蓄水期土石壩壩基滲流滲壓變化規(guī)律

郭利利

(昌邑市峽山灌區(qū)灌溉所,山東 昌邑 261300)

0 引 言

在蓄水期間,庫(kù)水壓會(huì)引起壩基±體的滲流現(xiàn)象,滲流水的流動(dòng)和壓力變化將改變壩體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài),進(jìn)而影響壩體的穩(wěn)定性和安全性。 因此,深入研究和分析蓄水期±石壩壩基的滲流滲壓變化規(guī)律,對(duì)于水利工程的設(shè)計(jì)、施工和管理至關(guān)重要,可提高±石壩的安全性和可靠性,并確保水利工程的有效運(yùn)行。

針對(duì)±石壩蓄水期間存在的滲流壓力和其他客觀因素影響,許多學(xué)者通過試驗(yàn)法等不同手段開展了相關(guān)研究。 吳世勇[1]總結(jié)了二灘水電站高240m 拱壩的安全監(jiān)測(cè)情況,對(duì)變形、應(yīng)力、溫場(chǎng)、滲流、滲流壓力等綜合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析整理,結(jié)果表明監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理措施合理有效,可為我國(guó)其他高拱壩工程提供有益參考。李浦健等[2]分析評(píng)述了拉西瓦水電站拱壩和基礎(chǔ)在首次蓄水期的運(yùn)行性態(tài),包括變形、收縮、應(yīng)力、壓力、滲流和溫度等,為后續(xù)工作提供了決策依據(jù)。 楊弘等[3]對(duì)已完成蓄水至正常水位的錦屏一級(jí)水電站雙曲拱壩進(jìn)行了數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明大壩和樞紐工程整體運(yùn)行正常,庫(kù)岸安全,水位穩(wěn)定。 周創(chuàng)兵等[4]以全生命周期為研究主線,闡述了關(guān)鍵科學(xué)問題和重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容,并介紹了解決高陡邊坡的安全控制難題,展示了階段性研究成果和未來展望。 金建峰等[5]以杭州市閑林水庫(kù)為研究對(duì)象,結(jié)合監(jiān)測(cè)設(shè)施和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合運(yùn)用,總結(jié)了閑林水庫(kù)壩基、壩址兩岸等重點(diǎn)部位的滲流變化規(guī)律,重點(diǎn)分析了降雨等因素對(duì)測(cè)點(diǎn)水位的影響。

本文以某±石壩為研究對(duì)象,通過各階段的蓄水?dāng)?shù)據(jù),結(jié)合上游水位和降水量,對(duì)壩基的滲流分布狀況進(jìn)行分析。

1 工程概況和監(jiān)測(cè)方法

1.1 工程概況

該水電站是長(zhǎng)江流域一座現(xiàn)代化、高效、環(huán)保的大型水利樞紐工程。 作為重要的基礎(chǔ)設(shè)施工程,該水電站不僅能夠滿足地區(qū)的電力需求,還能夠調(diào)節(jié)河流水量,減少洪澇災(zāi)害,改善航道條件,增加水運(yùn)能力。 水電站的建設(shè)也符合國(guó)家節(jié)能減排和低碳發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo),有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境和應(yīng)對(duì)氣候變化。 該水電站在建設(shè)過程中,充分考慮了工程技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益的綜合平衡,采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和施工方法,以確保工程的質(zhì)量和安全。

1.2 監(jiān)測(cè)方法

根據(jù)大壩基礎(chǔ)防滲帷幕線的布置,將壩基分為30 個(gè)壩段,分別在壩段不同位置布設(shè)滲壓計(jì)和測(cè)壓管,得到±石壩一年內(nèi)的滲流量和上游水位分布數(shù)據(jù);再?gòu)膲位暮哟矟B流方面、左右壩基滲流方面以及壩基各壩段滲流情況方面,對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究,具體步驟如下：

1)分析壩基河床滲流量與上游水位分布情況和降雨量之間的關(guān)聯(lián)性,針對(duì)壩基河床滲流量不同時(shí)序的變化曲線,歸納總結(jié)壩基滲流情況結(jié)果。 對(duì)左右壩基的滲流情況進(jìn)行對(duì)比分析,探究不同壩段之間的滲流差異和原因,為壩基滲流控制提供參考。

2)在不同高度的排水孔和注漿口布置滲壓計(jì),通過對(duì)壩基沿走向的水位變化情況進(jìn)行觀測(cè)分析,研究壩基不同位置的水位變化趨勢(shì),并提出對(duì)壩基滲流控制和壩體安全評(píng)估的建議和措施,以提高±石壩的安全性和可靠性,保障水利工程的運(yùn)行效果[6]。

2 結(jié)果分析

2.1 河床壩基滲流情況分析

根據(jù)圖1 顯示,在不同時(shí)序下,河床壩基總滲流量主要受到上游水位和降雨量的影響。 根據(jù)降雨量的變化,可將河床壩基總滲流量分為3個(gè)階段：未降雨期、降雨期和降雨末期。 在未降雨期,上游水位與河床壩基的變化趨勢(shì)幾乎相同。 上游水位維持在300～380m 區(qū)間,而河床壩基總滲流量維持在500～607m 區(qū)間。 在未降雨期末期和降雨期初段,上游水位和河床壩基總滲流量出現(xiàn)驟增的上漲趨勢(shì)。 這是由于在未降雨期末期,水庫(kù)進(jìn)行為期一周的蓄水工作,隨著上游水位的增高,河床壩基總滲流量也在逐漸增加。 在降雨期,隨著降雨量的增加,河床壩基總滲流量也相應(yīng)增加。 此時(shí),降雨量對(duì)河床壩基總滲流量的影響較小,因?yàn)樯嫌嗡粚?duì)滲流量的影響更為顯著。 在降雨末期,隨著上游水位的逐漸降低,河床壩基總滲流量也在逐漸減少。 其原因可能是由于降雨過程的結(jié)束和水庫(kù)蓄水工作的完成,導(dǎo)致上游水位逐漸降低,從而導(dǎo)致河床壩基總滲流量的減少。

圖1 上游水位與降雨量對(duì)河床壩基影響規(guī)律

當(dāng)上游水位逐漸降低時(shí),河床壩基總滲流量的滲流通道逐漸關(guān)閉,因此滲流量逐漸減小。 同時(shí),由于降雨的結(jié)束,地表徑流逐漸減小,導(dǎo)致地下水補(bǔ)給逐漸減少,也會(huì)導(dǎo)致河床壩基總滲流量的減少。 此外,降雨結(jié)束后,±壤和巖石中的孔隙水也會(huì)逐漸排泄到河床壩基中,但由于時(shí)間的限制,這些孔隙水并不能持續(xù)地補(bǔ)給河床壩基總滲流量。

根據(jù)以上分析,可以得出如下結(jié)論：①河床壩基總滲流量與上游水位和降雨量呈正相關(guān)關(guān)系。 ②上游水位是影響河床壩基總滲流量的主要因素。 ③未降雨期和降雨末期是河床壩基總滲流量較低的階段。 ④未降雨期末期和降雨期初段是河床壩基總滲流量較高的階段。 ⑤為了控制河床壩基總滲流量,在未降雨期末期和降雨期初段應(yīng)盡可能減少水庫(kù)蓄水工作,在未降雨期和降雨末期應(yīng)盡可能增加排水設(shè)施。

2.2 左右岸壩基滲流情況分析

河岸壩基滲流量變化曲線見圖2。 由圖2 可以發(fā)現(xiàn),隨著時(shí)間推移,上游水位的變化趨勢(shì)可分為3 個(gè)階段：快速增漲階段、平穩(wěn)增漲階段和逐步下降階段。 從壩基滲流量曲線變化規(guī)律來看,降雨量對(duì)滲流量的影響較小,而上游水位與滲流量存在較高的相關(guān)性。

在快速增漲階段,隨著上游水位的增加,左岸滲流量呈上升趨勢(shì),而右岸滲流量則呈先減少后增加的趨勢(shì)。

在平穩(wěn)增漲階段,隨著上游水位增加速率的減緩,左岸滲流量呈先減少后增加的變化趨勢(shì),右岸滲流量總體呈現(xiàn)緩慢增加、快速下降再穩(wěn)步上漲的趨勢(shì)。 左右岸滲流量變化情況在增長(zhǎng)趨勢(shì)上保持大致的同步性,但左岸滲流量的變化范圍明顯大于右岸。

在逐步下降階段,左岸滲流量先達(dá)到該年最大值,然后進(jìn)入陡降過程,最終趨于平穩(wěn)下降。右岸滲流量在滲流量的起伏變化方面相較于左岸明顯更小,呈現(xiàn)出先增加再減少的趨勢(shì)。 這種現(xiàn)象是由于河岸壩基的物理和地質(zhì)特性以及上游水位變化所導(dǎo)致的滲流量變化所引起的。

2.3 壩基的滲壓分析

大壩的穩(wěn)定性和安全性受到滲流水壓力的影響,這種水壓力主要影響河床和河岸上的軟弱層結(jié)構(gòu)。 為了評(píng)估大壩的安全性和穩(wěn)定性,可在壩基不同位置安裝滲壓計(jì),測(cè)量孔隙水或其他流體的壓力。 這些滲壓計(jì)可以安裝在排水孔和注漿口處,通過電纜或無線方式傳輸數(shù)據(jù)到監(jiān)測(cè)中心,進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和處理。

為了對(duì)壩基不同位置的滲壓數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納統(tǒng)計(jì),可以將大壩沿著走向分成30 個(gè)小壩段,并在不同高度的排水孔和注漿口處安裝滲壓計(jì)。這些位置包括基礎(chǔ)灌漿廊道、帷幕灌漿平洞和排水洞。 此外,還可以在大壩體內(nèi)、上游和下游地基中設(shè)置滲壓計(jì),以獲取更全面的滲壓信息。

壩基不同位置的水位分布圖見圖3。 由圖3可以發(fā)現(xiàn),帷幕前的水位是各位置中最高的,處于740～820m 之間;灌漿廊道次之,水位變化起伏較大,水位變化趨勢(shì)大致相同。 隨著壩段編號(hào)的增加,壩基不同位置的水位變化情況均為先減后增,排水廊道和帷幕前的水位變化只出現(xiàn)在中段少量壩段間,灌漿廊道和廊道底板的水位變化一直貫穿整個(gè)壩段。

圖3 水位在不同壩段分布規(guī)律

這種現(xiàn)象可能是因?yàn)獒∧痪哂蟹罎B效果,在滲流水經(jīng)過帷幕后,壩段水位會(huì)出現(xiàn)下降的趨勢(shì);灌漿廊道的高程明顯高于廊道底板,所以灌漿廊道的水位值高于廊道底板水位值;排水廊道設(shè)置有滿足壩基排水要求的排水設(shè)施,因此排水廊道的水位值明顯低于其他位置。 這表明排水設(shè)施和防滲帷幕可以有效降低水位值的上升,從而提高大壩的穩(wěn)定性和安全性。

3 結(jié) 論

本文對(duì)河床壩基各壩段防滲帷幕、灌漿廊道、廊道底板以及排水廊道的水位分布規(guī)律進(jìn)行了分析,結(jié)論如下：

1)壩基抗滑的穩(wěn)定性受到滲流水壓力影響,防滲帷幕可降低壩基巖體的滲透系數(shù),阻擋庫(kù)水滲漏;抽排水系統(tǒng)可降低壩基揚(yáng)壓力;監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可反映壩基滲流狀態(tài),發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象。

2)河床壩基總滲流量主要受到上游水位和降雨量的影響。 隨著時(shí)間推移,上游水位的變化趨勢(shì)可分為3 個(gè)階段：快速增漲階段、平穩(wěn)增漲階段和逐步下降階段。 降雨量對(duì)滲流量的影響較小,上游水位與滲流量存在較高的相關(guān)性。 左右岸滲流量變化情況在增長(zhǎng)趨勢(shì)上保持同步性,但左岸滲流量的變化范圍明顯大于右岸。 右岸滲流量在滲流量的起伏變化方面相較于左岸明顯更小,呈現(xiàn)出先增加再減少的趨勢(shì)。