基于安全監(jiān)測(cè)成果的磽磧土石壩滲流穩(wěn)定分析

王 繼 剛， 向 銀 霞

(中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065)

0 引 言

在水利水電工程中，土石壩是現(xiàn)今最常見的一種壩型，因其自身所具備的成本低、施工方便等優(yōu)勢(shì)而被廣泛的應(yīng)用于水利水電工程中。據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，我國大中型水庫80%以上是土石壩，小型水庫絕大多數(shù)是土石壩。土石壩也是最容易失事的一種壩型，在可能對(duì)土石壩造成危害的各類安全事故原因中，滲透破壞扮演了非常重要的作用，被認(rèn)為是影響土石壩安全的關(guān)鍵因素[2-4]，因此，滲流監(jiān)測(cè)是土石壩安全監(jiān)測(cè)的一項(xiàng)極其重要內(nèi)容。深入分析大壩滲流原因量和效應(yīng)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)大壩滲流成因進(jìn)行合理解釋，并且實(shí)時(shí)監(jiān)控滲流性態(tài)，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)土石壩服役過程中的安全隱患，對(duì)保證土石壩安全可靠性，指導(dǎo)大壩的安全運(yùn)行管理有著重要意義[5-8]。

1 工程概況

磽磧水電站位于雅安市寶興縣寶興河上游東河上，為寶興河“一庫七級(jí)”的龍頭電站，壩址距寶興縣城63 km，距離雅安123 km，為Ⅱ等大(二)型工程。水庫總庫容2.12億m3，調(diào)節(jié)庫容1.87億m3，具有年調(diào)節(jié)能力，電站為引水式電站，電站總裝機(jī)240 MW。大壩為125.5 m高礫石土心墻土石壩，壩頂高程2 143 m，壩軸線長(zhǎng)433.8 m，壩頂寬度10 m，上游壩坡為1∶2，下游壩坡為1∶1.8。河床壩基為深厚覆蓋層，采用厚度為1.2 m的混凝土防滲墻作為防滲結(jié)構(gòu)，防滲墻最大深度70.5 m。墻底及兩岸壩基進(jìn)行帷幕灌漿。防滲墻和墻下帷幕聯(lián)合防滲，最大深度108 m(從墻頂算起)。電站主體工程于2002年10月開工，2006年12月下閘蓄水，2007年4月三臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)發(fā)電。

2 滲流滲壓監(jiān)測(cè)布置

磽磧水電站土石壩的滲流監(jiān)測(cè)主要包括壩體及壩基滲流壓力監(jiān)測(cè)、繞壩滲流壓力及滲流量監(jiān)測(cè)。

2.1 心墻與壩體壩基滲壓

在壩體三個(gè)橫剖面(2-2、3-3、4-4)設(shè)置滲透壓力監(jiān)測(cè)斷面，共布置孔隙水壓力計(jì)26支，編號(hào)為P1～P26，以監(jiān)測(cè)壩體壩基滲透壓力。

2.2 防滲墻滲壓

防滲墻滲透壓力監(jiān)測(cè)主要采用滲壓計(jì)，設(shè)計(jì)在縱0+192.00、0+215.00、0+225.20剖面防滲墻上、下游側(cè)不同高程共布置滲壓計(jì)12支，編號(hào)為P1′～P12′。同時(shí)布置有3個(gè)測(cè)壓管UP13～UP15，監(jiān)測(cè)防滲墻后滲壓水位。

2.3 防滲帷幕滲壓

在左岸交通斜洞、GJ2號(hào)平洞、GJ3號(hào)平洞，右岸交通斜洞、GJ5號(hào)平洞、GJ6號(hào)平洞內(nèi)共布置測(cè)壓管20根，編號(hào)為UP3～UP12、UP16～UP25監(jiān)測(cè)防滲帷幕防滲效果。

2.4 繞壩滲流

為了解蓄水期和運(yùn)行期防滲體兩岸下游地下水位的變化情況及繞壩滲流的途徑和態(tài)勢(shì)，設(shè)計(jì)在土石壩兩岸壩端及部分山體、土石壩與岸坡接觸面等處沿流線方向布置13個(gè)繞壩滲流監(jiān)測(cè)孔，并配置水位計(jì)對(duì)其地下水位進(jìn)行觀測(cè)，繞滲孔的編號(hào)為RK1～RK13。

2.5 滲流量

在大壩下游設(shè)置量水堰觀測(cè)壩體滲流量。分別在監(jiān)測(cè)廊道左岸排水溝、右岸交通洞靠右岸山體側(cè)排水溝、右岸交通洞出口排水溝內(nèi)各設(shè)置1個(gè)量水堰，以監(jiān)測(cè)兩岸平洞排水孔及壩基廊道裂縫總滲流量。

圖1 3-3監(jiān)測(cè)斷面滲壓測(cè)點(diǎn)布置圖

3 監(jiān)測(cè)成果分析

3.1 心墻與壩體壩基滲壓

黏土心墻與壩體壩基滲壓水位特征值統(tǒng)計(jì)見表1，繪制黏土心墻與壩體壩基滲壓水位過程線見圖3，由圖及表可知：大壩3-3剖面上游過渡料滲壓計(jì)P1～P3在庫水位低于其埋設(shè)高程時(shí)，無壓，高于其埋設(shè)高程時(shí)，滲壓基本隨庫水位同步變化，量值接近庫水位；3-3剖面心墻內(nèi)的滲壓計(jì)P5～P9孔隙水壓力隨庫水位的升降而同步增減，心墻內(nèi)其余測(cè)點(diǎn)最高水位為2 126.3 m(P7)，低于同期庫水位2 136.58 m；心墻下游側(cè)壩殼料內(nèi)，除部分測(cè)點(diǎn)在施工期就已經(jīng)損壞，其余測(cè)點(diǎn)基本處于無壓狀態(tài)，可以判斷心墻下游滲流溢出點(diǎn)高程在壩基2 020 m高程以下，這也表明心墻和壩基防滲墻防滲效果良好；4-4剖面埋設(shè)在建基面上的滲壓計(jì)P21～P23，僅在心墻底的P21處于有壓狀態(tài)，測(cè)值變化不大，與庫水位關(guān)系不明顯；2-2剖面P25處于無壓狀態(tài)。

圖2 繞滲孔及量水堰測(cè)點(diǎn)布置圖

表1 粘土心墻與壩體壩基滲壓水位特征值統(tǒng)計(jì)表

3.2 防滲墻滲壓

防滲墻后滲壓水位過程線見圖4， 2018年12月3日(庫水位為2 134.81 m)縱0+192.00、縱0+225.20防滲墻后滲壓水位沿高程分布見圖5。由圖2可知：防滲墻后滲壓變化平緩，受庫水位影響呈一定的年周期變化，但變幅較防滲墻前滲壓水位明顯偏小；由防滲墻滲壓水位沿高程分布圖可知，防滲墻頂端與心墻交接處、防滲墻底端與帷幕交接處滲壓水位較防滲墻中部高，表明防滲墻頂端與心墻交接處局部有滲水現(xiàn)象。但最高滲壓水位與庫水位相差90 m以上；且縱0+225.00剖面防滲墻中上部測(cè)點(diǎn)滲壓水位低于壩基面高程2 020.m，這表明防滲墻接頭處滲水不嚴(yán)重，防滲墻防滲效果較好。

3.3 防滲帷幕滲壓

UP3、UP4、UP6、UP7、UP8、UP19、UP20、UP25觀測(cè)至今均為無壓孔，仍采用壓力表觀測(cè)，測(cè)孔水位記錄為壓力表中心高程，其實(shí)際測(cè)孔水位均低于相應(yīng)的壓力表中心高程。這間接反映上述測(cè)孔水位不高，相應(yīng)部位帷幕防滲效果較好。

過程線規(guī)律較好的測(cè)孔水位過程線見圖6，由圖可見：兩岸帷幕后實(shí)測(cè)水位與庫水位同步變化，測(cè)值正常。最高滲壓水位在2 023.81～2 110.83 m之間，最低滲壓水位2 018.13 ～2 084.23 m。最高滲壓水位與同期庫水位的水頭差在19.5 ～95.62 m之間，說明相應(yīng)部位防滲帷幕系統(tǒng)防滲效果較好。

圖3 粘土心墻與壩體壩基滲壓水位過程線

圖4 粘土心墻與壩體壩基滲壓水位過程線

圖5 2018年12月3日(庫水位2 134.81 m)防滲墻后滲壓水位分布圖 (單位：m)

圖6 防滲帷幕后測(cè)壓管水位過程線

圖7 繞壩滲流孔水位過程線

表2 大壩滲流量特征值統(tǒng)計(jì)表

3.4 繞壩滲流

繞壩滲流水位過程線見圖7。由圖可知：繞壩滲流水位過程線較為平直，與庫水位相關(guān)性不大，大多數(shù)繞滲孔長(zhǎng)期處于干孔狀態(tài),表明兩岸帷幕防滲效果良好。

3.5 滲流量

滲流量是綜合反映土石壩防滲體防滲效果，分析和評(píng)價(jià)大壩安全的重要依據(jù)。大壩滲流量特征值統(tǒng)計(jì)見表2，滲流量過程線見圖8。由圖表可知：2010年以來，大壩最大滲流量19.1 L/s，發(fā)生在2010年1月1日，對(duì)應(yīng)庫水位為2 138.7 m，多年平均滲流量為9.44 L/s，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)計(jì)算值58.5 L/s，從現(xiàn)場(chǎng)巡視可知，滲流水主要來自兩岸平洞排水孔，表明大壩防滲體系運(yùn)行良好。

為進(jìn)一步研究大壩滲流量影響因素，參考相關(guān)文獻(xiàn)[9-10]，其統(tǒng)計(jì)模型為：

依據(jù)實(shí)測(cè)資料和上式，應(yīng)用回歸分析程序，建立滲流量的回歸模型如下：

R=0.95，S=1.17 L/s

該滲流量回歸模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)R為0.95，標(biāo)準(zhǔn)差S較小，回歸模型的精度較高。

大壩滲流量模型及分量過程線見圖8，從模型可以看出，磽磧大壩滲流量主要受庫水位影響，庫水升高，滲流量增大，反之減少。降雨因子未入選，說明降雨對(duì)大壩滲流量作用不明顯。大壩滲流量呈逐年減小趨勢(shì)，2010年至今時(shí)效分量為-4.39 L/s，表明防滲體的防滲性在進(jìn)一步改善。

(a)模型

(b)分量圖8 大壩滲流量模型分析

4 結(jié) 語

筆者根據(jù)實(shí)測(cè)滲流滲壓監(jiān)測(cè)成果，運(yùn)用多種分析方法，研究了磽磧礫石土心墻土石壩的滲流滲壓分布特征及發(fā)展變化規(guī)律。通過對(duì)磽磧水電站壩體壩基從2010年至今實(shí)測(cè)滲流滲壓監(jiān)測(cè)成果分析可知：心墻消減水頭作用顯著，防滲效果良好；河谷防滲墻與兩岸防滲帷幕后最高滲壓水位與庫水位相差90 m以上，水位折減效果明顯，壩基防滲體系防滲效果較好；兩岸繞壩滲流水位變幅很小，多數(shù)測(cè)孔長(zhǎng)期處于干孔狀態(tài)，繞壩滲流現(xiàn)象不明顯；大壩最大滲流量為19.1 L/s，多年平均滲流量9.44 L/s，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值，且呈逐年減少趨勢(shì)。總體而言，由心墻、防滲墻、帷幕組成的壩體壩基防滲體系防滲效果良好。