故縣水庫大壩滲流分析

王智陽,趙 婷,崔曉波

(1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南開封 475003;2.河南洛寧故縣水利樞紐管理局,河南洛寧 471715)

故縣水庫大壩滲流分析

王智陽1,趙 婷1,崔曉波2

(1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南開封 475003;2.河南洛寧故縣水利樞紐管理局,河南洛寧 471715)

故縣水庫大壩為混凝土重力壩,針對大壩滲流監(jiān)測項(xiàng)目及運(yùn)行情況,通過對該工程壩基揚(yáng)壓力、大壩滲流量和繞壩滲流等三方面進(jìn)行分析,得出F5斷層C445-3管水位持續(xù)升高,應(yīng)該引起重視;河床壩段揚(yáng)壓力水位較低,河床壩段排水系統(tǒng)完善,運(yùn)行正常;岸坡壩段、河床壩段揚(yáng)壓系數(shù)均小于設(shè)計(jì)值0.3,滿足設(shè)計(jì)要求和大壩安全要求;壩基滲流量較小,沒有產(chǎn)生較大的集中滲流,大壩帷幕灌漿效果良好,壩基滲流穩(wěn)定可靠。

故縣水庫;滲流分析;重力壩;揚(yáng)壓力;滲流量;繞壩滲流

0 前 言

人類筑壩的歷史已近5 000年,重力壩是出現(xiàn)最早的一種壩型。混凝土重力壩是在砌石重力壩的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。據(jù)統(tǒng)計(jì),由于滲流問題而失事的大壩,約占總事故的40%左右。由此可見,對滲流問題必須予以高度重視。大壩建成后,必須進(jìn)行各項(xiàng)滲流監(jiān)測,分析判斷滲流情況是否正常,以保證大壩的安全運(yùn)用[1]。水工建筑物滲流觀測的目的是以水在建筑物中的滲流規(guī)律來判斷建筑物的性態(tài)及其安全情況。19世紀(jì)末期,通過對幾座失事重力壩的分析研究,認(rèn)為作用于壩體的揚(yáng)壓力對壩體有不利影響[2]。揚(yáng)壓力首次提出于1985年法國Bouzey壩失事后[3],現(xiàn)行規(guī)范[4]對壩基揚(yáng)壓力的規(guī)定是建立在混凝土為不透水材料的基礎(chǔ)上,揚(yáng)壓力是不透水壩基面的面力。實(shí)際上混凝土是透水材料,其滲透系數(shù)相對壩基巖體來說較小而已。因此,壩體按滲透體與壩基整體分析較符合實(shí)際,而且,從理論上分析揚(yáng)壓力還與壩體和壩基滲透系數(shù)相關(guān)[5]。水庫蓄水后,可能會引起壩肩地下水位運(yùn)動(dòng)規(guī)律的變化,壩肩地下水對大壩及近壩區(qū)安全也有相應(yīng)影響[6]。故混凝土重力壩的滲流監(jiān)測主要包括壩基揚(yáng)壓力、壩體揚(yáng)壓力、滲流量和繞壩滲流等監(jiān)測內(nèi)容。壩基揚(yáng)壓力監(jiān)測多用測壓管,也可用差動(dòng)電阻式滲壓計(jì)。測點(diǎn)沿建筑物與地基接觸面布置。壩體內(nèi)部滲透壓力可在分層施工縫上布置差動(dòng)電阻式滲壓計(jì)[7]。滲流量觀測一般將滲水集中到排水溝中采用量水堰法進(jìn)行測量[2]。

1 工程概況

故縣水庫位于黃河支流洛河中游峽谷內(nèi),是一座以防洪為主,兼顧灌溉、發(fā)電、養(yǎng)殖的大型水利樞紐,總庫容11.75×108m3。水庫大壩為混凝土重力壩,最大壩高125 m,壩頂高程553.0 m,壩頂長315 m,共分為21個(gè)壩段。其中6#壩段為電梯壩段,7#、8#、9#壩段為電站壩段,10#壩段為泄洪底孔壩段,11#～16#為溢流壩段,17#泄洪中孔壩段,0#～5#、18#～20#壩段分別為左右岸擋水壩段。

壩內(nèi)設(shè)有四層廊道,高程分別為440 m、462 m、494 m、520 m,各層廊道之間的垂直交通由6#壩段的電梯和樓梯連接。

壩址區(qū)斷層較多,共有20條,其中F5斷層最大,寬度約為2 m～3 m。施工期間對該條斷層進(jìn)行了“一鍵一塞三豎井”的特殊處理,施工后期又進(jìn)行了灌漿處理,并在F5斷層的上、下盤各布設(shè)了二支測壓管,以觀測其上、下盤的水頭差,其編號為C445-1～C445-4,同時(shí)在其下盤設(shè)一排水孔,以觀測其滲流量變化情況,減小水頭差,其編號為“445洞”。為觀測F5斷層處理后工作情況,混凝土塞和混凝土鍵內(nèi)布置有五向應(yīng)變計(jì)及測縫計(jì)。

2 大壩滲流監(jiān)測項(xiàng)目及運(yùn)行情況

滲流觀測主要包括基礎(chǔ)揚(yáng)壓力和滲流量、壩體揚(yáng)壓力、滲流量及繞壩滲流觀測等項(xiàng)目。

基礎(chǔ)揚(yáng)壓力采用差動(dòng)電阻式滲壓計(jì)21支(基礎(chǔ)揚(yáng)壓力9支,壩體12支)和單管式測壓管72支。滲壓計(jì)埋設(shè)在基巖與混凝土接觸面上,通過電纜在觀測室遙測。由于埋設(shè)儀器時(shí)間較長,較多儀器或電纜損壞,致使測值極不穩(wěn)定。測壓管除個(gè)別深入基巖以下30 m,其余均深入基巖1 m,采用普通壓力表結(jié)合測深鐘人工觀測。

在8#壩段475 m高程和12#壩段480 m高程,各埋設(shè)6支滲壓計(jì),以觀測壩體揚(yáng)壓力分布狀況,電纜分別引入本壩段電測觀測室。由于埋設(shè)時(shí)間較長、電纜進(jìn)水等原因,大部分儀器已損壞失效,無法觀測。

滲流量觀測通過在上下游灌漿廊道的排水溝內(nèi)設(shè)置的8套量水堰,測量計(jì)算所得。1997年7月在11#壩段橫向廊道排水溝內(nèi)布設(shè)一套三角堰V9和一套矩形堰V10,以代替原來V2～V5觀測值來計(jì)算總滲流量。為了改善量水堰觀測條件,提高滲流量觀測精度,2009年10月在V7、V8、V9安裝了NVWG振弦式量水堰儀。

繞壩滲流的觀測方法是在兩岸山體上布置一定數(shù)量的鉆孔,定期利用電測水位計(jì)對地下水位進(jìn)行觀測,鉆孔數(shù)量為左岸15個(gè),右岸18個(gè),共33個(gè)孔,孔深30 m～210 m,由于孔淤積堵塞,目前僅剩20個(gè)有效孔。

由于故縣大壩基礎(chǔ)巖石破碎,有風(fēng)化囊和裂隙夾泥等,設(shè)計(jì)要求需要對其滲水做水質(zhì)透明度觀測和水質(zhì)分析,以檢測滲水中的化學(xué)、物理成份,分析是否會發(fā)生滲流不利的變化。

3 大壩滲流分析

滲流分析主要分析2006年—2010年壩基揚(yáng)壓力和大壩總滲流量。

3.1 壩基揚(yáng)壓力

(1)根據(jù)測壓管水位與壩前水位相關(guān)圖可知,實(shí)測管水位與壩前水位變化相關(guān),從測壓管水位過程線也可以看出管水位的變化隨壩前水位升降而升降。河床壩段管水位變化略滯后于壩前水位的變化,一般滯后10天左右。岸坡段壩管水位不僅受壩前水位影響,同時(shí)還受雨雪天氣影響。

河床壩段相關(guān)系數(shù)在0.34～0.58之間,岸坡壩段相關(guān)系數(shù)在0.27～0.86之間,

(2)揚(yáng)壓力雖隨壩前水位升降而升降,但升降幅度比庫水位升降幅度小得多。2006年至2010年,河床壩段測壓管年變幅最大的是C10-5,最大變幅出現(xiàn)在2010年,變幅為4.41 m,而壩前水位變幅為11.29 m;岸坡壩段測壓管年變幅最大的是C19-2,最大變幅出現(xiàn)在2006年,變幅為8.89 m,壩前水位變幅為13.76 m。

(3)從主排水線測壓管水位柱狀分布圖(見圖1)及測壓管過程線可以看出,河床壩段揚(yáng)壓水位較低且相差不大,說明河床壩段帷幕工作正常,排水設(shè)備完善,排水暢通。兩岸邊坡壩段揚(yáng)壓水位較高,且向兩岸依序升高,各壩段揚(yáng)壓水位相差較大,這也是正常的,形成這種現(xiàn)象主要原因是岸坡壩段基底位置較高,滲水溢出點(diǎn)也較高造成的。

圖1 主排水線測壓管水位柱狀分布圖

(4)滲壓系數(shù)分布情況

①壩基各揚(yáng)壓力觀測橫斷面上滲壓系數(shù)從上游至下游均遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值,且滲壓系數(shù)均表現(xiàn)為負(fù)值(揚(yáng)壓水位低于下游尾水位),說明壩基帷幕系統(tǒng)、排水系統(tǒng)運(yùn)行情況良好。

②滲壓系數(shù)隨庫水位升高而增大,但滲壓系數(shù)變幅較小,壩基滲壓系數(shù)最大變幅為0.09(C8-4),岸坡壩段最大變幅為0.07(C19-2)。

③邊坡壩段滲壓系數(shù)最大值為0.22(C2-2),小于設(shè)計(jì)值0.3。

(5)從測壓管水位成果表及過程線圖中可以看出,個(gè)別測壓管水位變化幅度很小,如C4-2、C10-2、C10-6、C12-7、C15-1、C17-1,原因初步分析為:測壓管長時(shí)間運(yùn)行后,管底泥沙淤積所致。建議對測壓管進(jìn)行清孔處理。

(6)445洞4個(gè)測壓管水位隨壩前水位升降而升降,但變化幅度不大,年變幅最大值為2.5 m(C445-1)。C445-2、3 水位高于 C445-1 、4,這是由于C445-2、3距F5斷層較近,受斷層帶影響較大,與壩前水位相關(guān)系數(shù)較高(0.68～0.74);C445-1、4相對較遠(yuǎn),受其影響較小,與壩前水位相關(guān)系數(shù)較低(0.24～0.33)。上盤(C445-3、4)與下盤(C445-1、2)水壓差最大值為7.83 m,遠(yuǎn)小于斷層處理前的20 m。

C445-3管水位隨壩前水位下降也略有也下降,但降幅很小,總的變化趨勢為逐年增大,2010年最高管水位為11月 2日的 461.48 m(壩前水位533.55 m),與歷年來最高壩前水位(2003年10月15日,534.64 m)下的管水位458.12 m相比,高出3.36 m,具體見表1。

表1 2003—2010年最高管水位統(tǒng)計(jì)表

從表1可看出,2008年以前,該支測壓管水位一直保持在459m以下,2009年—2010年管水位為增長趨勢。

2009年9月28日該支測壓管水位由9月15日的458.75 m(壩前水位 524.81 m)升至459.08 m(壩前水位528.55 m)后,管水位就一直處于459 m以上,2010年最低管水位為459.48 m(壩前水位523.27 m),比歷年最高管水位458.12 m高出1.36 m。

由表2可知,2003年—2010年八年間,C445-2、C445-4管水位升幅較小,不超過3 m,C445-3升幅最大為7.9 m。

F5斷層部位埋設(shè)的四支測壓管管水位均處于增長趨勢,特別是C445-3近兩年管水位升幅較大,初步估計(jì)是由于F5斷層部分灌漿失效所致。

表2 445洞四支測壓管2003年—2010年管水位統(tǒng)計(jì)表

(7)相對于其它測壓管來說,C8-4、C10-5、C11-3、C12-4、C12-5 變幅稍大,在3 m～ 4 m 之間。

3.2 大壩滲流量

(1)通過分析主排水孔實(shí)測滲流量過程,反映出大多數(shù)主排水孔滲流量與壩前水位關(guān)系密切。相比其它主排水孔甲35滲量較大,受壩前水位影響較明顯,與壩前水位相關(guān)系數(shù)為0.42。其次滲水量較大的排水孔為甲41,其余流量較小,不超過30 ml/s。

(2)通過分析排水洞滲流量過程、流量與壩前水位相關(guān)關(guān)系,可以得出,排水洞流量隨壩前水位升降而升降,略滯后于壩前水位變化。其中42#洞滲流量較大,與壩前水位相關(guān)系數(shù)為0.48;35#流量維持在200 ml/s左右,與壩前水位相關(guān)系數(shù)為0.17;445洞滲流量維持在40 ml/s左右,相關(guān)系數(shù)為0.55。

(3)從總滲流量與壩前水位過程線,見圖2,可以看出,總滲流量與壩前水位關(guān)系密切,相關(guān)系數(shù)為0.84,隨庫水位升降而增減。2006年至2010年,總滲流量最大值發(fā)生在2010年3月30日(壩前水位532.18 m),為618.29 m3/d,比最近十年最大滲流量494.16 m3/d(2005年3月22日,壩前水位529.43 m3/d)高出127.13 m3/d,這是由于位于478平臺16#壩段有一通氣孔,孔底位于437下灌廊道,孔口覆蓋砂礫石層,外界水源滲透砂礫石層流入437基礎(chǔ)廊道,致使總滲流量增大。該通氣孔口已于4月下旬進(jìn)行加高、加裝防水罩處理。

圖2 總滲流量與壩前水位過程線

(4)由表3統(tǒng)計(jì)值可看出,在水位較高的2006年至2010年(2008年水位較低除外),最大滲流量出現(xiàn)時(shí)間是在3月份到4月份,這期間庫水位不僅維持在較高的530 m左右,同時(shí)在低溫狀態(tài)下,混凝土和基巖受熱脹冷縮現(xiàn)象影響,裂縫開合度增大,從而引起滲流量增大。這表明總滲流量和水位及溫度有關(guān),且總滲流量變化滯后于溫度變化。

3.3 繞壩滲流

依觀測數(shù)據(jù)繪制的2006年—2010年繞壩滲流水位過程線,從圖中可看出如下規(guī)律:左、右岸有相同的變化規(guī)律,即近庫孔(左岸 ZK2—ZK5,右岸ZK20、ZK21、ZK26)水位較高,且受庫水位影響較大,隨庫水位升降而升降;位于山體上的孔由于距水庫相對較遠(yuǎn),孔水位較低,且受庫水位影響小。

表3 總滲流量與水位、時(shí)間關(guān)系統(tǒng)計(jì)表

從左右岸相關(guān)圖3、圖4可看出上述規(guī)律,右岸近岸孔除ZK20與壩前水位相關(guān)系數(shù)較高為0.69外,ZK21、ZK26與壩前水位相關(guān)系數(shù)較小均為0.23;左岸近岸孔ZK2—ZK5與庫水位的相關(guān)系數(shù)在0.35～0.53之間。

圖3 左岸繞壩滲流近岸孔與壩前水位相關(guān)圖

圖4 右岸繞壩滲流近岸孔與壩前水位相關(guān)圖

4 結(jié) 論

(1)F5斷層位置特殊,C445-3管水位持續(xù)升高現(xiàn)象應(yīng)該引起重視。建議請專家計(jì)算445洞埋設(shè)的應(yīng)變計(jì)資料,以便和測壓管資料校核驗(yàn)證。

(2)河床壩段揚(yáng)壓力水位較低,說明河床壩段排水系統(tǒng)完善,運(yùn)行正常。岸坡壩段、河床壩段揚(yáng)壓系數(shù)均小于設(shè)計(jì)值0.3,滿足設(shè)計(jì)要求和大壩安全要求。

(3)壩基滲流量遠(yuǎn)小于1 100 m3/d～2 200 m3/d設(shè)計(jì)值,經(jīng)過連續(xù)幾年高水位運(yùn)行,也沒有產(chǎn)生較大的集中滲流,說明大壩帷幕灌漿效果良好,壩基滲流穩(wěn)定可靠。

[1]陳勝宏.水工建筑物[M].北京:中國水利水電出版社,2004.

[2]麥家煊.水工建筑物[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[3]汝乃華.重力壩[M].北京:水利電力出版社,1983.

[4]中華人民共和國水利部.SL319-2005.混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國水利水電出版社,2005.

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[7]楊邦柱,焦愛萍.水工建筑(第二版)[M].北京:中國水利水電出版社,2009.

Analysis on Dam Seepage of Guxian Reservior

WANG Zhi-yang1,ZHAO Ting1,CUI Xiao-bo2
(1.Yellow River Vocational and Technical College of Water Conservancy,Kaifeng,He'nan475003,China;2.Guxian Hydraulic Complex Administration Bureau in Luoning Couty of He'nan Province,Luoning,He'nan471715,China)

The dam of Guxian Reservoir is a concrete gravity dam.According to the monitoring data and operation records of the dam seepage,the uplift pressure of seepage discharge and bypass seepage of the dam are analyzed.The following results are obtained:(1)The water level of C445-3 is rising continuously on the site of F5 fault,which should be taken more attentions to;(2)The uplift pressure of the river bed is lower,and the operation of drainage facilities iswell;(3)The coefficients of the uplift pressure on the river bed and bank are little than 0.3,which could meet the requirements of design standard and dam safety;(4)The seepage of the dam foundation is steady,so there is no seepage concentration.Because the effect of the curtain grouting is well,and the seepage discharge is smaller,so the dam foundation is stable and reliable.

Guxian Reservoir;seepage analysis;gravity dam;uplift pressure;seepage discharge;bypass seepage

TV698.2+33

A

1672—1144(2012)05—0132—05

2012-04-16

2012-05-21

王智陽(1974—),女(漢族),江蘇無錫人,講師,主要從事水利水電建筑工程專業(yè)教學(xué)與科研工作。