地震前后大壩安全評(píng)估與方法研究

祖安君 吳 潔 曹 昕

(1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029； 2.水利部大壩安全管理中心，江蘇 南京 210029； 3.常州市金壇區(qū)水旱災(zāi)害防御調(diào)度指揮中心，江蘇 常州 213200)

我國(guó)西部地區(qū)為全球地震災(zāi)害最為嚴(yán)重的區(qū)域之一，且大部分地區(qū)地震烈度高、頻率大[1]，可能導(dǎo)致大壩防滲系統(tǒng)破壞等十分嚴(yán)重的震害損失，因此，開(kāi)展震后大壩安全評(píng)估對(duì)查明大壩是否出現(xiàn)震損、保障大壩安全運(yùn)行至關(guān)重要。安全監(jiān)測(cè)是大壩的“耳目”，安全監(jiān)測(cè)資料是大壩安全影響因素綜合作用的表征，是了解和評(píng)估大壩安全性態(tài)最直接、有效的方法；另一方面，據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)已潰決土石壩中因滲流問(wèn)題導(dǎo)致潰壩的比例近30%[2]。鑒于此，開(kāi)展?jié)B流壓力監(jiān)測(cè)工作并基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行滲流安全分析評(píng)價(jià)，從而實(shí)時(shí)掌握土石壩滲流安全狀況至關(guān)重要[3-5]，能夠把握大壩滲流發(fā)展態(tài)勢(shì)、預(yù)測(cè)可能發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，在發(fā)生險(xiǎn)情之前提前做好防護(hù)措施，對(duì)保障大壩安全具有重要意義。

2022年1月8日凌晨和1月12日晚，青海省門(mén)源縣分別發(fā)生6.9級(jí)地震和5.2級(jí)余震，本文以距離震中直線距離約55km的甘肅皇城水庫(kù)為例，在通過(guò)測(cè)壓管注水試驗(yàn)和滲壓計(jì)人工比測(cè)對(duì)大壩滲流壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性分析的基礎(chǔ)上，對(duì)該水庫(kù)前期除險(xiǎn)加固至今大壩滲流壓力監(jiān)測(cè)資料開(kāi)展分析評(píng)價(jià)工作，重點(diǎn)分析地震后滲流壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是否有朝不利方向發(fā)展的趨勢(shì)，進(jìn)而對(duì)震后該水庫(kù)大壩防滲系統(tǒng)是否可靠、滲流性態(tài)是否正常作出評(píng)估。

1 工程概況

皇城水庫(kù)位于甘肅省張掖市肅南裕固族自治縣皇城鎮(zhèn)境內(nèi)。壩址位于東大河上游駱駝脖子處，屬石羊河流域，控制流域面積1030km2，總庫(kù)容8000萬(wàn)m3，是一座以工農(nóng)業(yè)供水為主，兼有防洪、發(fā)電和養(yǎng)殖功能的中型水庫(kù)。水庫(kù)正常蓄水位2542.20m，汛期限制水位2539.80m，最低運(yùn)行水位2520.00m。防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇洪水設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)洪水位2540.40m；1000年一遇洪水校核，校核洪水位2543.70m。工程等別Ⅲ等，主要建筑物級(jí)別3級(jí)，工程區(qū)地震基本烈度Ⅷ度，抗震設(shè)防烈度Ⅷ度。

水庫(kù)始建于1974年，1980年底停工緩建，1982年復(fù)建，1985年8月工程投入運(yùn)行。2002年1月，永昌縣水務(wù)局鑒定為三類壩。2007年3月—2009年9月，對(duì)皇城水庫(kù)進(jìn)行了除險(xiǎn)加固。

水庫(kù)樞紐由大壩、輸水發(fā)電隧洞(1號(hào)輸水洞)、輸水泄洪隧洞(2號(hào)輸水洞)、壩后式水電站等組成。大壩為帶有短鋪蓋的壤土斜墻砂礫殼壩，壩頂長(zhǎng)501m、寬7.5m，最大壩高45.0m，設(shè)計(jì)壩頂高程2545.00m，防浪墻頂高程2546.00m。輸水發(fā)電隧洞(1號(hào)隧洞)與輸水泄洪隧洞(2號(hào)隧洞)位于大壩左岸近似平行布置，均為在花崗巖、砂巖中開(kāi)鑿的直徑4.0m的深式進(jìn)口圓形壓力隧洞，進(jìn)口底板高程均為2506.00m，設(shè)計(jì)最大泄水流量均為202m3/s，1號(hào)、2號(hào)隧洞洞身分別長(zhǎng)256.37m、288m；進(jìn)口設(shè)1扇4m×4m(寬×高，下同)事故檢修平板鋼閘門(mén)，出口設(shè)1扇3.5m×3m弧形工作鋼閘門(mén)。發(fā)電支洞中心線位于發(fā)電輸水隧洞洞身中心樁號(hào)0+203.84右側(cè)，總長(zhǎng)44.7m，設(shè)計(jì)引水流量14.58m3/s，總裝機(jī)容量3×1250kW。

水庫(kù)擔(dān)負(fù)著金昌市工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活用水供給重任，金昌市每年1.08億m3的工業(yè)用水量中，從皇城水庫(kù)通過(guò)專用渠道調(diào)水量達(dá)8800萬(wàn)m3；農(nóng)業(yè)用水對(duì)象為東大河灌區(qū)，原設(shè)計(jì)灌溉面積42.5萬(wàn)畝，現(xiàn)有效灌溉面積30.2萬(wàn)畝。防洪保護(hù)下游灌區(qū)8萬(wàn)人口、41萬(wàn)畝耕地及蘭新鐵路、國(guó)道312線的安全[6]。

2 滲流監(jiān)測(cè)布置

測(cè)壓管為水庫(kù)初建時(shí)埋設(shè)，2007—2009年除險(xiǎn)加固在測(cè)壓管內(nèi)吊裝滲壓計(jì)實(shí)現(xiàn)滲流壓力自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。共布置16個(gè)滲流壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中12個(gè)大壩滲流壓力測(cè)點(diǎn)、4個(gè)繞壩滲流壓力測(cè)點(diǎn)。大壩滲流壓力監(jiān)測(cè)設(shè)置3個(gè)橫斷面[7-9]，分別在0+165、0+265、0+375斷面布置4個(gè)滲流壓力測(cè)點(diǎn)；在左岸灌漿平洞內(nèi)樁號(hào)0+494、0+514處分別布置K21、K22測(cè)點(diǎn)，右岸樁號(hào)0-055、0-033處分別布置K01、K02測(cè)點(diǎn)進(jìn)行繞壩滲流監(jiān)測(cè)(見(jiàn)圖1、圖2)。

圖1 大壩滲流監(jiān)測(cè)設(shè)施平面布置

圖2 0+265斷面滲流壓力監(jiān)測(cè)布置

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠性評(píng)價(jià)

滲流壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有效可靠是開(kāi)展后續(xù)監(jiān)測(cè)資料分析的基礎(chǔ)，直接關(guān)系到對(duì)大壩滲流性態(tài)評(píng)估的可靠程度。本文通過(guò)注水試驗(yàn)檢驗(yàn)測(cè)壓管靈敏度，并對(duì)測(cè)壓管內(nèi)滲壓計(jì)進(jìn)行人工比測(cè)，從而評(píng)價(jià)大壩滲流壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性[10-12]。

3.1 測(cè)壓管注水試驗(yàn)

2022年4月20—25日，按照《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(SL 551—2012)要求對(duì)測(cè)壓管進(jìn)行注水試驗(yàn)，因K03、K07和兩岸繞壩滲流壓力測(cè)點(diǎn)處測(cè)壓管內(nèi)無(wú)水，故不進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)注水試驗(yàn)對(duì)剩余10根測(cè)壓管靈敏度進(jìn)行了檢測(cè)。注水試驗(yàn)具體流程及判斷標(biāo)準(zhǔn)為：首先測(cè)量測(cè)壓管內(nèi)初始水位，然后向測(cè)壓管內(nèi)注水，使測(cè)壓管內(nèi)水位上升3m左右后連續(xù)觀測(cè)5天，根據(jù)5日后測(cè)壓管水位判斷其靈敏程度。

定義測(cè)壓管靈敏系數(shù)=1-(5日后水位-初始水位)/(注水后水位-初始水位)，若靈敏系數(shù)小于0.70，則測(cè)壓管靈敏度不合格；若靈敏系數(shù)為0.70～0.85，表示測(cè)壓管淤堵，經(jīng)清洗后尚可正常使用；若靈敏系數(shù)為0.85～1.00，則測(cè)壓管靈敏度合格。

從10根測(cè)壓管靈敏度檢測(cè)成果(見(jiàn)表1)中可見(jiàn)，所有測(cè)壓管靈敏度均合格。

表1 測(cè)壓管注水試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

3.2 滲壓計(jì)人工比測(cè)

2022年4月20日，對(duì)當(dāng)前有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)且測(cè)壓管內(nèi)有水的9支滲壓計(jì)進(jìn)行了人工比測(cè)，從現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比滲流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)化測(cè)值(計(jì)算水頭)與測(cè)壓管內(nèi)滲壓計(jì)實(shí)測(cè)水頭值(實(shí)測(cè)吊裝長(zhǎng)度減實(shí)測(cè)水面深)成果(見(jiàn)表2)中可見(jiàn)，當(dāng)前滲壓計(jì)測(cè)量誤差較小，可滿足滲流監(jiān)測(cè)要求。

表2 滲壓計(jì)人工比測(cè)結(jié)果

4 滲流監(jiān)測(cè)資料分析

2007—2009年，除險(xiǎn)加固完成后實(shí)現(xiàn)了滲流壓力自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，形成了2008年10月20日—2022年6月20日連續(xù)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對(duì)滲流壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整編分析[13-16]。為清晰顯示震后滲流壓力水位變化情況，進(jìn)而評(píng)估震后大壩滲流性態(tài)，分別繪制了5個(gè)典型斷面震前、震后測(cè)點(diǎn)滲流壓力水位過(guò)程線，且繪制了各典型斷面震后相對(duì)高水位(2022年4月1日2541.18m)下的浸潤(rùn)線。

4.1 大壩0+165斷面

0+165斷面共設(shè)置K03、K04、K05、K06四個(gè)滲流壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，繪制各測(cè)點(diǎn)滲流壓力水位過(guò)程線(見(jiàn)圖3～圖5)。由圖可見(jiàn)：

圖3 0+165斷面測(cè)點(diǎn)滲流壓力水位過(guò)程線

圖4 0+165斷面震前、震后測(cè)點(diǎn)滲流壓力水位過(guò)程線

圖5 0+165斷面實(shí)測(cè)浸潤(rùn)線

a.K03測(cè)值過(guò)程線為水平直線，測(cè)值為儀器安裝高程，主要因滲壓計(jì)位于空氣中，未監(jiān)測(cè)到水位。

b.K04、K05、K06測(cè)值與下游水位測(cè)值接近，因此過(guò)程線基本重合。

c.防滲斜墻下游側(cè)測(cè)點(diǎn)K04、K05、K06滲流壓力水位較庫(kù)水位顯著下降，表明防滲系統(tǒng)防滲效果較好。

d.根據(jù)實(shí)測(cè)浸潤(rùn)線圖，經(jīng)過(guò)壤土斜墻后滲流壓力水位下降明顯，符合壤土斜墻砂礫殼壩浸潤(rùn)線形態(tài)，表明該斷面防滲系統(tǒng)工作正常，防滲效果整體較好；下游壩坡滲流出口低于壩腳地面高程，故該斷面下游壩坡滲流處于安全狀態(tài)。

e.震前、震后各測(cè)點(diǎn)滲流壓力水位未出現(xiàn)明顯變化，震后測(cè)點(diǎn)水位未出現(xiàn)異常升高，表明本次地震未破壞該斷面防滲系統(tǒng)。

4.2 大壩0+265斷面

0+265斷面共設(shè)置K07、K08、K09、K10四個(gè)滲流壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖2)，繪制各測(cè)點(diǎn)滲流壓力水位過(guò)程線(見(jiàn)圖6～圖8)。由圖可見(jiàn)：

圖6 0+265斷面測(cè)點(diǎn)滲流壓力水位過(guò)程線

圖7 0+265斷面震前、震后測(cè)點(diǎn)滲流壓力水位過(guò)程線

圖8 0+265斷面實(shí)測(cè)浸潤(rùn)線

a.K07自2021年5月后沒(méi)有讀數(shù)，且測(cè)值過(guò)程線為水平直線，測(cè)值為儀器安裝高程，主要因滲壓計(jì)位于空氣中，未監(jiān)測(cè)到水位。

b.K08、K09、K10測(cè)值與下游水位測(cè)值接近，因此過(guò)程線基本重合。

c.防滲體下游側(cè)測(cè)點(diǎn)K08、K09、K10滲流壓力水位較庫(kù)水位顯著下降，表明防滲系統(tǒng)防滲效果較好。

d.根據(jù)實(shí)測(cè)浸潤(rùn)線圖，經(jīng)過(guò)壤土斜墻后滲流壓力水位下降明顯，符合壤土斜墻砂礫殼壩浸潤(rùn)線形態(tài)，表明該斷面防滲系統(tǒng)工作正常，防滲效果整體較好；下游壩坡滲流出口低于壩腳地面高程，因此，該斷面下游壩坡滲流處于安全狀態(tài)。

e.震前、震后各測(cè)點(diǎn)滲流壓力水位未出現(xiàn)明顯變化，震后測(cè)點(diǎn)水位未出現(xiàn)異常升高，表明本次地震未破壞該斷面防滲系統(tǒng)。

4.3 大壩0+375斷面

0+375斷面共設(shè)置K11、K12、K13、K14四個(gè)滲流壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，繪制各測(cè)點(diǎn)滲流壓力水位過(guò)程線(見(jiàn)圖9～圖11)。由圖可見(jiàn)：

圖9 0+375斷面測(cè)點(diǎn)滲流壓力水位過(guò)程線

圖11 0+375斷面實(shí)測(cè)浸潤(rùn)線

a.K11測(cè)值過(guò)程線為水平直線，K11測(cè)值為儀器安裝高程，主要因滲壓計(jì)位于空氣中，未監(jiān)測(cè)到水位。

b.K13測(cè)值略高于上游測(cè)點(diǎn)K12測(cè)值，主要受測(cè)量誤差影響。K12、K13、K14測(cè)值與下游水位測(cè)值接近，因此過(guò)程線基本重合。

c.防滲體下游側(cè)測(cè)點(diǎn)K12、K14滲流壓力水位較庫(kù)水位顯著下降，表明防滲系統(tǒng)防滲效果較好。

d.根據(jù)實(shí)測(cè)浸潤(rùn)線圖，經(jīng)過(guò)壤土斜墻后滲流壓力水位下降明顯，符合壤土斜墻砂礫殼壩浸潤(rùn)線形態(tài)，表明該斷面防滲系統(tǒng)工作正常，防滲效果整體較好；下游壩坡滲流出口低于壩腳地面高程，故該斷面下游壩坡滲流處于安全狀態(tài)。

e.震前、震后各測(cè)點(diǎn)滲流壓力水位未出現(xiàn)明顯變化，震后測(cè)點(diǎn)水位未出現(xiàn)異常升高，表明本次地震未破壞該斷面防滲系統(tǒng)。

4.4 繞滲測(cè)點(diǎn)

在大壩樁號(hào)0-055、0-033處壩軸線位置設(shè)置繞壩滲流測(cè)點(diǎn)K01、K02，監(jiān)測(cè)右岸繞壩滲流，兩個(gè)測(cè)點(diǎn)2019年9月由于儀器異常停測(cè)，2021年5月恢復(fù)監(jiān)測(cè)后數(shù)值異常升高，測(cè)值不可信；在大壩樁號(hào)0+494、0+519處壩軸線位置設(shè)置繞壩滲流測(cè)點(diǎn)K15、K16，監(jiān)測(cè)左岸繞壩滲流，兩個(gè)測(cè)點(diǎn)2019年9月由于儀器異常停測(cè)，2021年12月恢復(fù)監(jiān)測(cè)后數(shù)值異常升高，測(cè)值不可信。為消除庫(kù)水位影響，對(duì)K01、K02、K15、K16測(cè)值作無(wú)量綱化處理，即獲得繞壩滲流位勢(shì)。繪制各測(cè)點(diǎn)滲流壓力水位過(guò)程線、滲流位勢(shì)過(guò)程線(見(jiàn)圖12～圖15)。由圖可見(jiàn)：

圖12 K01、K02測(cè)點(diǎn)滲流壓力水位過(guò)程線

圖13 K01、K02測(cè)點(diǎn)滲流位勢(shì)過(guò)程線

圖14 K15、K16測(cè)點(diǎn)滲流壓力水位過(guò)程線

圖15 K15、K16測(cè)點(diǎn)滲流位勢(shì)過(guò)程線

a.K01、K02、K15、K16測(cè)點(diǎn)水位變化與庫(kù)水位變化趨勢(shì)基本一致，表明左、右壩肩監(jiān)測(cè)部位與庫(kù)水連通性好。

b.K01、K02測(cè)點(diǎn)位勢(shì)接近(約40%)，未呈現(xiàn)增大趨勢(shì)且整體不高，表明監(jiān)測(cè)部位滲流穩(wěn)定。

c.K15、K16滲流壓力水位接近庫(kù)水位，測(cè)點(diǎn)位勢(shì)較為接近(約95%)，雖整體較高但未呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，表明監(jiān)測(cè)部位滲流基本穩(wěn)定，左岸與右岸相比，上游局部位置裂隙更加發(fā)育。

d.因繞壩滲流測(cè)點(diǎn)數(shù)量少，缺乏下游側(cè)繞滲測(cè)點(diǎn)，無(wú)法根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判定繞壩滲流情況，但現(xiàn)場(chǎng)檢查與運(yùn)行過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)左、右岸山體相關(guān)部位存在異常滲流現(xiàn)象，因此，兩岸繞壩滲流并不嚴(yán)重。

5 結(jié) 語(yǔ)

a.K01、K02、K07、K15、K16當(dāng)前無(wú)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)盡快恢復(fù)監(jiān)測(cè)；K03、K07、K11測(cè)值過(guò)程線為水平直線，測(cè)值為儀器安裝高程，主要因滲壓計(jì)位于空氣中，未監(jiān)測(cè)到水位。

b.各監(jiān)測(cè)橫斷面防滲體下游測(cè)點(diǎn)滲流壓力水位較庫(kù)水位顯著下降，表明防滲系統(tǒng)防滲效果較好；實(shí)測(cè)浸潤(rùn)線圖顯示滲流未在下游壩坡出逸，表明各斷面下游壩坡滲流處于安全狀態(tài)；震前、震后滲流壓力水位未出現(xiàn)明顯變化，震后測(cè)點(diǎn)水位未出現(xiàn)異常升高，本次地震未破壞大壩防滲系統(tǒng)。

c.兩岸繞滲測(cè)點(diǎn)水位與庫(kù)水位相關(guān)性較好，左岸滲流壓力水位接近庫(kù)水位，表明左岸山體上游局部位置裂隙更加發(fā)育；兩岸繞滲測(cè)點(diǎn)位勢(shì)未呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，表明監(jiān)測(cè)部位滲流穩(wěn)定；因繞壩滲流測(cè)點(diǎn)數(shù)量少，缺乏下游繞滲測(cè)點(diǎn)，無(wú)法根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判定繞壩滲流情況，但現(xiàn)場(chǎng)檢查與運(yùn)行過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)兩岸山體相關(guān)部位存在異常滲流現(xiàn)象，因此，兩岸繞壩滲流并不嚴(yán)重。

d.建議更新改造大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并重視巡視檢查，每年定期對(duì)巡視檢查與儀器監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行一次系統(tǒng)整編分析。