王英水庫大壩壩體滲流監(jiān)測資料分析

張 峰 唐 威 姜麗萍

(1.湖北省水利廳，湖北 武漢 430071；2.湖北省王英水庫管理局，湖北 黃石 435236)

王英水庫位于湖北省黃石市陽新縣境內(nèi)富河支流三溪河上，集雨面積287.7km2，總庫容6.23億m3，是一座以防洪、灌溉為主，兼有滅螺、發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合利用的大(2)型水利工程。王英大壩為黏土心墻代料組合壩，壩長225.0m、壩頂寬8.0m，最大壩高53.6m，壩頂高程75.00m，正常蓄水位70.00m。大壩壩基出露志留系上統(tǒng)茅山群長石石英砂巖夾泥質(zhì)砂巖，多為弱風(fēng)化狀態(tài)，心墻填土為含5%碎石的黏土，局部碎石含量為20%，代料為碎石土，碎石含量約60%。

王英水庫樞紐工程建成至今，先后完成了3次除險(xiǎn)加固，其中第3次加固對王英大壩心墻采用充填灌漿；壩基、左右壩肩和F1斷層采用帷幕灌漿處理，但實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)部分監(jiān)測數(shù)據(jù)變化異常。為了解王英大壩滲流狀況，結(jié)合2006—2016年的測壓管監(jiān)測數(shù)據(jù)(2017年之后，大部分測點(diǎn)有損壞，數(shù)據(jù)不全)，探索心墻土壩壩體滲壓水位變化規(guī)律，揭示滲流安全隱患，為王英水庫第4次除險(xiǎn)加固提供監(jiān)測數(shù)據(jù)支撐。

1 滲流原型觀測布置

王英水庫設(shè)有巡視檢查、壩體表面變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測及環(huán)境量監(jiān)測等設(shè)施，無滲流量監(jiān)測設(shè)施。滲流監(jiān)測多年來共安裝了31根測壓管，主要采用電測水位計(jì)人工觀測。本次主要對位于樁號0+060、0+120、0+130等3個(gè)重點(diǎn)壩體監(jiān)測斷面附近15根測壓管進(jìn)行分析，各斷面測壓管分別布置在監(jiān)測大壩心墻前、心墻內(nèi)、心墻后、下游一級平臺、下游二級平臺處，用于監(jiān)測壩體浸潤線、心墻防滲效果、代料的排水效果等情況，測壓管平面布置及典型斷面見圖1、圖2。

圖1 王英水庫大壩測壓管平面布置圖

圖2 王英水庫大壩0+120斷面圖布置圖

2 壩體滲流監(jiān)測資料分析

2.1 過程線分析

王英大壩2006—2016年期間各監(jiān)測橫斷面測壓管實(shí)測滲壓水位與庫水位的對比過程線見圖3～圖5。

由圖3～圖5可知：位于防滲心墻上游側(cè)的測壓管A2和A4實(shí)測水位較高，與庫水位較接近，變化過程與庫水位基本一致。各監(jiān)測斷面心墻后測壓管水位明顯低于上游水位，反映壩體防滲心墻防滲效果較好，消弱水頭作用明顯，且越往下游，測壓管實(shí)測滲壓水位越低，壩體滲流未見異常。上述規(guī)律符合心墻土壩橫斷面滲流壓力的基本規(guī)律。

圖3 壩體0+060斷面測壓管水位變化過程線

圖4 壩體0+120斷面測壓管水位變化過程線

圖5 壩體0+130斷面測壓管水位變化過程線

2.2 特征值分析

王英水庫大壩各測壓管2006—2016年實(shí)測滲壓水位特征值統(tǒng)計(jì)情況見表1。

由表1可知：各監(jiān)測斷面上的各測壓管實(shí)測最高滲壓水位均表現(xiàn)為從上游向下游逐漸減小，各監(jiān)測橫斷面防滲心墻后的測壓管實(shí)測最大滲壓水位在44.76～45.64m，總變幅在2.63～6.33m，低于上游水位最大年變幅7.76m，較防滲心墻上游測的測壓管有所下降，說明壩體防滲心墻效果較好。不同監(jiān)測橫斷面上對應(yīng)位置的測壓管，實(shí)測最高滲壓水位、總變幅特征值分別較為接近，差異不大，表明各監(jiān)測橫斷面滲流特性基本一致，符合心墻土壩橫斷面滲流的基本特點(diǎn)，未見異常。

表1 各測壓管實(shí)測滲壓水位特征值統(tǒng)計(jì)表(2006—2016年)

2.3 相關(guān)性分析

王英水庫大壩各測壓管滲壓水位與上、下游水位的相關(guān)系數(shù)見表2。

表2 王英水庫大壩測壓管滲壓水位與上、下游水位相關(guān)性統(tǒng)計(jì)

由表2可知：位于防滲心墻上游側(cè)的測壓管A2、A4實(shí)測滲壓水位與上游庫水位之間的相關(guān)系數(shù)均較大，說明滲壓水位受上游水位影響十分明顯，與過程線分析結(jié)論基本一致；位于防滲心墻內(nèi)的測壓管實(shí)測滲壓水位與庫水位有一定相關(guān)性；位于防滲心墻后的測壓管，實(shí)測滲壓水位與上游水位之間的相關(guān)系數(shù)均很小，說明上游水位對防滲心墻后的壩體滲流影響較小，且存在一定的滯后效應(yīng)，或測壓管存在不同程度的淤堵；壩體測壓管滲壓水位與下游水位之間相關(guān)性均很小，但A120-2新、C120新測壓管滲壓水位與下游水位相關(guān)性強(qiáng)，但其與下游水位距離較遠(yuǎn)，經(jīng)分析可能是降雨等因素影響所致。

2.4 防滲性分析

根據(jù)實(shí)測值統(tǒng)計(jì)2006—2016年防滲心墻處測點(diǎn)與心墻后測壓滲壓水位差占上下游水位差的比率，分析防滲心墻特性?，F(xiàn)根據(jù)斷面的測壓管觀測資料，取每年測值的平均值對防滲心墻前后水位差進(jìn)行分析，見表3。

表3 王英水庫大壩心墻前后測壓管部位水位差占上下游水位差比率統(tǒng)計(jì)

由表3可知：0+060和0+130斷面防滲心墻削減水頭的比率為0.41～0.50，0+120斷面防滲心墻削減水頭的比率從之前的40%降至31%左右，呈下降趨勢，無收斂跡象。該斷面的防滲心墻存在縱、橫向及垂直向裂縫的可能，造成心墻消減水頭的能力減弱。

2.5 滲透特性分析

根據(jù)王英水庫大壩埋設(shè)的測壓管布置及實(shí)測資料，按式(1)計(jì)算各測壓管位置之間的滲透坡降。

(1)

式中：hi和hi+1分別為測壓管i和測壓管i+1的實(shí)測滲壓水位,m；Li,i+1為測壓管i和測壓管i+1之間的距離,m；Ji,i+1為測壓管i和測壓管i+1之間的滲透坡降。

各斷面滲透坡降特征值統(tǒng)計(jì)見表4。

表4 王英水庫大壩壩體滲透坡降特征值

根據(jù)《王英水庫樞紐除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》，大壩心墻允許滲透坡降[J]=1.5，壩體壩殼料允許滲透坡降[J]=0.20。由于心墻后無實(shí)測滲壓水位監(jiān)測資料，采用心墻處測壓管與心墻后第一根測壓管滲壓水位試算，三個(gè)斷面心墻最大滲透坡降分別為1.06、1.52、1.13，均未超過壩體黏土心墻允許滲透坡降值。防滲心墻后，滲透坡降最大值為0.06～0.55，平均滲透坡降在0.01～0.44，部分超過允許值，但由于大壩下游有排水棱體保護(hù)，目前大壩河床段沒有發(fā)生滲透破壞現(xiàn)象。但實(shí)際心墻處滲透坡降值約為平均值的1～2倍，則各斷面處心墻滲透坡降值介于心墻填土允許比降與臨界比降之間，心墻雖未出現(xiàn)滲透破壞，但存在一定的安全隱患，心墻滲透特性一般。

2.6 統(tǒng)計(jì)模型分析

土石壩浸潤線的測壓管水位的實(shí)測資料表明，土壩滲流的變化主要受上游水位Hu，下游水位Hd、壩址降雨R，壩體及壩基溫度T以及時(shí)效θ等因素變化的影響。滲流統(tǒng)計(jì)模型一般表達(dá)式見式(2)：

(2)

本次對王英水庫大壩監(jiān)測成果相對連續(xù)的6根測壓管建立統(tǒng)計(jì)模型，建模時(shí)段為2006—2016年；考慮到水位對壩體滲流的滯后效應(yīng)，水位因子取5個(gè)，分別為觀測日當(dāng)天、前期1天、前期2～4天、前期5～15天、前期16～30天水位平均值；考慮到降雨對壩體滲流的滯后效應(yīng)，降雨因子分別為觀測日當(dāng)天、前期1天、前期2～4天、前期5～8天壩址降雨量的累計(jì)值。其中，t1=(t-t0)/365=(觀測日序值-基準(zhǔn)日序值)/365。基準(zhǔn)日期取2006年1月1日為首測日期。

在建立監(jiān)測統(tǒng)計(jì)模型時(shí)，可根據(jù)具體情況預(yù)置一個(gè)或多個(gè)時(shí)效因子參與回歸分析，見式(3)：

I1=t1,I2=ln(t1+1),I3=1-e-t1,I4=t1/(t1+1),

(3)

因此，時(shí)效分量的構(gòu)成形式可表示為式(4):

(4)

式中：s為時(shí)效因子個(gè)數(shù)，視具體情況而定；di為回歸系數(shù)。

顯著性水平取α=0.05。在建模之前，先對監(jiān)測效應(yīng)量進(jìn)行真?zhèn)涡苑治觯瑢Ω鞅O(jiān)測測量加以鑒別并剔除了明顯的粗差，選擇監(jiān)測成果相對連續(xù)的6根測壓管建立統(tǒng)計(jì)模型，大壩滲壓水位統(tǒng)計(jì)模型方程組成見表5，大壩滲壓水位統(tǒng)計(jì)模型擬合情況及各分量比重見表6。

表5 王英水庫大壩滲壓水位統(tǒng)計(jì)模型方程組成(建模時(shí)間：2006—2016年)

表6 王英水庫大壩滲壓水位統(tǒng)計(jì)模型擬合情況及各分量比重(建模時(shí)間：2006—2016年)

由表6可知：6根測壓管的統(tǒng)計(jì)模型中，4根統(tǒng)計(jì)模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)R超過0.6，但數(shù)值均不大，模型質(zhì)量不高，只能基本反映壩體滲壓水位的變化情況；另兩根測壓管統(tǒng)計(jì)模型復(fù)相關(guān)系數(shù)R僅0.4左右，模型質(zhì)量較差，反映測壓管滲壓水位測值精度較差。上游水位分量所占比重為19.2%～35.3%，比重不大，且比較接近；從上游水位入選因子情況來看，測壓管滲壓水位與上游水位之間存在較明顯的滯后效應(yīng)。降雨分量所占比重差異較大。C2新測壓管降雨分量比重為67.3%；其他斷面壩體滲壓計(jì)降雨分量比重較接近，從降雨入選因子情況來看，測壓管滲壓水位與降雨之間存在較明顯的滯后效應(yīng)。時(shí)效分量所占比重的差別也較大，為4.3%～32.3%；從時(shí)效分量的過程線來看，測值基本已趨于穩(wěn)定，結(jié)合測值過程線分析，未見異常。由于測值序列較短，且缺乏氣溫、下游水位連續(xù)資料，還難以判斷其發(fā)展趨勢，從目前成果看測值基本穩(wěn)定。

3 結(jié) 語

通過上述分析，王英水庫大壩壩體各測壓管實(shí)測滲壓水位精度一般，滲壓水位基本為自上游至下游逐漸降低，心墻后各測壓管滲壓水位不高，實(shí)測滲壓水位與上游水位之間的相關(guān)系數(shù)均較小，變化規(guī)律基本符合心墻土壩壩體滲流的一般規(guī)律。防滲心墻削減水頭的比率呈下降趨勢，無收斂跡象，說明防滲心墻存在縱、橫向及垂直向裂縫的可能。壩體心墻滲透坡降允許值較小，在高水位運(yùn)行時(shí)存在破壞風(fēng)險(xiǎn)，壩體滲流特性一般。fffff9