白蓮崖大壩滲透壓力監(jiān)測分析

李君廷

(安徽省臨淮崗洪水控制工程管理局，安徽 合肥 230088)

水庫大壩安全運(yùn)行極其重要，對(duì)于大壩各種數(shù)據(jù)監(jiān)測及分析方法，國際和國內(nèi)都有一整套的規(guī)程規(guī)定，但是每座大壩的地理位置都有不同，壩型、高度、地質(zhì)條件等均有區(qū)別。白蓮崖水庫大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)有多種、多組，如環(huán)境量監(jiān)測、大壩變形監(jiān)測、大壩滲流監(jiān)測、壩體內(nèi)部監(jiān)測、泄洪設(shè)施監(jiān)測等。大壩滲流監(jiān)測又有滲透壓力、滲漏量等監(jiān)測。本文對(duì)大壩滲透壓力進(jìn)行定量分析，綜合評(píng)價(jià)大壩安全狀態(tài)，提出監(jiān)測建議。

1 工程簡介

白蓮崖水庫在淮河南岸主要支流淠河的主源漫水河上，佛子嶺水庫大壩上游26km處，東淠河流過霍山縣城在下游33km的六安市裕安區(qū)兩河口處與西淠河相會(huì)為淠河，淠河向北流經(jīng)橫排頭、六安市城區(qū)繼續(xù)北流130km至壽縣正陽關(guān)西南注入淮河。淠河橫排頭以上流域面積4370km2。白蓮崖水庫流域面積745km2，占佛子嶺水庫流域面積1840km2的40.5%。水庫于2006年5月開工建設(shè)，2009年5月下閘蓄水。

大壩為碾壓混凝土壩，壩型為拋物線雙曲變厚拱壩,壩頂高程234.60m,壩基高程130.00m,最大壩高104.6m,正常蓄水位208.00m,汛期限制水位205.00m,設(shè)計(jì)洪水位209.24m,校核洪水位234.50m,死水位180.00m。兩岸地形非對(duì)稱,壩軸線與河道中心線斜交。拱壩中心線走向NE5°5′29.9″，拱冠處壩頂曲率半徑右岸為189.41m、左岸為199.81m，底拱右岸半中心角26.3060°，底拱左岸半中心角25.5511°，頂拱右岸半中心角47.5°，頂拱左岸半中心角39.185°，壩頂寬8.0m，拱冠處壩底最厚處30.064m,厚高比為0.287;壩頂弧長421.860m,弧高比為4.033;弦長366.99m,弦高比為3.509。

壩體泄洪中孔共3孔；左岸單獨(dú)一孔，右岸兩孔平行并排布置，三孔總泄量3895m3/s。三道泄洪中孔下游泄槽均為滑雪道式，末端為挑流消能。泄洪底孔布置于左岸，采用“龍?zhí)ь^”式無壓隧洞，由閘門井、龍?zhí)ь^段和下平洞三部分組成，出口末端采用挑流消能。發(fā)電引水隧洞總長1813.03m，包括進(jìn)水口、洞身段、調(diào)壓井三部分。電站裝機(jī)2×25MW。

2 工程區(qū)域地質(zhì)概況

工程位于大別山在安徽境內(nèi)主干山脈的北側(cè),其山脈和水系均明顯地受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的影響和控制，大多呈NWW和NE走向。本工程庫區(qū)和壩址所在的山區(qū)，四周群峰簇?fù)?，山體雄偉厚實(shí)，河流與沖溝切割劇烈，構(gòu)成庫區(qū)主河道的漫水河，自SW向NE斜切山脈，穿越于群山峻嶺之中，受本區(qū)N50°E與N70°W兩組主要斷裂控制而迂回曲折。兩岸近河山脊高出河水面200～300m以上，谷坡陡峻，坡角一般在30°以上，亦有達(dá)到50°的，局部可出現(xiàn)懸崖，坡積覆蓋層厚一般0～2m；河床狹窄，坡降較大，急流淺灘多，近代沖積物零星淺薄，只在河流拐彎的凸岸一側(cè)，有1～3m厚漂石、砂卵石組成的狹長灘地。

壩址區(qū)出露基巖巖性主要為前震旦系水竹河組角閃斜長片麻巖以及燕山期細(xì)粒花崗巖兩種，為堅(jiān)硬巖石。在花崗巖與片麻巖中尚分布有灰黃夾綠色蝕變巖石，大部分受構(gòu)造影響，沿?cái)嗔褬?gòu)造分布，在新鮮時(shí)強(qiáng)度較高，巖體完整，為中硬巖石，但抗風(fēng)化能力較差，出露在地表一般為強(qiáng)風(fēng)化。

3 揚(yáng)壓力監(jiān)測資料分析

白蓮崖大壩共設(shè)有32個(gè)大壩滲透壓力監(jiān)測測點(diǎn)，其中P-0I-P-11為壩基縱斷面滲壓計(jì)，從11壩段到1壩段方向，每個(gè)壩段依次布置一個(gè)：P-12-P-21為壩基橫斷面滲壓計(jì)，從壩踵到壩趾方向，6號(hào)壩段依次布置P-12-P-15，5號(hào)壩段依次布置P-16～P-18，4號(hào)壩段依次布置P-19-P21；P-22-P-32為壩體滲壓計(jì)，在6號(hào)壩段從上游壩面至下游壩面方向，于高程141.00m處依次布置P-22-P-26,于高程172.00m處依次布置P-27-P-29,于高程195.00m處依次布置P-30-P-32。其中P-12-P-32系列起止時(shí)間為2008年1月11日—2017年9月7日，P-01-P-11系列起止時(shí)間多為從2009年開始，2017年9月7日結(jié)束。由于儀器故障，P-04與P-11兩個(gè)測點(diǎn)測值失效，有效測點(diǎn)30個(gè)。

白蓮崖大壩共設(shè)有7個(gè)揚(yáng)壓力監(jiān)測測點(diǎn)，測孔布置在3號(hào)壩塊～9號(hào)壩塊內(nèi)，測孔編號(hào)為UP-I～UP-7。從2009年開始基本每天監(jiān)測1次。各測孔監(jiān)測起止時(shí)間為2009年4月15日—2017年9月7日。

大部分?jǐn)?shù)據(jù)測值都存在突起突降現(xiàn)象。

對(duì)大壩監(jiān)測資料進(jìn)行整理，繪制揚(yáng)壓力測點(diǎn)實(shí)測過程線(見圖1～圖16)。

圖1 典型日橫向揚(yáng)壓力分布

圖2 典型日縱向揚(yáng)壓力分布

圖3 揚(yáng)壓力P-01測點(diǎn)實(shí)測過程線

圖4 揚(yáng)壓力P-02測點(diǎn)實(shí)測過程線

圖5 揚(yáng)壓力P-05測點(diǎn)實(shí)測過程線

圖6 揚(yáng)壓力P-21測點(diǎn)實(shí)測過程線

圖7 揚(yáng)壓力P-22測點(diǎn)實(shí)測過程線

圖8 揚(yáng)壓力P-23測點(diǎn)實(shí)測過程線

圖9 揚(yáng)壓力P-24測點(diǎn)實(shí)測過程線

圖10 揚(yáng)壓力P-25測點(diǎn)實(shí)測過程線

圖11 揚(yáng)壓力P-26測點(diǎn)實(shí)測過程線

圖12 揚(yáng)壓力P-28測點(diǎn)實(shí)測過程線

圖13 揚(yáng)壓力P-29測點(diǎn)實(shí)測過程線

圖14 揚(yáng)壓力P-30測點(diǎn)實(shí)測過程線

圖15 揚(yáng)壓力P-31測點(diǎn)實(shí)測過程線

圖16 揚(yáng)壓力P-32測點(diǎn)實(shí)測過程線

3.1 揚(yáng)壓力監(jiān)測資料變化規(guī)律分析

a.大部分測點(diǎn)在2008年測值較低，2009年時(shí)揚(yáng)壓力上升，之后穩(wěn)定在一定范圍內(nèi),主要受庫水位的影響,隨庫水位的升降而升降。2010—2017年間，揚(yáng)壓力受溫度變化影響較大，溫度升高，揚(yáng)壓力降低，反之溫度降低，揚(yáng)壓力升高。UP-5測點(diǎn)在2011年有一個(gè)突降，可能是排水孔堵塞所致。

b.P-21測點(diǎn)測值一直在緩慢地上升，P-22～P-26測點(diǎn)在2009年和2010年有突起情況，2010年年末回復(fù)，以后平穩(wěn)。P-28～P-32存在周期性起伏現(xiàn)象，因溫度波動(dòng)，夏低冬高。

c.周期性變化規(guī)律不強(qiáng)的測點(diǎn)受庫水位的變化影響較大，庫水位上升，測值上升，庫水位下降，測值下降。降雨量對(duì)大壩揚(yáng)壓力也有影響，降雨越多,揚(yáng)壓力越大，且?guī)焖缓徒涤炅繉?duì)揚(yáng)壓力的影響都有一定的滯后效應(yīng)。

3.2 揚(yáng)壓力監(jiān)測資料特征值分析

除去突變點(diǎn)后，統(tǒng)計(jì)了2008—2016年大壩滲透壓力特征值及2010—2016年揚(yáng)壓力測孔特征值,包括極大值、極小值、最大年變幅、最小年變幅、最大年均值和最小年均值(見表1)。

表1 大壩揚(yáng)壓力特征值統(tǒng)計(jì) 單位：m

a.極值分析。分析庫水位對(duì)揚(yáng)壓力影響時(shí)，揚(yáng)壓力較大值一般發(fā)生在庫水位較高的時(shí)期，而較小值通常發(fā)生在庫水位較低的時(shí)期；分析降雨量對(duì)于大壩滲透壓力影響時(shí),大壩滲透壓力較大值一般發(fā)生在降雨量較大時(shí)段，而較小值通常發(fā)生在降雨量較小時(shí)段。

揚(yáng)壓力極大值為197.12m(2015年4月7日)，發(fā)生在P-12測點(diǎn)，其次為195.32m(2016年1月25日)，發(fā)生在P-01測點(diǎn)；各測點(diǎn)極大值范圍為136.42～197.12m。揚(yáng)壓力極小值為129.39m(2011年5月24日)，發(fā)生在UP-5測點(diǎn)，其次為132.51m(2008年4月1日)，發(fā)生在P-21測點(diǎn)；各測點(diǎn)極小值范圍為129.39～194.70m。

b.年變幅分析。揚(yáng)壓力最大年變幅為43.36m(2009年)，發(fā)生在P-12測點(diǎn)，其次為42.94m(2010年)，發(fā)生在P-22測點(diǎn)；各測點(diǎn)最大年變幅范圍為0.33～43.36m。最小年變幅為0.18m(2015年)，發(fā)生在P-21測點(diǎn)，其次為0.23m(2016年)，發(fā)生在P-23測點(diǎn)；各測點(diǎn)最小年變幅范圍為0.18～9.06m。

c.年均值分析。揚(yáng)壓力最大年均值為195.06m(2016年),發(fā)生在P-01測點(diǎn),其次為194.99m(2016年)，發(fā)生在P-30測點(diǎn)；各測點(diǎn)最大年均值范圍為136.33～195.06m。最小年均值為132.85m(2012年)，發(fā)生在UP-5測點(diǎn)，其次為133.37m(2009年)，發(fā)生在P21測點(diǎn)：各測點(diǎn)最小年均值范圍為132.85～194.86m。

由以上分析可以看出：岸坡壩段的壩基揚(yáng)壓力較大，河床壩段揚(yáng)壓力較小。同一個(gè)壩段，同一高程，越靠近下游，揚(yáng)壓力越小，壩體內(nèi)部，高程越高，揚(yáng)壓力越大。

3.3 揚(yáng)壓力折減系數(shù)分析

揚(yáng)壓折減系數(shù)計(jì)算公式為

式中αi——第i個(gè)測壓孔的揚(yáng)壓折減系數(shù)；

Hi——第i個(gè)滲壓計(jì)的實(shí)測揚(yáng)壓水位,m；

Hu——上游水位,m；

Hd——下游水位,m，當(dāng)測孔對(duì)應(yīng)的基巖高程高于下游水位時(shí)，Hd用基巖高程代替。

應(yīng)用上式計(jì)算了各測點(diǎn)各時(shí)刻的滲透壓力系數(shù)。統(tǒng)計(jì)了2016年7月2日，庫水位為206.92m時(shí)，各測點(diǎn)在高水位時(shí)段(水位高于200m)的滲透壓力系數(shù)(見表2)。

表2 典型日高水位時(shí)段各測孔滲透壓力折減系數(shù)統(tǒng)計(jì)

續(xù)表

a.白蓮崖水庫大壩縱向揚(yáng)壓力呈現(xiàn)出河床壩段滲壓系數(shù)較大、岸坡壩段滲壓系數(shù)較小的分布規(guī)律：大壩橫向揚(yáng)壓力呈現(xiàn)出帷幕前測點(diǎn)的滲壓系數(shù)較大、帷幕后測點(diǎn)的滲壓系數(shù)較小的分布規(guī)律。

b.布置于帷幕前的P12、P16和P19三個(gè)測點(diǎn)的滲壓系數(shù)分別為0.95、0.72和0.24，其余布置于帷幕后測點(diǎn)的滲壓系數(shù)均小于0.27。

c.白蓮崖水庫壩基揚(yáng)壓力折減系數(shù)最大值為0.269，出現(xiàn)在8號(hào)壩段的P-08測點(diǎn)處，其次為0.219，出現(xiàn)在6號(hào)壩段的P-06測點(diǎn)處，大壩揚(yáng)壓力折減系數(shù)均較小，尤其是岸坡壩段揚(yáng)壓力折減系數(shù)遠(yuǎn)小于規(guī)范值，監(jiān)測資料表明大壩帷幕防滲效果良好。

4 大壩揚(yáng)壓力變化規(guī)律評(píng)價(jià)

通過對(duì)大壩揚(yáng)壓力的定量和定性分析，基本得到其變化規(guī)律：

總體上，越靠近岸坡壩段壩基揚(yáng)壓水位越高，受庫水位、山坡地下水位和溫度變化影響也較大；越遠(yuǎn)離岸坡壩段壩基揚(yáng)壓水位越低，受庫水位、山坡地下水位和溫度變化影響也相對(duì)較小。對(duì)于同一壩段同一高程的橫向揚(yáng)壓力監(jiān)測點(diǎn)，越靠近下游，揚(yáng)壓水位越小。

大部分揚(yáng)壓力變化受庫水位變化的影響較大，庫水位升高則揚(yáng)壓水位上升，庫水位下降，則揚(yáng)壓水位降低，并且揚(yáng)壓水位變化滯后于庫水位的變化。

溫度變化對(duì)測點(diǎn)揚(yáng)壓水位變化也有顯著的影響，統(tǒng)計(jì)模型分離成果表明，壩基揚(yáng)壓水位的溫度分量約占15%，各個(gè)測點(diǎn)揚(yáng)壓水位的溫度分量也存在一定差異，即溫度變化對(duì)不同位置的測點(diǎn)揚(yáng)壓水位影響程度不同。

降雨量對(duì)揚(yáng)壓力水位有影響，孔水位變化的降雨量分量約占10%。靠近山坡的P-20等測點(diǎn)揚(yáng)壓水位受降雨影響較大，應(yīng)關(guān)注。

時(shí)效對(duì)大壩揚(yáng)壓力的影響較小，P-21測點(diǎn)自蓄水到2014年底揚(yáng)壓力水位由132.51m上升至136.42m，P-29測點(diǎn)自2013年8月到2014年12月測值由171.70m上升至172.85m，這兩個(gè)測點(diǎn)曾產(chǎn)生一定的時(shí)效變化，但它們的測孔水位變幅不大，且2015年初至今揚(yáng)壓力水位變化平穩(wěn)，時(shí)效分量趨于收斂。除上述兩個(gè)測點(diǎn)外，其余測點(diǎn)的揚(yáng)壓力水位變化平穩(wěn)，無明顯趨勢性變化。

白蓮崖水庫大壩縱向揚(yáng)壓力呈現(xiàn)出河床壩段滲壓折減系數(shù)較大、岸坡壩段滲壓折減系數(shù)較小的分布規(guī)律;大壩橫向揚(yáng)壓力呈現(xiàn)出帷幕前測點(diǎn)的滲壓折減系數(shù)較大、帷幕后測點(diǎn)的滲壓折減系數(shù)較小的分布規(guī)律。

大壩壩基揚(yáng)壓力折減系數(shù)最大值為0.269，出現(xiàn)在8號(hào)壩段的P-08測點(diǎn)處，其次為0.219，出現(xiàn)在6號(hào)壩段的P-06測點(diǎn)處，大壩揚(yáng)壓力折減系數(shù)均較小，尤其是岸坡壩段揚(yáng)壓力折減系數(shù)遠(yuǎn)小于規(guī)范閾值，表明大壩帷幕和排水措施的滲流控制效果較好。

綜上所述，白蓮崖水庫大壩壩基揚(yáng)壓力主要受庫水位變化的影響。大壩壩基滲壓折減系數(shù)呈現(xiàn)出河床壩段大于岸坡壩段、帷幕測點(diǎn)大于帷幕后測點(diǎn)的分布規(guī)律。

5 結(jié) 語

通過對(duì)白蓮崖水庫大壩監(jiān)測資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并對(duì)在監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)的疑點(diǎn)和異常及時(shí)進(jìn)行成因分析，大壩帷幕防滲效果較好，各測點(diǎn)的揚(yáng)壓力水位變化平穩(wěn)，無明顯異常趨勢。大壩在運(yùn)行過程中，每3～5年須對(duì)監(jiān)測資料進(jìn)行一次全面分析，并及時(shí)修正相關(guān)指標(biāo)，確保白蓮崖水庫大壩安全運(yùn)行。