岱山水庫大壩測壓管觀測數(shù)據(jù)分析研究

劉欣桐，孫 硯，王智超

（安徽水安建設(shè)集團(tuán)股份有限公司綜合設(shè)計院，安徽 合肥 230009）

大壩的滲流安全問題，在大壩的整體安全中占有重要地位。據(jù)國內(nèi)外大壩失事原因的調(diào)查統(tǒng)計，因滲流問題而失事的比例高達(dá)30%～40%。對土石壩而言，滲透水流除浸濕土體降低其強(qiáng)度指標(biāo)外，當(dāng)滲透力達(dá)到一定程度時將導(dǎo)致壩坡滑動、防滲體被擊穿、壩基管涌、流土等重大滲流事故，直接影響大壩的運(yùn)行安全[1]。大壩原型監(jiān)測是掌握大壩的運(yùn)行狀態(tài)、保證大壩安全運(yùn)行的重要措施，也是檢驗(yàn)設(shè)計成果、監(jiān)察施工質(zhì)量和認(rèn)識大壩的各種物理量變化規(guī)律的有效手段[2]。因此，對水庫測驗(yàn)管觀測數(shù)據(jù)的分析研究，對判斷大壩的運(yùn)行狀態(tài)有著重要的意義。

1 工程概況

岱山水庫位于安徽省定遠(yuǎn)縣池河鎮(zhèn)七里河村境內(nèi)，屬淮河流域池河水系七里河支流。該水庫是一座集供水、防洪、灌溉、水產(chǎn)養(yǎng)殖為一體的綜合利用的中型水庫，集雨面積68.00 km2，總庫容為3210萬m3，正常蓄水位50.40 m，水庫按50年一遇洪水設(shè)計，設(shè)計水位為51.85 m，1000年一遇洪水校核，校核水位為52.59 m。岱山水庫大壩為塑性混凝土心墻壩，壩體填土以重粉質(zhì)壤土為主，局部夾有風(fēng)化殘骸，粘粒含量少，壩體填筑土部分比較松散，碾壓效果較差，透水性強(qiáng)。特別是在分期筑壩時各層填土交界面處，施工層面處理不良，各層填土膠結(jié)處滲透系數(shù)偏大。壩頂高程53.76 m，壩頂寬度5.50 m，大壩壩頂全長826.00 m，最大壩高23.70 m。岱山水庫始建于1957年，1958年7月基本完工并發(fā)揮效益，至現(xiàn)狀規(guī)模共歷四期施工，2010年進(jìn)行了水庫除險加固工程，采用塑性混凝土進(jìn)行全壩段防滲，防滲墻頂高程53.20 m，防滲長度為756 m，墻體厚0.4 m，墻體最大深度為24.70 m，底部深入基巖1.00 m。

根據(jù)水庫運(yùn)行資料，溢洪道（樁號0+430～0+499.5）南側(cè)壩體自2012年起有嚴(yán)重的集中滲漏現(xiàn)象發(fā)生，且逐年增大。自2010年起，北放水涵（樁號0+200）南側(cè)背水坡抗震平臺高水位時有大面積潮濕、散浸。

2 觀測設(shè)施布置及水位數(shù)據(jù)采集

現(xiàn)有大壩測壓管為2010年除險加固工程中完善的監(jiān)測設(shè)施，在迎水坡、背水坡埋設(shè)5排29根測壓管，其中壩身測壓管13根，壩基測壓管16根。滲流觀測數(shù)據(jù)為人工方式采集，降雨量及上游水位觀測數(shù)據(jù)采用壩址處觀測站自動監(jiān)測。

3 測壓管觀測資料整理分析

結(jié)合水庫運(yùn)行情況，本次選取發(fā)生滲流異常斷面的測壓管數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，分別為北放水涵南側(cè)測壓管斷面0+200、溢洪道南側(cè)測壓管斷面0+521，分析時間序列為除險加固后2012年1月～2019年1月。數(shù)據(jù)收集過程中由于設(shè)備故障等原因發(fā)生漏測或數(shù)值異常等現(xiàn)象，在統(tǒng)計分析前剔除異常數(shù)據(jù)，并用插值法補(bǔ)全缺失值，形成完整的長序列觀測數(shù)據(jù)。

3.1 測壓管水位與庫水位相關(guān)分析

通過對測壓管觀測數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，定性分析庫水位對測壓管水位的影響，本文考慮到降雨等地表水對深埋的壩基測壓管水位影響不大，選取壩基測壓管與庫水位進(jìn)行相關(guān)分析。選取除險加固后2012年1月～2019年1月的庫水位和相應(yīng)各斷面壩基測壓管水位，建立一元線性回歸的數(shù)學(xué)模型，計算相關(guān)系數(shù)。

表1 壩基測壓管水位與庫水位相關(guān)分析成果表

通過各測壓管測值與庫水位的相關(guān)性分析表明，混凝土防滲墻前測點(diǎn)相關(guān)系數(shù)大于墻后測點(diǎn)，越往下游，相關(guān)系數(shù)越小，即相關(guān)性越低，符合大壩滲流基本規(guī)律。

在大壩工程中，根據(jù)數(shù)據(jù)樣本和一元線性回歸方程，認(rèn)定相關(guān)系數(shù)0.8以上，可以認(rèn)為相關(guān)性較好；0.4＜相關(guān)系數(shù)＜0.8，為弱相關(guān)；0.4以下則不相關(guān)[3]。從表1成果可知，壩基測壓管除了I-1'測壓管位弱相關(guān)，其余斷面測壓管均為不相關(guān)。根據(jù)岱山水庫勘察資料，壩基為花崗巖，相對壩體為相對不透水層，壩基測壓管與庫水位相關(guān)性差，說明壩基整體無裂隙。

3.2 測壓管水位過程分析

0+200測壓管斷面位于北放水涵南側(cè)，I-1'、I-2'測壓管位于防滲墻前后，防滲墻有效削減水頭4.13 m（約25%），防滲效果一般。I-1'測壓管水位長年逼近庫水位，近兩年來測壓管水位低于庫水位僅1.34 m，結(jié)合地質(zhì)勘探成果，壩體填土填筑不密實(shí)，壩體與壩基結(jié)合部位施工處理較差，導(dǎo)致防滲墻前測壓管水位長期居高，抬高了出溢高程，與大壩運(yùn)行中北涵南側(cè)抗震平臺大面積潮濕、散浸現(xiàn)象相吻合。I-2'、I-3'測壓管水位過程線基本重合，根據(jù)測點(diǎn)平面布置，I-3'測點(diǎn)位于北放水涵出口上游側(cè)且未設(shè)反濾排水，測值合理可信。

圖1 0+200測壓管斷面水位過程線

0+521測壓管斷面位于正常溢洪道南側(cè)，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，溢洪道南側(cè)壩體庫水位高于49.00 m時有嚴(yán)重的集中滲漏現(xiàn)象，從2012年至今每年滲漏量逐年增大。根據(jù)除險加固情況，滲漏段防滲體為溢洪道原有漿砌石刺墻加高段。根據(jù)測壓管平面布置，Ⅳ-1'測壓管位于防滲墻體后，而實(shí)測測壓管水位常年接近于庫水位，近兩年來測壓管水位低于庫水位僅0.73 m，判斷此處防滲體破壞，加上壩前斷面薄弱，導(dǎo)致測壓管測值較高。Ⅳ-2'測壓管測值歷年來較為穩(wěn)定，2018年11月開始測值下降3.5 m，此測點(diǎn)北側(cè)20 m有集中滲漏點(diǎn)，判斷受發(fā)展性集中滲漏影響，測壓管水位急劇下降并保持短時間內(nèi)穩(wěn)定。

圖2 0+521測壓管斷面水位過程線

3.3 比降分析法

比降分析法就是計算出某一斷面測壓管之間的水力坡降i，如果i小于臨界水力坡降ier，這認(rèn)為該斷面滲透處于穩(wěn)定狀態(tài)。如果大于臨界水力坡降ier，則需要進(jìn)一步論證分析[4]。水力坡降計算公式為，根據(jù)該公式，按2018年4月10日測壓管數(shù)據(jù)分別計算壩基及壩體水力坡降（庫水位50.41 m），見表2。

表2 壩基測壓管觀測數(shù)據(jù)水力坡降計算值

根據(jù)地勘成果，測壓管所在重粉質(zhì)壤土層臨界水力比降均為0.95，允許比降為0.47，塑性混凝土心墻前后斷面允許比降60。根據(jù)表2水力坡降計算結(jié)果，測壓管斷面間水力坡降計算值均小于土體和防滲體的允許比降。

4 測壓管觀測資料分析

（1）通過測驗(yàn)管水位相關(guān)分析與回歸分析得知，測壓管數(shù)據(jù)與庫水位的相關(guān)系數(shù)整體符合大壩滲流基本規(guī)律，測值準(zhǔn)確可信。壩基為相對不透水層，壩基測壓管與庫水位相關(guān)性很差，說明壩基整體無裂隙，不存在壩基滲漏安全隱患。

（2）通過作圖法對滲漏斷面附近測壓管2012年1月～2019年1月水位過程進(jìn)行分析，0+200北放水涵南側(cè)壩體防滲墻上游側(cè)測壓管水位長年逼近庫水位，結(jié)合地勘成果：壩體土填筑不密實(shí)、壩體與壩基結(jié)合部位施工處理較差，導(dǎo)致高水位出逸；根據(jù)0+521測壓管數(shù)據(jù)分析，防滲墻后測壓管水位常年接近于庫水位，結(jié)合運(yùn)行中正常溢洪道南側(cè)存在的發(fā)展性集中滲漏，判斷為防滲體破壞，加之此處壩身斷面單薄，導(dǎo)致在庫水位高于49.00時就有嚴(yán)重的集中滲漏現(xiàn)象發(fā)生，且集中滲漏影響范圍在壩體內(nèi)有擴(kuò)大。

5 結(jié)語

本文采用多種方法對測壓管實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合運(yùn)行中大壩存在的滲流問題，根據(jù)土石壩滲流基本理論，定性判斷測壓管觀測數(shù)據(jù)與大壩滲流安全的可能聯(lián)系。通過對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析，判斷大壩出現(xiàn)險情的可能原因和發(fā)展趨勢，分析方法可為其他水庫在分析類似問題時提供參考。