陡河水庫壩體浸潤線觀測資料計(jì)算分析

周金波

（河北省唐山市陡河水庫事務(wù)中心，河北 唐山 063021）

滲流觀測是土壩觀測的關(guān)鍵， 根據(jù)壩體觀測資料， 對震前壩體浸潤線和震后壩體浸潤線數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，對大壩壩體滲透穩(wěn)定與安全做出評價，得出相應(yīng)結(jié)論并提出建議，為水庫安全運(yùn)行、壩體安全穩(wěn)定提供科學(xué)依據(jù)。

1 觀測設(shè)備布設(shè)

陡河水庫土壩為碾壓均質(zhì)壩， 筑壩材料為砂質(zhì)黏土，最大壩高25 m，校核水位為44.3 m，相應(yīng)庫容為5.152 億m3。壩基為第四紀(jì)地層，建在河床段和一級臺地上，地面高程26～28 m，表層黏性土厚約7～10 m，滲透系數(shù)為1×10-5cm/s， 其下為砂層， 滲透系數(shù)為1.75～9.75×10-3cm/s， 主壩位于滲透系數(shù)相差很大的雙層地基上。 陡河水庫初建時， 分別在0+100、0+500、1+500 3 個剖面共安裝10 根觀測管， 其位置位于壩頂及上、下游壩坡上。1977 年震害修復(fù)工程中，壩軸線向下游移動16 m，然后重新筑壩。壩體測壓管進(jìn)行重新布設(shè)，同時保留原壩中管3 根為震后壩上管，共7 個斷面。可分為3 部分：河床段（0+100、0+170）、一級階地（0+500、0+900、1+300）、淤泥段（1+500、1+700）。 其中河床段220 m 范圍內(nèi)為壩腳堆石棱體排水，一級階地由壩內(nèi)暗管排水至排水溝。1988 年，在提高保壩標(biāo)準(zhǔn)工程中，將壩中測壓管加長，保證震后資料的連續(xù)性，觀測設(shè)施基本保持完好［1］。

2 大壩浸潤線初步分析

陡河水庫于1957 年7 月安設(shè)壩體浸潤線管，經(jīng)過40 多年觀測，1957—1976 年之間的觀測資料具有連續(xù)性；1977 年7 月至今，壩體浸潤線觀測資料具有連續(xù)性。因此本次分析可分為震前和震后兩部分。

2.1 震前壩體浸潤線分析

陡河水庫1958 年正式蓄水，從歷年的觀測資料整理分析:1959 年汛期水位為最高34.33 m， 最低庫水位為27.73 m，壩體浸潤線在形成前期最能反映壩體的運(yùn)行情況， 而1959 年壩體未完全形成浸潤線。所以從1960 年以后開始分析。

2.1.1 0+100、0+500、1+500 浸潤線水位數(shù)據(jù)分析

通過震前0+100、0+500、1+500 壩體測壓管水位逐年變化數(shù)據(jù)如表1，可知1970—1976 年的測壓管運(yùn)行正常，壩上浸潤線管水位最高，壩中其次，壩下最低。 其中0+100 斷面長期低于庫水位很多， 說明0+100 斷面所處的河床斷壩體排水能力比較強(qiáng)。但從總體趨勢來看，3 個測壓管水位有升高趨勢。0+500 斷面管水位有一種反?，F(xiàn)象，即壩上、壩中測壓管高于庫水位， 這種現(xiàn)象不符合滲流規(guī)律。 分析原因，可能是測壓管堵塞或降雨影響。1+500 斷面浸潤線管水位從總體趨勢來看，管水位運(yùn)行正常，由于管水位與庫水位有較長的滯后時間， 隨著時間推移3個測壓管水位有升高趨勢。

表1 震前0+100、0+500、1+500斷面測壓管水位逐年變化單位：m

2.1.2 實(shí)測與設(shè)計(jì)浸潤線計(jì)算

陡河水庫土壩河床段壩體浸潤線設(shè)計(jì)值按 《蘇聯(lián)水工建筑物滲透計(jì)算》中的近似公式進(jìn)行計(jì)算，建立X、Y 軸坐標(biāo)系， 浸潤線可通過將x、y 值代入浸潤線方程。壩體滲透系數(shù)k=3.32×10-7cm/s，即河床段按透水地基計(jì)算， 計(jì)算條件是壩體滲透系數(shù)較壩基滲透系數(shù)小得多，即：壩基透水性大于壩體，其計(jì)算公式為：

式中 Y 為浸潤線方程將坐標(biāo)x 點(diǎn)代入后的值（m）；x 為浸潤線方程的x 取值（m）；H 為當(dāng)日庫水位與該斷面下當(dāng)日實(shí)測管水位的差值（m）；L 為浸潤線交上游壩坡交點(diǎn)垂線至交下游坡腳處的水平距離（m）［2］。

臺地段壩體浸潤線設(shè)計(jì)值， 近似地取其為裘皮幼拋物線，按不透水地基考慮，計(jì)算公式為：

式中 L 為浸潤線交上游壩坡交點(diǎn)垂線至交下游坡腳處的水平距離（m）；L′為L 和單位寬度滲徑長度之和，即浸潤線產(chǎn)生的總的滲徑長度(m)；H′為假設(shè)的深度即浸潤線方程在Y 軸上的截距(m)。qr為壩中化引單位寬度滲透流量 （m3/s·m）；H 為當(dāng)日庫水位與該斷面下當(dāng)日實(shí)測管水位的差值（m）；f1與f2是上游邊坡系數(shù)m 的函數(shù)，由關(guān)系曲線可查得；f1為上游邊坡系數(shù)，f2為下游邊坡系數(shù)。均質(zhì)土石壩不透水地基堆石棱體排水情況為例,建立坐標(biāo)系，經(jīng)化簡得浸潤線方程為：

式中 A、B是常數(shù)，A不等于0， 當(dāng)x=L'，y=0時，B=H'2，Ax=-B，A=代入后得出A值和B值。其余變量含義同上。

2.1.3 0 +100、0 +500、1+500 斷面壩體浸潤線計(jì)算

自水庫運(yùn)用以來，1959 年庫水位為最高34.33 m，但未完全形成浸潤線，1962 年以后壩體已完全形成浸潤線，且1962 年庫水位長期處于32 m 左右， 對浸潤線形成有很大好處，為了真實(shí)比較實(shí)測值與設(shè)計(jì)值。 選取1962 年1 月17 日水位31.88 m 為計(jì)算水位，對0+100、0+500、1+500 3 個斷面進(jìn)行計(jì)算如表2。

表2 0+100、0+500、1+500斷面壩體浸潤線計(jì)算（震前） 單位：m

2.1.3.1 庫水位與管水位的滯后時間分析

陡河水庫是碾壓式均勻土壩， 從多年庫水位隨管水位運(yùn)行變化來看， 管水位相對于庫水位具有相當(dāng)長的滯后性，很難判斷出具體的滯后時間，且壩體的測壓管受埋設(shè)等多方面因素的影響。 所謂的滯后時間，是一個時間范圍，不是一個固定值，同一水位不同的斷面有不同的滯后時間。

現(xiàn)對庫水位與管水位滯后時間分析如下： 取臺地段不透水地基， 計(jì)算公式化引單位流量qr值進(jìn)行計(jì)算。該計(jì)算公式適應(yīng)陡河水庫壩體滲流特性，化引單位流量qr值與滲透系數(shù)k有密切關(guān)系，可假設(shè)它們之間有一定線性關(guān)系， 即滲透系數(shù)k越大，單位流量qr值越大，滲透系數(shù)k越小，單位流量qr值越小。 計(jì)算公式如下：

式中 v為流速(m3/s) ；Q為流量 （m3）；A為斷面面積（m2）；l為滲徑長度(m)；t為滲流時間。

可做如下假設(shè)： 浸潤線是滲流線中最高的一根線，假設(shè)Q=qr，A為與qr值相對應(yīng)的一個單位，那么v=qr，滲流時間近似為t=，所以根據(jù)上述滲流時間公式可估算滯后時間。 0+500斷面在庫水位為31.88m 時壩上測壓管的滯后時間t=260d； 壩中測壓管:t=536d；壩下測壓管:t=935d。 1+500斷面在庫水位為31.88m 時壩上測壓管:t=238d； 壩中測壓管:t=492d；壩下測壓管:t=492d［3］。

2.1.3.2 河床段設(shè)計(jì)與實(shí)測浸潤線比較分析

該斷面測壓管自1958 年正式安裝，其后經(jīng)歷了1959—1960 年持續(xù)高水位(32～34 m)，但0+100 壩上實(shí)測浸潤線值比計(jì)算值低4.65 m， 說明壩體內(nèi)還未形成穩(wěn)定滲流。 原因分析， 壩基表層為3 m 的礫石砂，透水性良好，下游設(shè)反濾壩址排水，因此壩體周圍的排水能力較強(qiáng)，而上游又做有截水槽，截?cái)鄩位袧B流，滲入壩體的少量滲流水很快被排走， 因此，所觀測到的測壓管水位很低，甚至無水。河床段浸潤線低于設(shè)計(jì)值很多， 在平常觀測中，看到滲出的水清晰，對土壩穩(wěn)定有利。在該段土壩上游做的黏土鋪蓋和截水槽效果較顯著。 土壩浸潤線位置低于設(shè)計(jì)值或遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值對下游壩坡穩(wěn)定有利。 但由于壩體滲透性極弱。當(dāng)水庫水位降低時，管水位遲遲不能回落，對上游壩坡不利。如1961 年7 月管水位較庫水位高出1.6 m 左右，設(shè)計(jì)會按最不利驟降情況分析。由于浸潤線形成有較長的滯后時間，故短歷時的洪水位不會形成高的浸潤線， 所以不必考慮設(shè)計(jì)洪水位下的浸潤線。

2.1.3.3 一級階地段設(shè)計(jì)與實(shí)測浸潤線比較分析

一級階地段共計(jì)算0+500、1+500 兩個斷面的浸潤線值， 從兩斷面測壓管水位實(shí)測值與設(shè)計(jì)值比較來看基本相符， 實(shí)際值仍低于設(shè)計(jì)值0.5 m 左右。只有0+500 斷面壩下管水位相差較大為2.98 m, 該值有觀測誤差和降雨影響。一級階地段壩基有8～10 m的不透水層，這些與計(jì)算條件相吻合，所以設(shè)計(jì)和實(shí)測浸潤線較為接近。

經(jīng)過對河床段和一級階地浸潤線計(jì)算， 分析測壓管管水位受降雨影響嚴(yán)重； 測壓管管水位和下游水位有著密切關(guān)系， 下游水位的高低直接影響著測壓管的水位。通過分析可知，所假設(shè)的滯后時間計(jì)算公式基本符合要求，實(shí)測值與計(jì)算值相差不多。

2.2 震后浸潤線數(shù)據(jù)分析

2.2.1 浸潤線管水位數(shù)據(jù)分析

通過震后0+100、0+500、1+500 壩體測壓管水位逐年變化數(shù)據(jù)如表3，通過表3 分析：出現(xiàn)幾種完全不可信的結(jié)果，0+100 斷面壩中測壓管水位從1981年開始長期高于庫水位；0+500 斷面壩中測壓管水位從1979 年開始長期高于庫水位，0+500 斷面壩上測壓管水位長期高于庫水位；1+500 斷面壩上、壩中浸潤線管水位長期高于庫水位， 壩中浸潤線管水位高于庫水位最大差值7.4 m，壩下浸潤線管水位處于高水位運(yùn)行。按照壩基是透水地基的特征，壩中測壓管水位應(yīng)明顯低于庫水位，壩下應(yīng)該低于庫水位，但實(shí)際情況不符合一般滲流規(guī)律。

表3 震后0+100、0+500、1+500斷面壩體測壓管水位逐年變化單位：m

2.2.2 實(shí)測與設(shè)計(jì)浸潤線計(jì)算（震后）

大壩經(jīng)震后修復(fù)后，查閱整編資料，選用1991 年12 月31 日觀測資料為計(jì)算第一手資料。選該年為計(jì)算年是因?yàn)樵撃昶骄?2.47 m 左右波動，且汛期沒有太大水位變化。選此日基本無雨水影響，對形成浸潤線有利， 理論上對浸潤線計(jì)算應(yīng)符合要求。0+100、0+500、1+500 斷面壩體浸潤線計(jì)算結(jié)果如表4。

表4 0+100、0+500、1+500斷面壩體浸潤線計(jì)算（震后） 單位：m

3 個斷面浸潤線理論值低于實(shí)測值，各斷面壩中浸潤線值比計(jì)算值大很多，甚至超過庫水位值。這說明壩體浸潤線不能反映壩體的正常運(yùn)行，理論上測壓管水位值逐漸降低，不會出現(xiàn)類似現(xiàn)象，分析原因：測壓管堵死，不受庫水位影響，長期管中存水，管中水只會沿水平方向緩慢流動，且受壩面積水或降雨影響嚴(yán)重。 可能安裝測壓管時周圍土層或管周圍不密實(shí)，有漏水現(xiàn)象。即壩體測壓管不能反映大壩的正常運(yùn)行。

2.3 對震前和震后浸潤線分析的總結(jié)

陡河水庫運(yùn)行66 年來， 主要可分為震前和震后兩大階段， 從以上分析壩體浸潤線在震前運(yùn)行良好，能正確反映大壩的滲流，只是受降雨影響嚴(yán)重，在浸潤線圖和各壩段浸潤線歷時曲線上分析都與庫水位關(guān)系緊密， 能比較真實(shí)地反映大壩主體的滲流情況。震后大壩的浸潤線有所變動，雖然各斷面浸潤線受降雨影響減小，但各斷面浸潤線不能正確反映壩體的滲流規(guī)律，測壓管水位值不隨庫水位變化而變化，并且長期處于高水位運(yùn)行，違背滲流規(guī)律。為確保大壩安全運(yùn)行，能夠經(jīng)受大水的考驗(yàn)，實(shí)時監(jiān)測壩體滲流狀況，2005 年安設(shè)大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)。2023 年對大壩安全監(jiān)測設(shè)施進(jìn)行了改造，對堵塞、異常的測壓管在同位置處增設(shè)新孔實(shí)時監(jiān)測。 現(xiàn)在僅有少數(shù)測壓管水位高于庫水位，測壓管異常情況得到較大改善［4］。

3 壩體測壓管水位異常試驗(yàn)分析

3.1 現(xiàn)象描述

陡河水庫自從安設(shè)壩體測壓管以來， 通過進(jìn)行觀測資料整理得：震前測壓管運(yùn)行正常；震后測壓管運(yùn)行異常。從震后至今，壩上、壩中測壓管長期高于庫水位，壩下測壓管基本在某一數(shù)值范圍內(nèi)波動，與庫水位變化無關(guān)，例如：1+500 斷面壩上測壓管水位基本在33.0 m 左右波動， 壩中測壓管水位長期在36.0 m 左右波動， 壩下測壓管水位長期在32.0 m 左右波動。

3.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為了更準(zhǔn)確、 完整地分析測壓管長期高于庫水位的原因，進(jìn)行抽水實(shí)驗(yàn)，把測壓管中水抽出，觀察水位變化。 如果管水位保持抽水后的水位或管水位上升緩慢不變，證明測壓管進(jìn)水堵塞；如果水位變化較快，證明測壓管通暢。實(shí)驗(yàn)說明，測壓管中進(jìn)水管通暢，排水堵塞，測壓管周圍壩體內(nèi)的空隙水阻礙管水位的排出。 雨水對測壓管水位的變化影響嚴(yán)重。

4 安全評價與建議

（1）震前壩體滲流基本符合均質(zhì)土石壩的滲流規(guī)律，實(shí)測浸潤線與理論浸潤線值基本相符。陡河水庫自建成至今，在33.43 m 高水位考驗(yàn)下大壩無異?，F(xiàn)象，證明大壩壩體運(yùn)行良好。

（2）震前壩體滲流基本符合均質(zhì)土石壩的滲流規(guī)律，實(shí)測浸潤線與理論浸潤線值基本相符，震后壩體滲流出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，管水位長期高于庫水位，違背滲流規(guī)律，由于浸潤線長期處于高水位對壩體不利，建議按要求進(jìn)行大壩結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定復(fù)核， 確保大壩在高水位情況下安全運(yùn)行［5］。

（3）現(xiàn)壩體管水位與庫水位的滯后時間不明顯，應(yīng)進(jìn)行抽水或充水實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證， 并采取有效措施進(jìn)行解決。

（4）由于大壩是砂性黏土均質(zhì)壩，壩體滲透系數(shù)過小，相對較穩(wěn)定，但該壩未經(jīng)大洪水考驗(yàn)，應(yīng)時刻注意運(yùn)行情況，防范于未然；建議對大壩運(yùn)行加強(qiáng)監(jiān)控，建立大壩觀測自動化監(jiān)測系統(tǒng)，對大壩測壓管觀測資料做準(zhǔn)確分析。