三溪浦水庫防滲墻下游側(cè)水位偏高的成因分析

夏 冰，劉海華，熊國文，姜曉楨

(1.寧波市鄞州區(qū)三溪浦水庫管理處， 浙江 寧波 315113；2.南京水利科學(xué)研究院 巖土工程研究所， 江蘇 南京 210024)

三溪浦水庫位于浙江省寧波市鄞州區(qū)，總庫容3 310萬m3，是一座以防洪、供水為主的中型水庫。該水庫是建設(shè)于二十世紀(jì)五六十年代的老壩，原設(shè)計的防滲心墻的齒槽未能完全截斷透水壩基，存在較大的壩基滲漏問題，在2005年的安全鑒定中被鑒定為“二類壩”。2014年水庫利用維修加固工程，采用工程中常用的在壩體心墻內(nèi)設(shè)置了深入基巖混凝土防滲墻的方法[1]，將透水壩基完全截斷，同時在壩體和壩基內(nèi)埋設(shè)滲壓計對整個大壩的滲流場進(jìn)行監(jiān)測[2]，從而能夠科學(xué)地對大壩的滲透穩(wěn)定進(jìn)行實時分析。

根據(jù)目前已有的滲流監(jiān)測數(shù)據(jù)分析來看，混凝土防滲墻下游側(cè)的測點實測水位要高于維修加固工程設(shè)計報告中維修加固工程后的大壩滲流場水頭的計算結(jié)果[3]，距離設(shè)計的防滲效果有一定的差距。為了分析其中的原因，本文通過分析維修加固工程前大壩滲流場水頭分布情況以及水庫地勘、工程驗收等資料，排除了混凝土防滲墻施工質(zhì)量的問題，并初步判斷大壩壩體內(nèi)的細(xì)顆粒在長期的較大滲透坡降作用下隨著滲透水流被帶入松散的砂礫石壩基內(nèi)，導(dǎo)致壩基發(fā)生淤堵，從而改變了壩基部分區(qū)域的滲透系數(shù)，抬升了浸潤線。同時，通過對該部分壩基的滲透系數(shù)反演分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)其滲透系數(shù)與心墻相近時，測點的水頭計算值與實測值最為接近，從而初步驗證了該判斷。

1 滲流監(jiān)測資料分析

圖1為三溪浦水庫大壩典型斷面滲流監(jiān)測儀器布置圖[4]，整個大壩共布置4個監(jiān)測斷面，各個斷面儀器布置較為相似。每個斷面均布置了7根測壓管，其中壩體測壓管3根，壩基測壓管4根，兩者在壩軸線方向上間距2 m布置。壩基測壓管布置在壩頂防滲墻上、下游，大壩下游28 m高程馬道上和21 m高程馬道上。壩體測壓管則位于壩頂防滲墻上、下游，大壩下游28 m高程馬道上。

圖1滲流監(jiān)測測點布置斷面圖

圖2為典型斷面上大壩蓄水前后壩體與壩基滲壓計水位過程線圖。由圖2可知，2015年6月底水庫完成維修加固工程后開始蓄水，水庫水位短時間內(nèi)(至7月初)快速上升，而后2016年與2017年年內(nèi)各測點的測壓管水位變化過程平穩(wěn)，位于防滲墻上游的壩體P2-1測壓管與壩基J2-1號測壓管水位測值基本與庫水位的變化過程同步。J2-1測壓管水位與庫水位基本保持有1 m～2 m的差距。說明此處壩基消減了部分水頭，而防滲墻下游的測壓管水位基本不發(fā)生較大變化，其中更靠上游的P2-2和J2-2測壓管水位在庫水位變化劇烈的時期，還能隨著庫水位變化產(chǎn)生一定的小幅波動，位于大壩下游的P2-3、J2-3及J2-4測壓管水位一直很穩(wěn)定，即使在2015年6月9日至2015年7月13日之間水庫蓄水庫水位短時間內(nèi)快速上升的時間段內(nèi)也未見明顯的水位波動，說明其與庫水位基本無關(guān)。位于大壩下游壩基內(nèi)的J2-3及J2-4測壓管測值穩(wěn)定在8.0 m左右，且兩個測點測值非常接近，幾乎不存在滲透坡降，表明此處壩基透水性能良好，所以可認(rèn)為J2-3和J2-4測壓管水位已為大壩下游地下水位。

圖2實測測壓管水位過程線圖

圖3為三溪浦水庫維修加固工程設(shè)計報告中所做的水庫正常蓄水位下滲流計算結(jié)果及其與實測浸潤線的對比圖，表1為該計算所取的壩體和壩基滲透系數(shù)。由圖3可知，由于壩基滲透系數(shù)與心墻相差較大，浸潤線在心墻后迅速下降至幾乎與下游水位(8.32 m)齊平，這與圖2中2015年11月至2016年5月之間的大壩滲流觀測情況不符：防滲墻下游側(cè)P2-2與J2-2測點在這段時間內(nèi)平均水位分別為18.07 m和13.25 m，與計算值相差可到3 m～6 m，而這段時間內(nèi)由于庫水位在正常蓄水位附近長時間未見大的波動，可視大壩已達(dá)到穩(wěn)定滲流狀態(tài)，其滲流狀態(tài)應(yīng)與設(shè)計計算的正常蓄水位工況相對應(yīng)。

2 成因分析

圖4為三溪浦水庫維修加固工程設(shè)計報告中所做的水庫維修加固前無混凝土防滲墻時正常蓄水位下大壩滲流計算結(jié)果，通過與圖3對比可以發(fā)現(xiàn)：混凝土防滲墻的截滲作用是很明顯的，通過設(shè)置混凝土防滲墻能夠大大地消殺下游壩體和壩基的水位，如此則很容易讓人推斷出混凝土防滲墻滲透系數(shù)達(dá)不到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)論，事實上，通過查驗維修加固工程驗收材料，排除了混凝土防滲墻的施工存在質(zhì)量問題的原因。

圖3 維修加固工程后正常蓄水位下大壩滲流場分布(單位：m)

從另一個角度對圖3進(jìn)行細(xì)致觀察可知，圖3中浸潤線在混凝土防滲墻內(nèi)有很明顯的降低，說明混凝土防滲墻與心墻之間的滲透系數(shù)存在較大的差異，初步說明了混凝土防滲墻存在施工質(zhì)量問題的可能性較低，但之后浸潤線從心墻出來后，由于心墻與壩基之間滲透系數(shù)相差3個數(shù)量級，此處浸潤線也急劇降低，直接從心墻與壩基的交接的齒槽部位進(jìn)入壩基，所以有可能是靠近心墻部位的壩基滲透系數(shù)與心墻相差太大，所以造成此處浸潤線下降過快，從而造成下游測點的實測水位高于計算結(jié)果的現(xiàn)象。另外，由于心墻與壩殼A分別為含砂礫黏土和砂壤土，且滲透系數(shù)相差不大，所以圖4中浸潤線的在下降過程較為平緩，浸潤線是在壩殼A與壩殼B分界線處的進(jìn)入壩基，通過觀察圖4浸潤線的坡度可以發(fā)現(xiàn)維修加固工程前心墻以及部分壩體和壩基內(nèi)的滲透坡降較大，數(shù)值在1～2左右，且越靠近心墻，滲透坡降也越大，而浸潤線進(jìn)入壩基以后滲透坡降就大大減小，基本在0.1左右。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知[5-7]，在沒有可靠反濾保護(hù)的條件下，一般砂礫土在滲透坡降1～2的滲流作用下是極易產(chǎn)生滲透變形，據(jù)此筆者推斷三溪浦水庫在維修加固工程前，原有心墻已發(fā)生了一定程度的滲透變形，心墻內(nèi)細(xì)顆粒土在順著流線方向進(jìn)入壩基中，而壩基內(nèi)的滲流場的滲透坡降很小，導(dǎo)致細(xì)顆粒失去了繼續(xù)向下游運動的動力而沉積下來，從而逐步將壩基淤堵，導(dǎo)致了心墻下游側(cè)的浸潤線升高。

圖4維修加固前水庫正常蓄水位下壩體與壩基水頭分布(單位：m)

通過查閱相關(guān)資料筆者發(fā)現(xiàn)不少透水性壩基發(fā)生淤堵的實例[8-10]，例如西藏山南地區(qū)高山寬谷河流區(qū)是當(dāng)?shù)刂匾霓r(nóng)業(yè)區(qū)，由于其分布有深厚粗大的強滲透性沖洪積層，因此在這類地區(qū)興建水庫工程時，由于壩基防滲處理不當(dāng)，往往存在壩基滲漏問題，但同時也發(fā)現(xiàn)這些發(fā)生滲漏的水庫，在沒有增加任何附加防滲處理的情況下，經(jīng)過幾年的運行，壩基土體出現(xiàn)滲透性降低、滲漏問題明顯好轉(zhuǎn)等現(xiàn)象，且后期的水庫蓄水位可以達(dá)到設(shè)計要求。同時發(fā)現(xiàn)，也有不少建于河床透水壩基上的二十世紀(jì)五六十年代老水庫與三溪浦水庫相類似，受限于當(dāng)時的技術(shù)水平，存在較大的滲漏問題，但隨著運行年限的增長，滲漏量逐年減少，例如1960年建成的河北西大洋水庫[11]，到1990年滲漏量已減少了80%。另外，根據(jù)三溪浦水庫維修加固工程前的地勘工作中也發(fā)現(xiàn)了壩基靠近心墻的砂礫卵石層，因水庫多年蓄水，細(xì)顆粒沉積較多，透水性能變?nèi)鮗12]。上述幾個實例說明在一定條件下，透水性壩基發(fā)生淤堵的可能性是客觀存在的。

3 壩基滲透系數(shù)修正

為確定壩基淤堵后的真實滲透系數(shù)，本文利用已有的測點實測值對進(jìn)行反演，根據(jù)前文中的分析，維修加固前的大壩浸潤線是從壩殼A與壩殼B的交界處進(jìn)入壩基，在該交界處上游側(cè)的壩基有較大可能發(fā)生淤堵，同時結(jié)合圖4中的滲流場分布情況判斷初步擬定了發(fā)生淤堵的壩基范圍為圖5中壩基E的部分。

圖5修正后壩體與壩基各部分分布范圍

滲透系數(shù)的反演方法一般采用數(shù)值優(yōu)化方法[13-15]，其基本方法是：首先選取一組參數(shù)進(jìn)行滲流計算，將計算值與實測值進(jìn)行比較，根據(jù)計算值與實測值的差異，按不同的優(yōu)化方法對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，再進(jìn)行數(shù)值分析，直至計算值與實測值之間的差異達(dá)到最小，此時的參數(shù)即為最優(yōu)參數(shù)，本文定義了計算測壓管水頭值與實測值之間差異的函數(shù)如下：

(1)

圖6壩基滲透系數(shù)修正后正常蓄水位下

壩體與壩基水頭分布(單位：m)

通過對比表1中的滲透系數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)反演獲得的壩基E的滲透系數(shù)與心墻和壩殼A的滲透系數(shù)在同一數(shù)量級上，比心墻和壩殼A略大，但與壩基滲透系數(shù)相比要相差2～3個數(shù)量級。這也能從一定程度上驗證壩基發(fā)生淤堵的可能。另外值得一提的是，通過反演確定的壩基淤堵部位的滲透系數(shù)與壩基淤堵的范圍密切相關(guān)，淤堵范圍越大，在相同滲透系數(shù)下，浸潤線抬升越明顯，所以準(zhǔn)確的壩基淤堵部位滲透系數(shù)，需做進(jìn)一步的地質(zhì)勘察工作來確定，但可基本確認(rèn)淤堵部位的壩基滲透系數(shù)應(yīng)比原設(shè)計采用的數(shù)值要小。

表2 壩基滲透系數(shù)修正后斷面測壓管水位計算值與實測值對比

4 結(jié) 論

通過比較三溪浦水庫大壩蓄水后半年內(nèi)的穩(wěn)定滲流期觀測數(shù)據(jù)與設(shè)計計算結(jié)果可知，防滲墻下游側(cè)的測點實測值明顯高于設(shè)計計算結(jié)果，在排除防滲墻施工質(zhì)量問題的原因后，初步判斷在維修加固工程前由于壩體內(nèi)滲透坡降較大，發(fā)生了一定的滲透變形，心墻內(nèi)細(xì)顆粒在滲透坡降的作用下隨著滲透水流被帶入松散的砂礫石壩基內(nèi)沉積下來，導(dǎo)致壩基發(fā)生淤堵，從而降低了壩基部分區(qū)域的透水性，抬高了該區(qū)域的浸潤線，同時通過采用測點水位實測值對淤堵的壩基進(jìn)行滲透系數(shù)反演，發(fā)現(xiàn)反演獲得的淤堵壩基的滲透系數(shù)要大于原設(shè)計值，與原心墻的滲透系數(shù)較為接近，初步驗證了壩基發(fā)生淤堵的這一結(jié)論。