo)致水位上升，從而造成滲透壓力大幅度增大。而滲壓計HF1與HF5測值變化相對穩(wěn)定，受基坑回填的影響較小。在2007年6月18日強降雨后，滲壓計HF1和HF5受影響較小，但靠上游側(cè)的滲壓計HF2測值增大40 kPa左右，說明在施工期帷幕后滲透壓力受降雨等因素影響。水庫從2008年4月開始首次蓄水，蓄水期間滲壓計測值均出現(xiàn)增大現(xiàn)象，但由于滲壓計HF2安裝位置靠上游側(cè)且接近壩體中間，受庫水位影響較大導(dǎo)致其測值明顯大于滲壓計HF2與HF5兩個測點測值，該滲透壓力最大值達到260 kPa。根據(jù)監(jiān)測資料記載，由于導(dǎo)流洞封堵，造成庫水位迅速上漲，從而導(dǎo)致測值呈現(xiàn)增大趨勢。截止至同年7月底，HF2測值未出現(xiàn)大幅度的增加，后期維持相對穩(wěn)定，滲透壓力維持在250 kPa左右。結(jié)合圖中庫水位變化曲線分析，帷幕后的滲壓計滲透壓力測值受庫水位等因素影響。在2014年11月開始滲壓計出現(xiàn)測值不穩(wěn)定導(dǎo)致所測滲透壓力出現(xiàn)波動較大現(xiàn)象，而后期滲透壓力波動變小，逐漸趨于穩(wěn)定。結(jié)合人工巡視檢查情況分析表明，未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，帷幕阻水正常。

2.3 壩體壩基監(jiān)測分析

為監(jiān)測壩體、壩基滲流性態(tài)分布情況[7-8]，確保大壩安全運行，在壩體建基面上埋設(shè)滲壓計進行滲流監(jiān)測[9]。為使監(jiān)測更具代表性，共埋設(shè)了8支滲壓計，在樁號0+097.50 m橫斷面共布置4支編號為U1-1至U1-4(在縱斷面0-142 m、0-043 m、0-000 m、0+048 m各布置1支)，對應(yīng)安裝高程分別為350.00 m、355.00 m、355.00 m、355.00 m；在樁號0+157.50 m橫斷面共布置4支編號為U2-1至U2-4滲壓計(在縱斷面0-114 m、0-043 m、0-000 m、0+048 m各布置1支)，對應(yīng)安裝高程均為392.00 m，將各滲壓計監(jiān)測值繪制滲透壓力變化曲線如圖4所示。

由壩體、壩基滲透壓力變化曲線圖4可看出，兩個橫斷面的滲壓計的滲透壓力變化趨勢基本一致，且符合混凝土面板堆石壩的滲流變化規(guī)律。根據(jù)監(jiān)測資料記載分析，在2007年7月底，靠近上游的滲壓計U1-1的測值在降雨前后相對變化較大，滲透壓力變化值達30 kPa左右，說明在施工期壩體、壩基滲透壓力受降雨的影響。從2008年4月開始首次蓄水以來，兩個橫斷面出現(xiàn)明顯的上升趨勢，壩橫0+097.50 m斷面建基面上游的滲壓計U1-1處測值達90 kPa，其它測值均在50 kPa下，但從同年7月中旬開始，滲壓計測值趨于穩(wěn)定，并沒有隨水位上升呈現(xiàn)上升趨勢。在水庫運行過程中，安裝在壩橫0+097.50 m斷面最上游側(cè)的滲壓計U1-1測值變化相對較大，但該斷面上其余滲壓計測值變化較穩(wěn)定且人工巡視檢查未發(fā)現(xiàn)異常情況，說明該斷面的滲流穩(wěn)定，且符合滲流變化規(guī)律。而壩橫0+157.50 m斷面上的滲壓計U2-2到U2-4測值基本為負值，為無壓狀態(tài)，說明壩體壩基滲流較小且穩(wěn)定。自2009年7月水庫布設(shè)自動化水雨情監(jiān)測來，庫水位和降雨量得到更好地記錄，結(jié)合水庫水位及降雨量變化曲線圖5分析，該斷面上滲透壓力的變化主要受庫水位及降雨等因素的影響。

圖4 不同橫斷面各測點滲透壓力變化曲線圖

圖5水庫水位和降雨量變化曲線圖

2.4 滲流量監(jiān)測分析

滲流量監(jiān)測在混凝土面板堆石壩中是極其重要的監(jiān)測項，通過滲流量的大小及滲流水的渾濁度為判斷水庫大壩的安全提供重要的依據(jù)[10]。該水庫工程在下游壩腳設(shè)置直角三角形量水堰進行滲流量監(jiān)測，將觀測所得的堰上水頭代入堰流量公式計算得到滲流量，繪制得到滲流量過程線如圖6所示。由滲流量與庫水位過程線圖6可看出，滲流量與庫水位有較好的相關(guān)性，庫水位升高，滲流量增大，而庫水位降低，滲流量減小。當庫水位升高至正常蓄水位450.00 m左右時，對應(yīng)的滲流量約為6.33 L/s，當庫水位降低至440.48 m時，滲流量約為4.25 L/s，滲流量均在允許范圍之內(nèi)，說明大壩防滲效果良好，大壩滲流處于正常狀態(tài)。

圖6滲流量與庫水位過程線

3 滲流監(jiān)測資料定量分析

滲流監(jiān)測作為面板堆石壩的重要監(jiān)測項目，大壩的滲流狀況關(guān)系到大壩的安全，而對大壩的滲流而言，各滲流測點滲壓水位主要受庫水位、降雨量及時效等因素的影響[11]。當水庫水位變化時，其變化傳遞到各個區(qū)域的時間不統(tǒng)一，存在一定的滯后時間，因此將時效也作為影響因子，而筑壩材料受溫度影響較小[12]，故一般不考慮溫度因素的作用。根據(jù)面板堆石壩的滲流理論[13]，將水庫水位、降雨量與時效作為影響因子，建立滲壓水位的多因子統(tǒng)計模型[14-15]如下：

(1)

式中：H為滲壓水位；a0為常數(shù)項；ai為水庫水位因子回歸系數(shù)；h1為水庫水位；bi為降雨量因子回歸系數(shù)；P為降雨量；c1、c2為時效因子回歸系數(shù)；t為時效，從觀測日至?xí)r效計算日的間隔天數(shù)。

根據(jù)滲流監(jiān)測數(shù)據(jù)隨機選取樣本，通過建立的多因子統(tǒng)計回歸模型進行回歸分析，得到如表1所示的回歸分析成果，回歸分析結(jié)果表明F4斷層、防滲帷幕及所選取兩個橫斷面的監(jiān)測點統(tǒng)計模型的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.900，說明統(tǒng)計模型的擬合效果良好，回歸方程精度較高，更加充分地反應(yīng)了大壩實際的滲流狀況。斷層F4滲流監(jiān)測、防滲帷幕防滲效果監(jiān)測及選取的兩個橫斷面滲流監(jiān)測統(tǒng)計分析表明，水庫水位因子對滲壓水位的影響最大，降雨量因子次之，時效因子最小，且大壩滲壓水位與水庫水位及降雨呈正相關(guān)關(guān)系。結(jié)合實際監(jiān)測情況分析，統(tǒng)計模型分析結(jié)果與監(jiān)測情況基本吻合，說明該回歸統(tǒng)計模型能夠較好的分析大壩的滲流監(jiān)測情況，并能夠較好地對滲流水頭做出合理預(yù)測。

表1 滲流監(jiān)測統(tǒng)計模型回歸分析結(jié)果表

4 結(jié) 語

根據(jù)從施工期、首次蓄水期和運行期連續(xù)的監(jiān)測資料分析有以下主要結(jié)論：

(1) 大壩滲流性態(tài)正常，F(xiàn)4斷層和帷幕灌漿防滲效果較好，壩體壩基滲流未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

(2) 水庫目前處于安全運行狀態(tài)，在施工期大壩滲透壓力主要降雨的影響，而蓄水后受庫水位與降雨的影響顯著，受時效影響較小。

(3) 水庫管理單位應(yīng)加強對監(jiān)測儀器的維護和及時對監(jiān)測資料進行整理分析，完善監(jiān)測系統(tǒng)并充分發(fā)揮監(jiān)測作用。