淺析磽磧大壩壩體壩基及其連接處防滲效果

(云南魯布革顧問有限公司，云南 昆明 650051)

水庫蓄水后，必然會產(chǎn)生滲漏，但過大的滲漏將抬高壩體浸潤線、增大基礎(chǔ)揚(yáng)壓力，進(jìn)而危及大壩安全[1-2]。據(jù)維也納世界大壩失事數(shù)據(jù)站統(tǒng)計，因滲流控制不當(dāng)引起大壩失事的比例為34%[3]。無疑，勘察、防滲設(shè)計及施工質(zhì)量是減少滲漏的前提；而合理布設(shè)滲流監(jiān)測設(shè)施，結(jié)合設(shè)計、規(guī)范等及時分析，尤其是重視發(fā)展趨勢和相互關(guān)聯(lián)[4-5]，則可為大壩運(yùn)行、滲漏隱患發(fā)現(xiàn)及處理等提供科學(xué)依據(jù)。

磽磧水電站位于四川省寶興縣，為Ⅱ等大(2)型工程，水庫總庫容2.12億m3，裝機(jī)容量240MW。大壩為礫石土心墻堆石壩，最大壩高125.50m，壩頂高程2143.00m，大壩按1級建筑物設(shè)計。正常蓄水位2140.00m，死水位2060.00m。壩基覆蓋層深厚，大壩采用心墻通過廊道與防滲墻連接的防滲結(jié)構(gòu)，屬國內(nèi)首創(chuàng)[3]，其受力條件十分復(fù)雜[6]，防滲措施要求較高；防滲墻底及左右岸采用灌漿帷幕深入弱風(fēng)化基巖防滲。

本文擬根據(jù)滲流監(jiān)測資料，分析評價壩體壩基及其連接處的防滲效果，以期為電站運(yùn)行及類似工程設(shè)計提供參考。

1 工程地質(zhì)及防滲排水設(shè)計

大壩壩基覆蓋層深厚，厚57～72.40m，主要為含塊(漂)碎(卵)石、卵礫石砂土、碎石土等，滲透性強(qiáng)，且其結(jié)構(gòu)、滲透性差異較大；壩址區(qū)左右岸及河谷谷底主要為碳質(zhì)千枚巖夾粉砂巖，遇水軟化嚴(yán)重，力學(xué)強(qiáng)度迅速降低。

壩體通過礫石土心墻防滲，并在心墻上下游側(cè)分別設(shè)置反濾和過渡層；壩基通過1.2m厚的混凝土防滲墻和灌漿帷幕防滲，其中防滲墻深入強(qiáng)風(fēng)化基巖2m、弱風(fēng)化基巖1m，帷幕深入弱透水巖體。防滲墻頂與心墻底部的灌漿廊道直接相連，施工質(zhì)量要求較高。在廊道周邊填筑高塑性黏土，并在廊道上下游側(cè)布置土工膜延長滲徑，下游側(cè)土工膜底部設(shè)置水平反濾層。除上述反濾排水外，還在兩岸灌漿平洞內(nèi)帷幕下游側(cè)設(shè)置排水管，長2.5m，縱向排距3.0m，右岸設(shè)置一個交通兼排水洞，將滲水排向下游。心墻、防滲墻與廊道連接結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 心墻、防滲墻與廊道連接示意圖(單位：m)

2 滲流監(jiān)測設(shè)計

為監(jiān)測壩體浸潤線及壩基排水效果，在壩體縱0+115、縱0+215、縱0+315監(jiān)測斷面布置滲壓計25支，編號P1～P25，其中河床最大壩高斷面(縱0+215)P1～P20布置見圖2。為監(jiān)測防滲墻及連接處防滲效果，在壩基防滲墻縱0+192、縱0+215、縱0+225監(jiān)測斷面上、下游側(cè)布置滲壓計11支，編號P′1～P′11，見圖2；此外，在防滲墻后沿壩基廊道布置測壓管3根，編號UP13～UP15，見圖3。為監(jiān)測壩基帷幕防滲效果，在壩基廊道兩岸平洞帷幕后布置測壓管6根，編號UP10～UP12、UP16～UP18，見圖3。為監(jiān)測壩體壩基滲流量，在右岸交通兼排水洞出口布置量水堰WE1。

3 監(jiān)測成果分析

3.1 壩體壩基滲壓

3.1.1 滲壓水位過程線

縱0+215斷面心墻上游側(cè)過渡料P1～P3、心墻P4～P9滲壓水位過程線見圖4～圖5。由圖及監(jiān)測資料可知：

a. P1～P3在庫水位低于埋設(shè)高程時，無壓；高于埋設(shè)高程時，滲壓隨庫水位變化；最高滲壓水位與庫水位接近。因其位于心墻上游側(cè)過渡料中，屬正?，F(xiàn)象。

圖2 縱0+192～縱0+225斷面壩體和防滲墻滲壓計布置注： Pi壞說明滲壓計已失效

圖3 UP10～UP18測壓管布置 (單位：m)

b.心墻滲壓計P4～P9除上部P4(埋設(shè)高程2126.50m)外，其余水位均隨庫水位升降而增減。在運(yùn)行期，P4水位變化平穩(wěn)，與庫水位相關(guān)性不明顯且高于庫水位，最高達(dá)2146.39m，分析原因應(yīng)為滲壓計受施工期心墻填筑含水影響存在孔隙水，在心墻填筑完成后，該處透水性極弱，孔隙水壓力未能完全消散所致。其余P5～P9在正常蓄水位2140.00m時，低于庫水位20～68m。

圖4 縱0+215斷面心墻上游過渡料滲壓水位過程線

圖5 縱0+215斷面心墻滲壓水位過程線

c.心墻下游側(cè)反濾料、過渡料中的P12、P14基本無壓；心墻底部水平反濾層中的P18～P20亦為無壓狀態(tài)，說明滲壓水位低于儀器埋設(shè)高程2018.00m，大壩防滲排水效果良好。

3.1.2 壩體浸潤線

縱0+215斷面壩體在典型庫水位時的浸潤線如圖6所示。可知，心墻對水頭的消殺作用顯著，在正常蓄水位時水力坡降約3.43，略大于三維滲流計算的心墻最大滲流梯度3.27，但小于室內(nèi)、現(xiàn)場滲透變形試驗(yàn)所得心墻料的平均破壞坡降5.66～7.31、6.91～12.95。同時，心墻與反濾料聯(lián)合抗?jié)B試驗(yàn)研究表明：心墻抗?jié)B破壞坡降可達(dá)31～51.32，聯(lián)合抗?jié)B效果明顯。因此，心墻在反濾料保護(hù)下是安全的。

圖6 縱0+215斷面壩體典型浸潤線

3.1.3 心墻位勢

當(dāng)滲流場穩(wěn)定后，在同庫水位條件下，心墻位勢應(yīng)基本相同。據(jù)此，計算得到有代表性的心墻滲壓計P6～P9在最高庫水位時的典型位勢，見表1。位勢計算公式如下：

φ=[(hi-H2)/(H1-H2)]×100%，H2≥H3

(1)

φ=[(hi-H3)/(H1-H3)]×100%，H2

(2)

式中，φ為位勢，%；hi為測點(diǎn)水位，m;H1為庫水位，m;H2為下游水位，m;H3為心墻建基面高程，為2017.50m。

可見，正常蓄水位附近時，心墻軸線處的位勢在79.7%～93.7%之間，高于心墻下游側(cè)P9的位勢47.1%～51.9%。心墻軸線處的位勢與類似工程(位勢多在70%～90%之間)基本一致，且同庫水位時，位勢相差不大，說明心墻滲流場相對穩(wěn)定，心墻防滲性能良好。

表1 心墻位勢特征值統(tǒng)計

3.2 防滲墻后滲壓

防滲墻后P′6～P′8滲壓計和UP13～UP15測壓管水位過程線見圖7～圖8，滲壓水位沿高程分布見圖9。

圖7 縱0+192斷面防滲墻后滲壓水位過程線

圖8 縱0+197～0+227斷面防滲墻后測壓管水位過程線

圖9 防滲墻后滲壓水位沿高程典型分布圖(庫水位2140.19m)(單位：m)

從圖7～圖8及監(jiān)測資料可知，防滲墻前滲壓計P′1、P′5在失效前的滲壓水位與庫水位相關(guān)性較好，最小水頭差小于5m，屬正?，F(xiàn)象；防滲墻后滲壓計測壓管水位受庫水位影響呈年周期性波動，但變幅明顯小于防滲墻前滲壓水位。從圖9可知，防滲墻底與帷幕連接處滲壓水位最高，防滲墻頂與廊道連接處次之，防滲墻中部最低，表明防滲墻與廊道及帷幕連接處存在滲水，但最高滲壓水位與庫水位水頭差大于92m，說明滲水輕微。

另一方面，縱0+227斷面UP14測壓管水位在蓄水初期較高，遠(yuǎn)高于兩側(cè)UP13、UP15(相距30m、29m)水位，且與庫水位密切相關(guān)，如2008年10月28日庫水位2139.70m時，UP14水位為2085.91m，超過設(shè)計控制指標(biāo)2030.00m[7]，僅消殺了46.21%的水頭。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合地質(zhì)、設(shè)計、施工等資料綜合分析，認(rèn)為最可能的原因是UP14對應(yīng)防滲墻段或防滲墻與廊道連接處存在防滲缺陷。之后于2009年初對UP14對應(yīng)防滲墻段進(jìn)行了灌漿處理。處理后至今，該測壓管水位低于2027m，表明灌漿已封堵滲漏通道。

3.3 壩基兩岸帷幕后滲壓

壩基左岸帷幕后UP10～UP12測壓管水位過程線見圖10，位勢沿軸線分布見圖11。由圖及監(jiān)測資料可知：

圖10 壩基左岸帷幕后測壓管水位過程線

a.左岸UP10～UP12測壓管水位與庫水位相關(guān)，在蓄水初期水位較高，如2008年11月23日(庫水位2139.05m)，UP10～UP12水位分別為2071.63m、2058.37m、2066.53m，相應(yīng)消殺水頭55.70%、66.65%、59.91%，帷幕可能存在防滲薄弱部位。但UP10在2011年之后，UP11、UP12在2009年之后，水位均有降低且漸趨于穩(wěn)定，如2018年10月27日(庫水位2138.58m)，UP10～UP12水位分別為2055.11m、2052.25m、2059.59m，相應(yīng)消殺水頭69.23%、71.60%、65.51%。分析原因應(yīng)為隨時間推移，細(xì)顆粒淤堵部分滲水通道，帷幕防滲效果漸好。

b.右岸UP16～UP18測壓管水位與庫水位相關(guān)，蓄水初期水位有所波動，最高2065.75m(UP16，2007年10月23日，庫水位2118.49m)；后期水位基本呈逐年下降趨勢，2018年10月27日(庫水位2138.58m)，最高水位2037.80m(UP16)，消殺水頭達(dá)83.58%。帷幕防滲效果良好。

c.防滲墻的防滲效果優(yōu)于兩岸帷幕，左岸帷幕優(yōu)于右岸。近年來，同庫水位時，位勢分布規(guī)律相差較小，滲流場基本穩(wěn)定。

3.4 滲流量

滲流量可直觀反映大壩防滲效果[1]。壩體壩基滲流量隨庫水位升降周期性波動，見圖12。去除受灌漿施工影響測值，最大滲流量29.72L/s，未超設(shè)計值58.50L/s。2009年初對右岸中部2183m高程灌漿平洞35號出水點(diǎn)灌漿封堵后，滲流量明顯變小，且逐年仍有所減小，近年來最大值小于16.50L/s，也表明大壩防滲效果良好。

圖12 滲流量過程線

進(jìn)一步以多元逐步回歸統(tǒng)計模型對滲流量影響因子進(jìn)行探討，模型構(gòu)造如下[8-9]：

式中，xHi、xθj、xRk、xTl分別為水壓、時效、降雨、溫度因子；ai、bj、ck、dl為待定系數(shù)，const為常數(shù)。

選取2007年12月—2018年9月共377個測值建模。不考慮多場耦合作用而未計入溫度因子?？紤]到滲流量存在滯后效應(yīng)，選取觀測當(dāng)日、前10日、前30日平均水位與基準(zhǔn)日、基準(zhǔn)日前10日、30日平均水位差的1、2、3次方ΔH1、(ΔH1)2、(ΔH1)3，ΔH10、(ΔH10)2、(ΔH10)3，ΔH30、(ΔH30)2、(ΔH30)3等9個水壓因子，W1、W10、W30等3個降雨因子，t/100、ln(t/30+1)、1-e-0.01t、lg(t+1)等4個時效因子，另外，為反映右岸中部2183m高程灌漿平洞35號出水點(diǎn)灌漿封堵效果，增加1個時效因子lg(t0+1)，總計17個影響因子進(jìn)行分析。

經(jīng)計算，求得的最優(yōu)模型方程如下：

Q=19.36+0.1409ΔH1+0.0009(ΔH10)2+0.1598ΔH30+0.0024(ΔH30)2+0.00002(ΔH30)3-0.1057W30+19.8056(1-e-0.01t)-8.8612log(t+1)+0.6003log(t0+1)

觀測值、擬合值、擬合誤差過程線見圖13，分量過程線見圖14。方程相關(guān)系數(shù)R、顯著性檢驗(yàn)值F、標(biāo)準(zhǔn)差σ分別為0.9623，510.27，1.6472。觀測值和計算值擬合較好，有95.49%的殘差在±2σ范圍內(nèi)，可用于滲流量監(jiān)控預(yù)報。

圖13 滲流量觀測值、擬合值和擬合誤差過程線

圖14 滲流量水壓、降雨、時效分量過程線

計算結(jié)果表明，水壓分量對滲流量影響最大，占71.4%，呈周期性變化；降雨影響較小，僅占4.4%；時效分量占24.2%，初期略有增大，之后特別是35號出水點(diǎn)灌漿處理后，呈逐漸減小趨勢，符合一般變化規(guī)律，有利于壩體壩基的滲透穩(wěn)定。預(yù)測2019年12月31日滲流量為15.23±3.30L/s。

4 防滲效果評價

a.磽磧大壩心墻滲壓水位隨庫水位升降呈周期性波動，因埋設(shè)高程不同，與庫水位水頭差介于20～68m之間；心墻對水頭的消殺作用顯著，在正常蓄水位時水力坡降約3.43，在設(shè)計計算及試驗(yàn)范圍內(nèi)，心墻在反濾料保護(hù)下是安全的；心墻軸線處的位勢在79.7%～93.7%之間，與類似工程基本一致，且歷年同庫水位條件下相差不大。心墻防滲性能良好。

b.心墻下游側(cè)過渡料、反濾料和心墻底部水平反濾層中滲壓基本為零，表明大壩防滲排水效果良好。

c.防滲墻后滲壓水位與庫水位有關(guān)，但變幅明顯小于墻前滲壓水位；防滲墻頂與廊道連接處、墻底與帷幕連接處存在輕微滲水，但不影響正常運(yùn)行；蓄水初期發(fā)現(xiàn)的防滲墻缺陷經(jīng)灌漿處理后，墻后測壓管水位迅速降低并趨于穩(wěn)定，灌漿處理效果明顯。

d.壩基防滲墻的防滲效果優(yōu)于兩岸帷幕，兩岸帷幕后測壓管水位基本穩(wěn)定或逐年有所下降，目前消殺水頭65.51%～83.58%，防滲效果良好。

e.壩體壩基總滲流量不大，隨時間推移呈減小趨勢，有利于大壩穩(wěn)定。

綜上，各種滲流監(jiān)測資料均表明磽磧大壩礫石土心墻、防滲墻及其連接處保持了完整性，整體防滲效果顯著。但鑒于大壩較高、防滲結(jié)構(gòu)特殊等，后期仍應(yīng)密切關(guān)注其滲流滲壓變化。

5 結(jié) 語

磽磧水電站礫石土心墻堆石壩具有壩高、覆蓋層深厚、防滲結(jié)構(gòu)特殊等特點(diǎn)，因此設(shè)計布置了較為完善的滲壓計、測壓管和量水堰等滲流監(jiān)測設(shè)施。同時，業(yè)主對安全監(jiān)測工作較為重視。電站蓄水運(yùn)行后，監(jiān)測分析過程中采用定性和定量分析方法相結(jié)合，針對發(fā)現(xiàn)的異常測值，在驗(yàn)證數(shù)據(jù)無誤的前提下，結(jié)合工程地質(zhì)、設(shè)計、施工等因素及時綜合分析查找原因，提出處理建議，反饋業(yè)主和設(shè)計單位，相應(yīng)采取處理措施，確保了電站的長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

此外，受現(xiàn)場條件限制，磽磧大壩監(jiān)測壩體壩基總滲流量的量水堰布置于右岸交通兼排水洞出口，未能很好地攔截壩基滲流，以致總滲流量偏小。

再者，對于高土石壩，應(yīng)重視分區(qū)滲流量的監(jiān)測設(shè)計，條件允許時，應(yīng)分別在壩基左右岸灌漿廊道、壩肩中部左右岸灌漿廊道等部位，以及壩基下游挖截水槽后設(shè)置量水堰；若能觀測每個排水孔的滲流量則更好。

最后，對于深厚覆蓋層上高土石壩采用防滲墻通過廊道與心墻連接的防滲體系，連接處的防滲止水以及三者的變形協(xié)調(diào)性尤為重要。在做好前期勘察和設(shè)計模擬計算工作的同時，運(yùn)行期根據(jù)監(jiān)測資料，適時對其抗?jié)B穩(wěn)定性和變形協(xié)調(diào)性進(jìn)行計算分析也是必要的。