白龜山水庫攔河壩滲流分析

□ 郭延峰 □王新濤（河南省白龜山水庫管理局）

1 基本情況

1.1 水庫工程概況

白龜山水庫位于淮河流域沙河干流之上，水庫壩址在河南省平頂山市的西南郊，距離市中心9 km，和上游的昭平臺水庫形成梯級水庫，是一座集防洪、灌溉和供水為一體的大（2）型綜合利用水庫。水庫興建于1958年12月，于1966年竣工。水庫總庫容9.22億m3，控制流域面積2740 km2，按100年一遇防洪標準設(shè)計，2000年一遇校核。

1.2 攔河壩工程地質(zhì)概況

攔河壩建于白龜山與九里山之間，橫跨沙河河谷和一級階地，0+130～1+000為一級階地，地面高程92～94m，1+000～1+530為河床及漫灘，河谷最低高程86m。

沖積層地層分布以0+580為界，一級階地上覆土壤成分為：0+200～0+580為中重粉質(zhì)壤土，厚度7～15m；0+580～1+000為中輕粉質(zhì)壤土，厚度4～7m；0+200以北階地表面及基巖山坡上分布坡積土及塊石。階地下部為砂卵石層，厚度15～17m，顆粒組成有上細下粗規(guī)律。

河床及漫灘，75m高程以上為中粗砂及礫質(zhì)粗砂，以下為砂卵石層，沖積層總厚度為17～20m。70m高程以下伏基巖，上部為新第三系粘土巖夾粉砂巖，下部為元古界石英砂巖夾頁巖。

1.3 壩體防滲措施

攔壩壩體上游部分采用天然粘土鋪蓋與人工鋪蓋相結(jié)合，并與壩腳相接，鋪蓋長度按5倍水頭；厚度分布為：河槽段3.50～1.00m，臺地段為0.50～1.00m。壩體采用粘土防滲，下游有導滲降壓井22眼，壩下游坡腳設(shè)有排水溝和導滲暗函，用來排除壩面雨水和壩基滲水。河床段1+150～1+470段，下游壩腳設(shè)貼坡排水，壩基設(shè)有水平墊層排水。

1.4 壩基滲流觀測點布置

壩體共布置了6個壩基承壓觀測斷面：0+500斷面、0+800斷面、0+900斷面、1+000斷面、1+200斷面、1+350斷面。共計設(shè)有29根測壓管及浸潤線管，壩下共設(shè)有20根井間壓力管，并設(shè)有一處壩基滲流量觀測點。

2 攔壩測壓管水位動態(tài)分析

以攔河壩斷面1+000處測壓管水位和壩下井間壓力管水位為例，測壓管水位線分布情況如圖1所示。

圖1 測壓管水位線分布圖

從攔河壩地下水位線（庫水位102.00m）可以看出，攔壩地下水動態(tài)與各段地基的水文地質(zhì)條件關(guān)系密切，上游的地下水位高，下游的地下水位低，左端的地下水位高，右端的地下水位低，兩端地下水位不對稱。

河床部分，上下游地下水位一般相差2～3m；右邊的地下水位低，左邊的地下水位高，左右兩邊的水位差一般在1m以內(nèi)。從歷年的測壓管水位與庫水位過程線可以看出，管水位的變化與庫水位關(guān)系密切，隨庫水位的升降十分明顯。滯后時間一般是2 d左右或不足1 d，且管水位的升降幅度變化不大。一般情況下，靠上游的測壓管水位升降值在3m以內(nèi)，靠下游的測壓管水位升降值在1m以內(nèi)。

左岸1+000以北的一級階地，其地下水位與河床部分有較大差別，地下水位向兩側(cè)左升右降。如1+000斷面處的測壓管，在壩軸線下游56m處，當庫水位達到102m，管水位達到90.50m時，河床相同軸線上的管水位僅為92m。兩管水位相差接近2m。測壓管滯后時間大多超過2 d。總的看來，一級階地地下水位相比庫水位的變化反應(yīng)遲緩一些，這符合基礎(chǔ)層透水性弱的地質(zhì)條件。

右岸在樁號1+350處壩基為河床段，地下水位低于左岸。如庫水位在102.00m時，井間壓力管21#管水位為90.30m，較左岸相同位置的管水位低4m左右。

3 攔河壩壩基測壓管水位與庫水位的相關(guān)性分析

3.1 庫水位的選取要具有代表性

要求庫水位要穩(wěn)定3 d以上才認為穩(wěn)定在此水位。不同庫水位情況下的測壓管水位選取，應(yīng)選取同一斷面同一天測得的管水位值，不考慮軸距影響造成的滯后時間。歷年最高、最低庫水位時的管水位，取與之相對應(yīng)的最高、最低管水位值。其它管水位值應(yīng)選取庫水位上升的情況，這樣滯后時間才較為一致，應(yīng)用中應(yīng)采取庫水位上升的過程。

3.2 依據(jù)相關(guān)性分析為基礎(chǔ)計算預測庫水位時各斷面的測壓管水位值

將預測庫水位值代入回歸公式：

式中：h—預測測壓管水位值，a—常數(shù)項，b—回歸系數(shù)，H—庫水位。

可得出相應(yīng)的預測管水位值，通過回歸分析計算，相關(guān)系數(shù)在0.75左右，顯著相關(guān)。通過相關(guān)性計算，當庫水位為105.38m和105.90m時，各管水位平均上升0.80m左右。

4 攔河壩滲流計算分析

對于建筑在強透水性基礎(chǔ)上的土壩，由于壩體填料的滲透系數(shù)與強透水層的滲透系數(shù)相差很大，故壩基地下水為滲流分析的主要考慮因素，壩體可視為相對弱透水部分，人工鋪蓋因其厚度小且較長，可視為透水部分。為確定各段壩基的透水壓力分布情況，及透水壓力對壩基和壩體的影響，滲流分析時采用實測資料進行分析計算。壩體和壩基分開計算滲流量，壩體采用分段法計算。主要內(nèi)容有：庫水位102.00m及103.00m和預測庫水位105.38m(20年一遇)、105.90m(50年一遇)時，各斷面壩基水平滲透坡降及出逸比降。壩基滲透流量估算，均質(zhì)土壩滲透系數(shù)相差在5倍以內(nèi)的相鄰薄土層可按照一層來計算，采用加權(quán)平均所得的滲透系數(shù)作為計算依據(jù)。壩體滲透系數(shù)采用經(jīng)驗值10-4cm/s，壩基滲透系數(shù)采用經(jīng)驗值2×10-1cm/s。

4.1 壩基的水平滲透坡降和出逸比降

攔河壩河床段的壩基地層分布情況是：自上而下分別為細砂、砂礫、砂卵石層，設(shè)計壩基的允許滲透坡降值為0.11。壩基滲透坡降采用經(jīng)驗公式為：

式中：H—上游水位，h—下游水位，L—壩基滲徑。

當庫水位在103.00m和超過103.00m時，利用實測資料計算可得出，河床段最大水平滲透坡降是0.08，小于設(shè)計允許值。預測庫水位105.38m的最大壩基水平坡降也僅為0.09，能滿足工程安全運行要求。攔河壩河床段在高水位運行下，地基巖層層間發(fā)生接觸沖刷和流失的可能性還需要進一步的分析計算。

攔河壩的左端，壩基滲透性及入滲條件都比較差，下游排泄條件正常。在實測資料計算中，壩基的水平滲透比降最大為0.07，比河床段平均高出0.01～0.02，即使在預測庫水位為105.90m時，水平滲透坡降最大為0.08，亦能滿足要求。

4.2 滲流量計算

滲流計算應(yīng)考慮壩體和壩基滲透系數(shù)的各向異性，滲流量的計算宜采用土層滲透系數(shù)大值的平均值。攔河壩主要的透水層為壩基部分的砂、砂卵石、砂礫石。利用實測資料計算滲流量，滲流計算采用經(jīng)驗公式：

壩體滲流量：

壩基滲流量按承壓滲流計算：

公式（3）和（4）中：q1—壩體滲流量，q2—壩基滲流量，H1—上游水位，H2—下游水位，h0—壩體滲出點水位，L—上游水位與壩坡交點到下游壩腳的水平寬度，L1=△L+L（△L—上游壩體虛擬寬度，△L=m1H1/（2m1+1）），m1、m2—上下游坡度，k、k0—壩體、壩基滲透系數(shù)，T—壩基透水深度。

從實測資料計算看，當庫水位在102.00m或103.00m時，滲流量理論計算結(jié)果為0.38m3/s，而滲流量實際測值均<0.12m3/s，遠小于理論計算值。分析原因是：上游鋪蓋的防滲效果未考慮；隨著時間推移，水庫淤積增加，壩體與壩基沉降固結(jié)，還有導滲降壓效果衰減也減小了滲流量。

由此可知，經(jīng)過50年的運行，泥砂的淤積，對水平鋪蓋自然形成了良好的補強，因此攔河壩滲流量一直比較穩(wěn)定。

由觀測資料計算的滲流分析各項成果得出，主壩壩基各項滲流穩(wěn)定計算成果均能滿足興利要求，即使在庫水位為105.38m和105.90m時，各項滲流計算成果亦能滿足或接近要求。

5 結(jié)論

通過對攔壩壩基測壓管觀測資料的分析，可以看出攔壩工程經(jīng)過多年的運行，壩體防滲性能仍然有效；壩基滲流穩(wěn)定。但在高水位情況下，壩基是否會發(fā)生沖刷、流失等破壞現(xiàn)象，仍需進一步分析計算。考慮到右端河床處的地下水位較高，上游水平鋪蓋需要采取加固補強的防滲措施。