南水北調(diào)實(shí)施后密云水庫走馬莊副壩滲流現(xiàn)狀分析

王 茉，趙 旭，高海伶，張昆侖

（北京市密云水庫管理處，北京，101512）

2015年9月，南水北調(diào)來水入密云水庫進(jìn)行調(diào)蓄。6年來，庫水位從138.03 m逐步抬升，2019年達(dá)到149.74 m，蓄水量突破26億m3，之后庫水位在146.09～148.41 m之間變化，工程處于高水位運(yùn)行。

1 工程基本情況

密云水庫位于北京市密云區(qū)境內(nèi)，總庫容43.75億m3。工程于1958年9月動(dòng)工興建，1960年9月基本建成，是一座以防洪、供水為主要功能的大型水利樞紐。樞紐工程主要由擋水、輸水和泄水建筑物組成。擋水建筑物主要包括白河和潮河2座主壩，北白巖、走馬莊、西石駱駝、南石駱駝和九松山5座副壩。

走馬莊副壩由5座小壩組成，從左岸到右岸編號(hào)為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，總長519.3 m，最大壩高39 m，壩頂高程160.00 m。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號(hào)壩壩型為塑性心墻土壩（上游側(cè)主要為砂礫料，中間為壤土心墻，下游側(cè)為風(fēng)化山皮料），Ⅴ號(hào)壩為均質(zhì)土壩，壩基設(shè)置壤土齒槽防滲。

走馬莊副壩自1960年竣工以來，先后進(jìn)行了9次維修加固。1975—1977年，Ⅱ號(hào)和Ⅲ號(hào)壩加固時(shí)，將Ⅲ號(hào)壩上游153.0 m高程以上的風(fēng)化巖代替料挖除，改填河床砂礫料。1998年加固時(shí)將Ⅱ號(hào)和Ⅳ號(hào)壩上游高程150.00 m以上換填為抗剪強(qiáng)度較高的石碴料。

走馬莊副壩共有測壓管28個(gè)、量水堰3個(gè)，見圖1。其中15、16、17、18和202號(hào)是壩體測壓管，26、281和282號(hào)是覆蓋層測壓管，其余20個(gè)管為基巖測壓管（注：下標(biāo)1為粗管，下標(biāo)2為細(xì)管）。

圖1 走馬莊副壩監(jiān)測設(shè)備平面布置圖Fig.1 Layout of monitoring equipment for Zoumazhuang auxiliary dam

外觀巡視檢查，下游壩坡未見滑動(dòng)、凹陷、鼓出、滲水、植物生長、動(dòng)物活動(dòng)破壞等情況。汛期雨強(qiáng)較大時(shí)，Ⅴ號(hào)壩壩腳存在3個(gè)出水點(diǎn)，有少量清水逸出。

2 工程滲流分析

2.1 心墻滲透梯度分析

防滲心墻滲透梯度：

式中，J為滲透梯度；△H為上下游水位差；d為防滲體厚度。

走馬莊副壩主要由Ⅲ號(hào)壩擋水。Ⅲ號(hào)壩為塑性心墻壩，其設(shè)計(jì)允許滲透梯度值為4.0。2015—2021年最高庫水位為149.74 m，且在此期間水位未受到降水等其他因素影響。壩底高程121 m，心墻下游側(cè)水位在132 m左右，心墻底部厚度為24.4 m。由此可得工作水頭△H為17.74 m，滲流梯度為0.73，小于允許值。

2.2 等水位線分析

選取庫水位較為穩(wěn)定、降水較少的時(shí)段測值，繪制走馬莊副壩等水位線圖，見圖2，當(dāng)日庫水位為148.37 m。

由圖2可見，上游側(cè)水位高于下游側(cè)水位，分布規(guī)律正常，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號(hào)壩均存在滲流現(xiàn)象。右岸有部分滲流向走馬莊隧洞匯集，壩頭繞滲補(bǔ)給壩基潛水，壩基潛水向巖面最低處匯集。8號(hào)管右岸水位線較密，左岸水位線較疏，說明滲流主要集中在8號(hào)管右岸部分。從等水位線的凹凸關(guān)系分析：Ⅱ號(hào)壩和Ⅲ號(hào)壩因長期擋水，壩體內(nèi)部土料含水率較高，潛水水位較高?？v觀2015—2021年等水位線圖，走向基本一致，走馬莊副壩滲流較為穩(wěn)定。

圖2 走馬莊副壩等水位線圖Fig.2 Contour of water table of Zoumazhuang auxiliary dam

2.3 特定庫水位下的測壓管水位分析

選取某一高水位下的各測壓管水位進(jìn)行對比。若在相同庫水位條件下測壓管水位穩(wěn)定或有所下降，則說明壩體及壩基滲流穩(wěn)定，但應(yīng)注意反濾體是否受到?jīng)_刷破壞，反之則說明滲流向不利方向發(fā)展。

選取高水位時(shí)期且相同退水情況的1994年1月4日與2021年2月9日數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。當(dāng)日庫水位均為148.19 m。繪制的水位柱狀圖見圖3，對比發(fā)現(xiàn)，2021年絕大部分測壓管水位有所降低，10號(hào)管和13號(hào)管略有增大，說明走馬莊副壩滲流穩(wěn)定。

圖3 1994年與2021年特定庫水位對比柱狀圖Fig.3 Piezometric levels under specific reservoir level in 1994 and 2021

2.4 壩體橫斷面浸潤線分析

走馬莊副壩共設(shè)有兩個(gè)橫斷面：Ⅱ號(hào)壩0+165斷面和Ⅲ號(hào)壩0+345斷面。

選用庫水位較為穩(wěn)定、且測壓管水位不受降水等因素影響的2020年12月14日數(shù)據(jù)，繪制橫斷面浸潤線圖，見圖4和圖5。由圖可知，實(shí)際浸潤線雖然較南水北調(diào)來水入庫前略有抬升，但仍然低于設(shè)計(jì)浸潤線和歷史最高浸潤線，大壩滲流穩(wěn)定。

圖4 0+165斷面浸潤線Fig.4 Saturation line on cross section 0+165

圖5 0+345斷面浸潤線Fig.5 Saturation line on cross section 0+345

Ⅱ號(hào)壩0+165斷面壩體測壓管15號(hào)和16號(hào)之間滲透比降較大，為0.104，位于臨界值附近。15號(hào)及16號(hào)管實(shí)際滲壓水位接近管底高程，滲壓較小且變化不大，但仍需關(guān)注。

Ⅲ號(hào)壩0+345斷面，心墻下游側(cè)滲壓水位較低（132.00 m以下），各管測值接近，明顯低于上游水位148.37 m，說明心墻防滲效果較好。

2.5 測壓管水位回歸分析

為避開降水因素影響，在2015—2021年每年汛前和汛后各取一個(gè)數(shù)據(jù)。選用資料系列完整且具有代表性的10、22、24、23、21、11、12、13和5號(hào)測壓管測值。測值過程線見圖6。

圖6 走馬莊副壩庫水位與測壓管水位過程線Fig.6 Process graphs of reservoir level and piezometric level of Zoumazhuang auxiliary dam

從測值過程線看，上述各測壓管水位與上游水位明顯相關(guān)。通過最小二乘法進(jìn)行定量計(jì)算，各管復(fù)相關(guān)系數(shù)均在0.956以上，測壓管水位與庫水位的相關(guān)性顯著。

經(jīng)分析計(jì)算，位于Ⅳ號(hào)壩的10號(hào)、22號(hào)和23號(hào)管內(nèi)水位與庫水位折減系數(shù)接近1.0，Ⅲ號(hào)壩下游壩坡測點(diǎn)11號(hào)和13號(hào)管的折減系數(shù)在0.5以上，說明Ⅲ號(hào)和Ⅳ號(hào)壩局部存在防滲缺陷，考慮到走馬莊壩區(qū)巖脈縱橫，裂隙風(fēng)化帶發(fā)育，加上片麻巖風(fēng)化速度較快，運(yùn)行中需加強(qiáng)觀測與分析。

3 結(jié)語

分析表明，目前走馬莊副壩滲流總體穩(wěn)定，心墻不會(huì)發(fā)生滲透破壞，副壩總體處于安全運(yùn)行狀態(tài)；Ⅲ號(hào)和Ⅳ號(hào)壩心墻下游部分測壓管與庫水位相關(guān)性顯著，局部存在防滲缺陷，Ⅱ號(hào)壩0+165斷面滲流比降在臨界值附近，運(yùn)行中需加強(qiáng)觀測與分析。