均質土壩壩內垂直砂墻的排水效果分析

李建軍

（勝利石油管理局生產管理部，山東 東營 257000）

1 引言

均質土壩在壩體合適位置設置垂直砂墻排水，可以降低壩體浸潤線高度、減小滲透壓力，增加下游壩坡的抗滑穩定性。土壩設計中這是一個常用結構措施，?？扇〉昧己眯Ч?。但設置砂墻排水其長期運行后效果如何，是一個需要探討的問題，勝利油田耿井水庫圍壩設置了垂直砂墻排水，已經運行18年，2006年設置了自動化滲流監測系統，分析此原型觀測資料，可以對此問題的研究提供一個有價值的資料。

2 工程概況

耿井水庫是一座引黃供水的平原水庫，設計蓄水位 10.4m，死水位 5.0m，設計庫容 2080×104m3。1991年 9月開始蓄水運行，至今仍為向勝利油田供水的骨干水庫之一，每年蓄水至設計高水位有3～4次，運行頻繁。

水庫圍壩為均質碾壓式土壩，就地取土填筑。壩頂高程11.8m，壩頂寬度7.0m，最大壩高 7.74m，圍壩全長7.72km。壩基淺層為淤泥質粘土和粉質粘土，滲透系數在 1.66×10-5～2.50×10-6cm/s之間，壩體粉質粘土滲透系數4.78×10-5cm/s。在壩軸線下游6.5m處設厚1.0m的垂直排水砂墻，其頂高程8.0m，底高程3.25m。在砂墻底沿壩軸線每100m設一條通向下游壩腳集滲溝的碎石排水帶，排水帶剖面尺寸為0.6×0.6m，可將砂墻內滲水排至下游。

砂墻用料為中粗砂，要求填筑干密度為16.0kN/m3，滲透系數達到1.0×10-2cm/s。排水帶碎石粒徑上游段為2～4 cm、下游 4～8cm，均用 300 g/m3無紡土工布包裹。砂墻和碎石排水帶施工，要求先填筑壩體，壓實后挖溝填筑，以保證壩體土料不致混入排水體中影響排水效果。

3 監測儀器布設

建壩時曾埋設測壓管監測浸潤線高度，共設8個監測剖面，每個剖面布置6根測壓管。這些測壓管不久即逐漸淤堵，至1995年全部失效。

2006年10～11 月重新設置大壩滲流監測系統，觀測項目包括滲透壓力、滲流量和水庫水位。滲透壓力觀測儀器采用振弦式孔隙水壓計，滲流量用薄壁量水堰配堰上自記水位計，水庫水位采用浮筒式自記水位計，均接入監測系統，實現數據自動采集、通信傳輸、資料整編一體化。監測系統設置了8個監測剖面，每個剖面設4～5個測點，測點布置以樁號5+440剖面為典型示于圖1。由圖1可見，在上游滲流入口附近、砂墻前后、滲流出逸附近各布設測點一個，K30是觀測下游水位的測點，每壩段設一個。自動數據采集頻率為每天1次。

圖1 監測測點布置圖

4 監測結果分析

對2006年12月1日至2008年3月30日的系列觀測整編資料進行分析，計算各測點滲透壓力水位與庫水位之間的復相關系數，同時進行了反演分析和設計高水位條件下的有限元滲流計算，根據計算分析成果，可以得到如下認識。

4.1 庫水位過程線和測點滲壓水位過程線相關性分析

以樁號5+440剖面（如圖2）為例分析，各測點滲壓水位隨庫水位的升降而升降；隨著測點距上游庫水距離的增加，滲壓水位逐漸降低，并且與庫水位的相關性逐漸降低。在滲流入口測點滲壓水位與庫水位相關性很高，8個監測剖面的相關系數均值達到0.892，砂墻上游測點相關系數均值0.675，砂墻下游測點相關系數均值0.351，至下游壩腳處此值僅0.196，與庫水位的相關性已很低。這一現象符合土壩滲流的一般規律。

圖2 典型庫水位和測點滲壓水位過程線

4.2 排水效果分析

設計滲流計算給出設計蓄水位10.4m、下游水位4.5m條件下壩軸線下游6.5m（砂墻上游邊）處浸潤線水面高程6.23m，在下游壩坡的出逸高程5.79m。

整編原型觀測資料系列范圍內，庫水位6次達到或接近設計庫水位10.4m。分析2007年2月1日砂墻上游測點滲壓水位可見，除樁號5+440剖面滲壓水位達到6.50m、超過設計值6.23m以外，其它各監測剖面滲壓水位值在4.0～5.36m之間，低于設計值約1～2m。另外，所有監測剖面滲流均未在下游壩坡出逸，只有北壩段（樁號5+440、6+640剖面）滲壓水位在4.5m之上，其余各剖面滲壓水位均低于4.0m，在3.5m～3.8m之間，現場未見滲流出逸。

由比較可見，壩體設置垂直砂墻排水對降低浸潤線高度的效果還是明顯的。北壩坡的滲壓水位抬高與廣利河的整治有關，廣利河經流北壩段下游，距下游壩腳50m不到，河道拓寬出土拋于壩下，堵塞了碎石排水帶出口，反證了垂直砂墻的排水作用。

4.3 滲流趨勢分析

由對庫水位與測點滲壓水位過程線分析可見，在整編資料系列中，測點滲壓水位有逐漸抬高的趨勢。以2007年2月1日與2008年2月10日 （庫水位均達到設計蓄水位10.4m）的測點滲壓水位比較可見，砂墻上游測點滲壓水位抬高值最少的為0+540剖面的0.22m，最高為3+139剖面的1.32m；砂墻下游測點的滲壓水位抬高值最少的為0+540剖面的0.15m，最高的為1+840剖面的1.35m。這一現象說明，砂墻或水平碎石排水帶有淤堵現象，使得滲流有向不利方向發展的趨勢。

4.4 滲透穩定性分析

在對各監測剖面進行反演分析，調整壩體壩基土體滲流系數的情況下，在設計庫水位10.4m條件下進行了滲流場有限元計算分析，計算對圍壩的東、南、西、北壩段各取一監測剖面進行，計算成果表明，滲流均不在下流壩坡出逸，滲流沿程滲透穩定性均滿足要求，因此近期滲流是安全的。

5 結 論

綜合上述分析，可以得到如下結論：(1)均質土壩壩內設置垂直砂墻排水，對降低浸潤線高度的效果是明顯的。(2)砂墻排水長期運行，淤堵現象是存在的。為避免這一現象的出現，壩內排水體設計必須保證反濾構造滿足防淤堵準則。(3)耿井水庫大壩垂直砂墻經18年運行，滲流狀態有向不利方向發展的趨勢，但近期尚不致影響到大壩的滲流安全。