柳樹溝水庫大壩浸潤線觀測分析

金永超

（新疆沙灣縣金溝河水管所，新疆 沙灣 832100）

1 工程概況

新疆沙灣縣柳樹溝水庫位于天山北緣、金溝河與準(zhǔn)格爾盆地南緣所形成的山前沖擊平原，與沙灣縣城相距24.8 km。柳樹溝水庫大壩為瀝青砼心墻砂礫石壩，其建筑物等級為4 級。水庫正常蓄水位425.88 m，死水位為419.68 m，壩頂高程427.40 m，防浪墻頂高程428.60 m，壩頂總長度4394 m，主壩段壩頂長755 m，壩頂寬8.0 m，壩底寬度63.7 m，東壩長1956 m，西壩長1683 m，最大壩高12.35 m。大壩上游壩坡坡比為1∶2.5，大壩下游壩坡坡比為1∶2.0，排水棱體頂寬3.0 m，坡比1∶1.9。大壩下游馬道結(jié)合上壩公路設(shè)置，馬道寬8.0 m。上游壩坡采用250 mm 厚的現(xiàn)澆C25 砼板護坡，下游壩坡采用150 mm厚預(yù)制網(wǎng)格梁護坡。水庫自2000年投入運行以來，壩基和壩肩一度出現(xiàn)嚴重滲漏和壩坡散浸，于2017年對壩基和壩肩地進行了固結(jié)灌漿加固。

2 水庫大壩地質(zhì)條件

柳樹溝水庫位于山前丘陵區(qū)的金溝河和瑪納斯河河間沖洪積平原堆積帶，以第四紀全新世沖洪積堆積為主。區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造基本穩(wěn)定，本區(qū)地震動峰值加速度為0.15 g（地震基本烈度為Ⅶ度）。庫區(qū)地層由第四紀全新世沖洪積堆積（Q4al+pl）組成，巖性以粘性土和粉細砂為主，微～弱透水，地下水埋深由庫區(qū)上游至下游由深變淺，地下水由南向北排泄。庫岸無高陡邊坡，相對穩(wěn)定。

庫區(qū)主要工程地質(zhì)問題是：①水庫淹沒、浸沒問題，當(dāng)庫水位在高水位時，將因風(fēng)浪作用淹沒兩座泵房并危及西北側(cè)居民住宅，壩后地下水位上升產(chǎn)生次生鹽漬化及沼澤。建議沿庫區(qū)周圍多種植草木，并在壩后開挖排水渠，從而降低地下水位、減輕壩后的次生鹽漬化；②水庫區(qū)塌岸問題，對庫區(qū)兩岸陡直邊坡及右岸單薄岸坡在庫水位陡漲、驟降時將會加速塌岸過程，使水庫在高水位運行時存在漫頂潰壩風(fēng)險。

根據(jù)勘察結(jié)果水庫大壩壩體存在如下質(zhì)量問題：①壩體壓實系數(shù)0.84，壓實度較差，且不均勻，大壩土體具中等～高壓縮性；②壩體土滲透系數(shù)4.29×10-4～7.82×10-4cm/s，按照《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL 274-2001），均質(zhì)壩土料壓實后滲透系數(shù)指標(biāo)應(yīng)小于1×10-4cm/s；③大壩迎水坡無襯護，無非常溢洪道，且放水涵洞淤積嚴重，不利于大壩安全運行。

3 浸潤線觀測過程及結(jié)果

3.1 測點布設(shè)

本水庫大壩浸潤線觀測設(shè)備為測壓管，在測驗管內(nèi)設(shè)置滲壓計和繩式電測水位計，5 d 觀測數(shù)據(jù)為一組。根據(jù)水庫大壩結(jié)構(gòu)及觀測需要，設(shè)置14個測點并以此編號為D1～D14，其中D1～D6 觀測點設(shè)置在大壩橫斷面，主要用于壩頂及壩坡的浸潤觀測，D1 和D3 測點設(shè)置在壩體心墻墻體內(nèi)，D2 測點設(shè)在防滲心墻后面基巖，D4～D6測點穿過水庫大壩壩殼料設(shè)置；D7～D10 測點主要進行岸坡浸潤線變動趨勢監(jiān)測；D11～D14測點主要進行岸坡固結(jié)灌漿防滲加固效果檢測。

3.2 大壩主斷面浸潤線觀測

庫水位與壩體浸潤線變動存在密切關(guān)系，為此，必須結(jié)合水庫蓄水放水過程進行壩體浸潤線觀測分析。對柳樹溝水庫大壩主斷面浸潤線分析以測壓管監(jiān)測數(shù)據(jù)為主，庫水位整體歷經(jīng)多次變動，峰值出現(xiàn)在每年3～4月，低谷則在7～8月，其余時段變化過程緩慢。主壩測壓管水位變動與庫水位變動趨勢接近，測壓管水位平均變幅為1.5 m，隨著庫水位高程的變化，D1 和D3 檢測管水位波動趨于平穩(wěn)，且檢測管越靠近下游其波動幅度越小，說明水庫壩體防滲結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定，壩殼排水性能良好。

壩體滲流觀測及浸潤線情況分析表明，在水庫壩體結(jié)構(gòu)、測點設(shè)置、不穩(wěn)定滲流等影響下，在庫水位開始變化到測壓管水位出現(xiàn)相應(yīng)變化之間存在時間延遲，浸潤線比庫水位變化滯后。在水庫運行過程中，水位及砂礫石壩浸潤線始終處于動態(tài)變化過程，而且壩體內(nèi)無壓滲流也呈不穩(wěn)定變化，這種不穩(wěn)定與滯后性難以避免?？紤]到壩體內(nèi)滲流場持續(xù)變動的情況，進行壩體浸潤線觀測分析時只能基于特征水位并按時間節(jié)點進行其內(nèi)部滲流斷面浸潤線分析，但只要滯后時間長期保持穩(wěn)定，浸潤線便能在一定程度上反映出壩體穩(wěn)定情況。此次對柳樹溝水庫大壩浸潤線觀測滯后時間為10～13 d，且較穩(wěn)定，表明水庫大壩壩體滲流基本穩(wěn)定。

3.3 左右岸邊坡浸潤線觀測

柳樹溝水庫大壩壩坡巖層破碎，繞滲可能性較大，水庫除險加固過程中進行了兩岸壩坡固結(jié)灌漿處理，左右岸坡設(shè)置的D11～D14測點主要用于防滲加固效果檢測。對左右岸坡滲壓水位變化進行分析，結(jié)果表明：壩肩測壓管水位和庫水位正向相關(guān)，庫水位為425.88 m 時，右岸壩肩帷幕區(qū)測壓管水位、馬道水位、后壩坡水位分別為429.96 m、437.91 m、436.20 m；左岸壩肩帷幕區(qū)帷幕前后測壓管水位分別為427.85 m、428.47 m。通過對帷幕防滲加固前后測壓管水位變化情況的分析，滲壓水頭折減幅度小，而實測結(jié)果表示，大壩壩體并未出現(xiàn)滲流溢出及巖體潮濕問題。

柳樹溝水庫大壩壩肩浸潤線超出設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)主要由其左、右岸壩肩處滲壓水位偏高導(dǎo)致，其壩肩滲壓水位偏高主要由以下原因引起：庫岸岸坡除險加固后山體中仍存在微弱滲流；岸坡巖層內(nèi)孔隙發(fā)育，山體內(nèi)孔隙毛細作用頻繁且山體內(nèi)排水不暢。固結(jié)灌漿加固前后滲壓水位折減幅度不大，但壩肩滲流水位變動規(guī)律與庫水位一致，所以水庫左、右岸壩肩滲流基本穩(wěn)定。

3.4 壩坡穩(wěn)定性分析

為進行觀測結(jié)果準(zhǔn)確性驗證，必須對水庫穩(wěn)定性進行理論計算，計算前進行大壩土體物理力學(xué)指標(biāo)鉆孔取樣測試，設(shè)置6個鉆孔，壩體鉆孔檢查取得土體樣本40組，土體物理力學(xué)指標(biāo)試驗結(jié)果見表1。

表1 土體物理力學(xué)指標(biāo)試驗結(jié)果

柳樹溝水庫大壩心墻墻體為沙壤土，滲透系數(shù)低，隨著庫水位的急劇下降，壩體浸潤線水位并不會表面出明顯的波動，考慮到大壩安全運行實際，壩坡穩(wěn)定性分析仍以穩(wěn)定滲流期內(nèi)心墻浸潤線為基礎(chǔ)，只考慮水庫以外水位下降對水庫大壩穩(wěn)定性的影響。

穩(wěn)定計算采用北京理正軟件設(shè)計研究所的《穩(wěn)定分析軟件》進行計算，計算方法為瑞典圓弧法[1]。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL 274-2001）的規(guī)定，在柳樹溝水庫正常蓄水位上下游大壩壩坡、庫水位急劇下降時上游壩坡及正常蓄水位遇7級地震時上下游壩坡3種工況下進行大壩壩坡抗滑穩(wěn)定性分析[2]。

（1）工況一：正常蓄水位（425.88 m）穩(wěn)定滲流期上、下游壩坡計算所得抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為K上=2.930，K下=1.701＞[K允許]=1.25。

（2）工況二：①施工期的上、下游壩坡計算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為K上=2.392，K下=2.848＞[K允許]=1.15；②水庫水位驟降時的上游壩坡，水位由正常蓄水位425.88 m，驟降至死水位419.68 m，上游壩坡計算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K上=2.271＞[K允許]=1.15。

（3）工況三：①正常運用遭遇地震（正常蓄水位425.88 m）上、下游壩坡穩(wěn)定計算，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為K上=2.653，K下=1.613＞[K允許]=1.10；②水庫水位在1/3 壩高時遭遇地震，水位在1/3 壩高（高程419.20），上游壩坡計算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為K上=2.448＞[K允許]=1.10。

柳樹溝水庫大壩結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定，大壩樁號0+100 斷面在水位高于1/3 壩高遇地震工況時上游壩坡計算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為2.653，大于規(guī)范允許最小安全系數(shù)1.15；水庫大壩樁號0+400 斷面在正常蓄水位穩(wěn)定滲流期遇地震工況時上游壩坡計算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為2.448，大于規(guī)范允許最小安全系數(shù)1.1，均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

浸潤線是水庫大壩安全監(jiān)測的重要項目。在水庫大壩壩體和壩基位置設(shè)置測壓管與滲壓計進行觀測，了解和掌握水庫大壩內(nèi)部及地基滲流場情況，是進行砂礫石壩內(nèi)部滲流及運行安全程度判斷的手段。柳樹溝水庫大壩采取防滲加固措施后，防滲抗?jié)B體性能良好，壩體滲流穩(wěn)定，滲流經(jīng)心墻后通過預(yù)定排水通道排入壩后河道；兩岸壩肩滲流穩(wěn)定，壩肩巖體滲壓水位偏高，應(yīng)當(dāng)加強觀測分析。