汾河二庫除險加固后的大壩滲流效果分析

范術芳

（山西省水利建設開發(fā)中心）

汾河二庫是我省的大型水庫之一，于1996年11月開工建設，1999年12月下閘蓄水，2007年7月竣工驗收。由于工程未按照設計內(nèi)容全部完工，自開始蓄水運行近20 a來從未達到正常蓄水位，而且壩面出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，對壩基的抗滑穩(wěn)定性和壩基滲漏量影響較大。2014年山西省人民政府啟動了晉祠泉復流工程，要求汾河二庫抬高蓄水位以滿足供水要求。為確保大壩在高水位運行情況下的穩(wěn)定安全，汾河二庫開展了除險加固。

滲流控制是影響工程安全建設和運行的決定性因素之一，大壩滲流是滲流力學實際應用的一個方面。滲流力學是一門能夠解決各種復雜工程問題的年青學科，現(xiàn)已在理論基礎、試驗措施、計算方法和分析應用等方面取得了重大發(fā)展。我國對大壩滲流的研究，經(jīng)歷了實驗研究、數(shù)值模擬和實際應用等階段，并應用多種理論、方法，建立監(jiān)控模型對滲流進行預警。為了研究汾河二庫除險加固工程效果，確保大壩蓄水安全，我們對大壩進行了滲流監(jiān)測，通過對比除險加固前后壩基揚壓力和大壩滲流量的數(shù)值變化以及與水庫運行水位的關系，分析大壩灌漿后的防止?jié)B流效果。

1 工程簡況與除險加固情況

汾河二庫位于太原市尖草坪區(qū)與陽曲縣交界處的懸泉寺，壩址距上游汾河水庫80 km，距下游太原市區(qū)30 km。控制流域面積2 348 km2，多年平均入庫徑流量1.45億m3，總庫容1.33億m3，是汾河上游干流上的一座以防洪為主，兼有供水、發(fā)電、旅游、養(yǎng)殖等綜合效益的大（Ⅱ）型水利樞紐工程。水庫建成后，每年可向太原市增供4 000萬m3工業(yè)和城市生活用水，對區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展和保障下游人民群眾的生命財產(chǎn)安全，起到了重要作用。

由于汾河二庫主體工程驗收時大壩灌漿工程未進行實施，遺留的工程包括部分固結(jié)灌漿工程、部分帷幕灌漿工程、全部接觸灌漿工程及并縫灌漿工程、壩體排水工程，對壩基的抗滑穩(wěn)定性和壩基滲漏量影響較大，存在著一定的安全隱患。水庫自2000年經(jīng)過蓄水安全鑒定以后開始蓄水，運行多年來庫水位從未達到過正常蓄水位，最高水位為896.93 m。為了加大汾河向晉祠泉域的補水力度，汾河二庫于2014年11月開展了應急專項除險加固工程，并于2015年8月29日完工。主要建設內(nèi)容包括：大壩下游F10斷層混凝土連續(xù)墻加固及固結(jié)灌漿，左岸防滲墻下巖基固結(jié)灌漿和帷幕灌漿，右壩肩上游帷幕灌漿，左右壩肩下游帷幕灌漿，壩基接觸灌漿和壩體并縫灌漿，以及廊道自動排水系統(tǒng)改造。

2 滲流觀測設施布置

汾河二庫大壩壩基揚壓力通過壓力表觀測，采用縱、橫監(jiān)測斷面相結(jié)合的布置方式?？v向監(jiān)測斷面沿壩軸線方向布置，在縱5#和縱6#廊道內(nèi)各設一縱向監(jiān)測斷面，每個壩段設一個監(jiān)測孔，共布置10個孔，用來監(jiān)測大壩上下游面的壩基揚壓力；橫向監(jiān)測斷面沿橫1#廊道和橫2#廊道內(nèi)各設5個監(jiān)測孔，用來監(jiān)測壩體內(nèi)各壩段的壩基揚壓力，其中橫1#廊道的測點分別為Up2-Up6，橫2#廊道的測點分別為Up9-Up13，共布置10個孔。壩基揚壓力孔分布見表1。

表1 壩基揚壓力孔分布表

汾河二庫在各橫向廊道排水溝通往下游的出口處和通往集水井的排水溝，均布置有量水堰，以監(jiān)測大壩基礎的滲流量。壩體滲漏水經(jīng)排水管匯入基礎灌漿排水廊道上游排水溝后，用量水堰量測。汾河二庫壩基廊道共設有6個量水堰監(jiān)測點，其中1#集水井內(nèi)設有2個量水堰，基本反映大壩左岸排水孔滲流量；2#集水井內(nèi)設有2個量水堰，基本反映大壩右岸排水孔滲流量。揚壓力和量水堰測點布置見圖1。

本研究監(jiān)測資料，時間序列為2014年5月1日至2016年9月30日，監(jiān)測數(shù)據(jù)涉及水位、壩基揚壓力、滲流量數(shù)據(jù)，并包含了水庫除險加固前、工程建設期和除險加固后的數(shù)據(jù)，為對比分析奠定了基礎。

3 除險加固后大壩防止?jié)B流效果分析

3.1 壩基揚壓力分析

壩基揚壓力是作用在壩底的一種重要荷載，它減少了壩體的有效重量，降低了壩體的抗滑能力與抗?jié)B性能，對大壩的穩(wěn)定、應力、變形都有明顯的影響。為了解在庫水位的作用下壩基的滲透情況，以校核大壩的安全性，檢查帷幕的工作狀況和排水孔的工作效果，檢驗實際與設計的差別，需進行壩基揚壓力觀測。橫1#廊道和橫2#廊道基本未觀測到數(shù)據(jù)，大壩左壩段Up7、中間壩段Up8、右壩段Up20均監(jiān)測到揚壓力數(shù)據(jù)。因此，本文選用Up7、Up8、Up20壩段的壩基揚壓力監(jiān)測值，對大壩除險加固前后各壩段的壩基揚壓力進行對比分析。庫水位—壩基揚壓力過程線見圖2。

由圖2可以看出，水庫在除險加固工程前，壩基揚壓力與庫水位存在一定的正相關，除險加固工程完成后，幾乎不受庫水位的影響。左壩段（Up7）的壩基揚壓力明顯高于中間壩段和右壩段，而且在水庫除險加固前后變化不明顯，因此，建議加強對左壩段壩基揚壓力的觀測。中間壩段（Up8）和右壩段（Up20）壩基揚壓力變化趨勢是一致的，水庫除險加固后顯著減小。2014年5月至10月，水庫未開展應急專項除險加固工程前，壩基揚壓力隨庫水位升高而增加，而且揚壓力值較大；2015年1月至8月，水庫處于應急專項除險加固工程建設期，壩基揚壓力較除險加固前顯著減小，而且受庫水位的影響減?。?015年9月至2016年9月，水庫除險加固完成后，壩基揚壓力較為穩(wěn)定，變化不明顯。

圖1 揚壓力和量水堰測點布置圖

圖2 庫水位—壩基揚壓力過程線圖

3.2 滲流量分析

圖3 庫水位與集水井滲流量過程線圖

為驗證大壩壩基的帷幕灌漿效果，對水庫除險加固前后壩基滲流量進行對比分析。1#、2#集水井滲流量過程線如圖3所示。由圖3可以看出，集水井滲流量總體呈下降趨勢，且與庫水位不存在明顯相關性。集水井滲流量變化大致分為三個階段：第一階段為2014年5-10月，水庫未進行除險加固，大壩灌漿工程未進行實施，滲流量逐漸減少，但降幅不大；第二階段為2015年1-8月，水庫處于除險加固工程建設期，由于摻雜了當時進行的帷幕灌漿施工用水，滲流量呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢；第三階段為2015年9月至2016年9月，水庫完成了除險加固，大壩滲流量呈逐漸減小的趨勢，尤其是大壩右壩段變化趨勢明顯。

由以上分析可以看出，汾河二庫在除險加固前后，集水井滲流量變化較大，大壩壩基的滲流量在水庫除險加固后明顯減少。由此可見，汾河二庫除險加固效果明顯，大壩壩基的帷幕灌漿對滲流量產(chǎn)生了較大影響，大壩更趨于安全穩(wěn)定，為水庫的蓄水安全提供了保證。

4 結(jié)論

本文通過對比分析汾河二庫除險加固前后壩基揚壓力和滲流量的數(shù)值變化，以及與水庫運行水位的關系，對大壩灌漿后的滲流效果進行了分析，主要可得到以下幾點結(jié)論：

（1）壩基揚壓力在汾河二庫除險加固前受庫水位變化的影響較為明顯，隨庫水位升高而增加；水庫除險加固工程完成后，大壩左壩段降幅不大，中間壩段和右壩段壩基揚壓力明顯減小。從壩基揚壓力變化可以看出，除險加固后汾河二庫壩基穩(wěn)定性更好，除險加固效果明顯，大壩安全性較除險加固前更高。

（2）集水井滲流量受庫水位影響不明顯，水庫完成除險加固工程后滲流量明顯減少，而且大壩右壩段滲流量的變幅較大。由此可以看出，汾河二庫在除險加固后大壩左右壩段滲流量均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，除險加固效果明顯，大壩更趨于安全穩(wěn)定。