汶川地震對(duì)黑河大壩壩體滲流影響的初步研究

朱瑞榮

（西安水務(wù)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，陜西西安 710061）

1 概述

黑河水庫(kù)位于陜西省周至縣境內(nèi)，是西安城市供水主水源。大壩是水庫(kù)重要的擋水建筑物（Ⅰ級(jí)），壩型為黏土心墻砂礫石壩，材料由黏土心墻、反濾料、壩殼砂石料、壩基灌漿帷幕等組成[1]，呈梯形斷面，壩高128.90 m，頂寬11 m，底寬500 m，上游壩坡坡比1∶2.2，下游壩坡坡比1∶1.8，大壩典型斷面見圖1。土石壩為柔性壩，適應(yīng)變形的能力很強(qiáng)，所以變形不是大壩穩(wěn)定性的重點(diǎn)，最重要的或者說(shuō)是會(huì)引起大壩安全隱患的是滲流破壞；另外，土石壩的材料特性以及庫(kù)水位的頻繁變化，土石壩內(nèi)部滲流狀況也比較復(fù)雜，內(nèi)部滲流狀況直接關(guān)系到前后壩坡的穩(wěn)定性及壩體、壩基的滲透穩(wěn)定性(管涌、流土)，所以大壩內(nèi)部及壩基的滲流情況是大壩安全監(jiān)測(cè)重點(diǎn)。因此，重點(diǎn)研究滲流監(jiān)測(cè)資料對(duì)黑河大壩至關(guān)重要。黑河大壩壩體滲流監(jiān)測(cè)儀器（滲壓計(jì)）分別布設(shè)在0+88、0+225、0+316斷面上。在0+88和0+316斷面沿高程530.0 m、550.0 m、570.0 m共布設(shè)13個(gè)測(cè)點(diǎn)；在0+225剖面沿高程500.00 m、525.00 m、550.00 m、570.00 m布設(shè)18個(gè)測(cè)點(diǎn)[2]。測(cè)點(diǎn)位于心墻及上、下游反濾層中。黑河大壩壩基滲流監(jiān)測(cè)儀器（滲壓計(jì)）布設(shè)在0+225斷面壩基灌漿帷幕上、下游砂卵石中，從上游到下游依次布設(shè)3個(gè)測(cè)點(diǎn)。水庫(kù)2003年蓄水后，經(jīng)巡視檢查和滲流監(jiān)測(cè)資料分析，大壩滲流穩(wěn)定，安全運(yùn)行。2008年5月12日，震驚全世界的四川省8.0級(jí)汶川大地震發(fā)生，余震波及到陜西省。黑河水庫(kù)大壩經(jīng)受了6～7級(jí)裂度余震破壞，水庫(kù)震感明顯。經(jīng)巡查黑河大壩工況無(wú)異常；至于壩體內(nèi)部及壩基帷幕滲流是否穩(wěn)定還需要分析地震前后大量滲流資料作進(jìn)一步深入研究。

圖1 大壩典型斷面測(cè)點(diǎn)埋設(shè)示意圖Fig.1 The dam typical section monitoring point distribution diagram

2 地震前后滲流計(jì)算

主要是選擇從低到高典型庫(kù)水位570 m、578.7 m、588.3 m、591 m下，通過(guò)地震前后壩體、壩基滲流壓力對(duì)比計(jì)算，來(lái)分析地震前后壩體滲流、壩基滲流穩(wěn)定性。2006年4月13日對(duì)應(yīng)的庫(kù)水位570 m，2006年12月5日對(duì)應(yīng)的庫(kù)水位588.3 m[3]；2007年10月30日對(duì)應(yīng)的庫(kù)水位591.0 m[4]；2008年4月15日、2008年12月19日對(duì)應(yīng)的庫(kù)水位578.7 m[5]；2009年2月12日庫(kù)水位570 m，2009年12月10日對(duì)應(yīng)的庫(kù)水位588.3 m[6]；2011年8月16日對(duì)應(yīng)的庫(kù)水位591.0 m[7]。

根據(jù)大壩滲流規(guī)律，順?biāo)鞣较驂误w3個(gè)斷面滲壓計(jì)分別埋設(shè)于上游反濾料、心墻土體、下游反濾料中，分別監(jiān)測(cè)上游反濾料、壩體心墻、下游反濾料中滲流壓力變化規(guī)律；順?biāo)鞣较驂位?個(gè)滲壓計(jì)分別埋設(shè)于0+225斷面壩基灌漿帷幕上游砂卵石、下游砂卵石中，監(jiān)測(cè)灌漿帷幕截滲工況變化規(guī)律。利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合推理分析，判釋實(shí)測(cè)值，從而得出大壩地震后的滲流變化情況，并得出大壩是否安全的結(jié)論。

2.1 壩體滲流

根據(jù)滲流儀器埋設(shè)部位不同，分別對(duì)大壩3個(gè)斷面壩體上游反濾料、心墻土體、壩體下游反濾料滲流壓力變化分析。計(jì)算中，滲流壓力單位為米水頭，負(fù)值表示減少量。詳細(xì)資料見表1、圖2。

圖2 地震前后壩體典型測(cè)點(diǎn)壓力過(guò)程線Fig.2 The dam body typical point pressure process diagram before and after earthquake

1）上游反濾料

從左到右埋設(shè)的滲壓計(jì)分別是P2-1、P1-1、P3-1。庫(kù)水位分別為570 m、578.7 m、588.3 m、591 m時(shí)的計(jì)算結(jié)果為：

中間斷面P1-1地震后以上水位下滲流壓力分別增加0.4 m、0 m、0.3 m、－0.2 m，占地震前滲流壓力0.44%、0%、0.27%、－0.48%；左側(cè)斷面P2-1以上水位下地震后滲流壓力分別增加0.3 m、0 m、0.3 m、－0.3 m，占地震前滲流壓力0.52%、0%、0.39%、－0.38%；右側(cè)斷面以上水位下P3-1地震后滲流壓力分別增加－1.1 m、0 m、0.4 m、－0.8 m，占地震前滲流壓力－1.74%、0%、0.49%、－0.95%。從表1、圖2及以上計(jì)算結(jié)果可以看出，地震后壩體上游反濾料滲流壓力與地震前變化規(guī)律一致，都是隨庫(kù)水位上升而增大；地震后上游反濾料滲流壓力有增大有減小，但變化幅度均很小，絕大部分不超過(guò)1%。

表1 黑河大壩地震前后壩體典型滲流壓力統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Heihe dam body typical seepage pressure statistical graph before and after earthquake

2）下游反濾料

大壩3個(gè)斷面從左到右埋設(shè)的滲壓計(jì)分別是P2-5、P1-7、P3-5。庫(kù)水位分別為570 m、578.7 m、588.3 m、591 m時(shí)，計(jì)算結(jié)果為：中間斷面P1-7以上水位下地震后滲流壓力分別增加－0.7 m、0 m、－0.4 m、－1.3 m，占地震前滲流壓力－5.19%、0%、－2.83%、－8.72%；左側(cè)斷面P2-5地震后滲流壓力分別增加－0.2 m、0 m、－0.2 m、0.6 m，分別占地震前滲流壓力－6.45%、0%、－5.71%、19.35%；右側(cè)斷面P3-5地震后滲流壓力分別增加0.6m、0 m、0.5 m、－0.7 m，分別占地震前滲流壓力14%、0%、12.5%、－15.5%。從表1、圖2及以上計(jì)算結(jié)果可以看出，地震后壩下游反濾料滲流壓力與地震前變化規(guī)律基本一致，數(shù)據(jù)基本不變，與庫(kù)水位相關(guān)性不強(qiáng)；地震前后下游反濾料滲流壓力有增大有減小，絕大部分變化幅度較小，15%左右，最大值19.35%。

3）粘土心墻

大壩3個(gè)斷面從左到右埋設(shè)的滲壓計(jì)分別是P2-2～P2-4、P1-2～P1-6、P3-2～P3-4。庫(kù)水位分別為570 m、578.7 m、588.3 m、591 m時(shí)，中間斷面滲流壓力計(jì)算結(jié)果：P1-2地震后滲流壓力分別增加－0.5 m、0 m、2.9 m、0.2 m，占地震前滲流壓力－0.57%、0%、2.94%、0.2%；P1-3地震后滲流壓力分別增加－0.2 m、0.3 m、－0.6 m、0.8 m，占地震前滲流壓力－0.48%、0.72%、－1.32%、1.77%；P1-4地震后滲流壓力分別增加－1.5 m、－0.5 m、－1.3 m、－2.2 m，占地震前滲流壓力－6.17%、－1.87%、－4.8%、－8.03%；P1-5地震后滲流壓力分別增加－0.1 m、0 m、－0.8 m、－0.3 m，占地震前滲流壓力－0.43%、0%、－3.31%、－1.28%；P1-6地震后滲流壓力分別增加－0.5 m、0 m、－1 m、－1.9 m，占地震前滲流壓力－3.29%、0%、－6.13%、－11.31%。

庫(kù)水位分別為570 m、578.7 m、588.3 m、591 m時(shí)，左側(cè)斷面滲流壓力計(jì)算結(jié)果：P2-2地震后滲流壓力分別增加－4.6 m、0 m、－5.5 m、－3.2 m，占地震前滲流壓力－15.13%、0%、－13.06%、－7.66%；P2-3地震后滲流壓力分別增加－0.3 m、－0.4 m、－1.4m、－1.8 m，分別占地震前滲流壓力－1.27%、－1.52%、－5.36%、－7.44%；P2-4地震后滲流壓力分別增加－1.8 m、－0.4 m、－0.5 m、－0.9 m，占地震前滲流壓力－10.58%、－2.55%、－2.75%、－5.63%。

庫(kù)水位分別為570 m、578.7 m、588.3 m、591 m時(shí)，右側(cè)斷面滲流壓力計(jì)算結(jié)果：P3-2地震后滲流壓力分別增加0.5 m、0 m、3 m、4.9 m，分別占地震前滲流壓力1.31%、0%、6.79%、10.82%；P3-3地震后滲流壓力分別增加－2.7 m、－0.4 m、－0.7 m、－0.5 m，占地震前滲流壓力－13.43%、－1.7%、－3.1%、－2.47%；P3-4地震后滲流壓力分別增加－1 m、0 m、－2.9 m、－0.9 m，占地震前滲流壓力－4.78%、0%、－11.84%、－4.02%。

從表1、圖2及以上計(jì)算結(jié)果可以看出，地震后壩體粘土心墻滲流壓力與地震前變化規(guī)律基本一致，都是與庫(kù)水位相關(guān)性不強(qiáng)；地震后滲流壓力有增大有減小，但變化幅度均很小，絕大部分不超過(guò)1%。

2.2 壩基滲流

根據(jù)滲流儀器埋設(shè)部位，P1-8埋設(shè)于壩基灌漿帷幕上游壩基砂卵石中，P1-10、P1-11分別埋設(shè)于壩基灌漿帷幕下游壩基砂卵石中，通過(guò)計(jì)算灌漿帷幕上、下游砂卵石滲流壓力變化，分析壩基灌漿帷幕截滲工況。計(jì)算中，滲流壓力單位為米水頭，負(fù)值表示減少量。詳細(xì)資料見表2、圖3。

1）同一測(cè)點(diǎn)計(jì)算

分別計(jì)算3個(gè)測(cè)點(diǎn)在庫(kù)水位為570 m、578.7 m、588.3 m、591 m時(shí)，地震前后滲流壓力變化情況。以上水位下地震后計(jì)算結(jié)果為：P1-8增加－4.4 m、－0.05 m、0.32 m、－0.29 m，占地震前滲流壓力－4.68%、－0.05%、0.3%、－0.26%；P1-10增加－7.23 m、－0.11 m、－5.67 m、－2.75 m，占地震前滲流壓力－25.37%、－0.47%、－19.25%、－10.31%；P1-11增加－1.8 m、-0.27 m、-1.44 m、－4.53 m，占地震前滲流壓力－12.39%、－1.96%、－9.23%、－4.53%。從表2、圖3及以上計(jì)算結(jié)果可以看出，地震后壩基灌漿帷幕上游砂卵石滲流壓力與地震前變化規(guī)律一致，都是隨庫(kù)水位上升而增大；地震后壩基灌漿帷幕下游砂卵石滲流壓力與庫(kù)水位相關(guān)性不強(qiáng)，數(shù)據(jù)變化不大，變化幅度較小，絕大部分不超過(guò)10%。

表2 黑河大壩地震前后壩基滲流壓力統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Heihe dam foundation typical seepage pressure statistical graph before and after earthquake

圖3 地震前后壩基典型測(cè)點(diǎn)壓力過(guò)程線Fig.3 The dam foundation typical point pressure process diagram before and after earthquake

2）帷幕截滲工況

根據(jù)埋設(shè)位置，在庫(kù)水位分別為570 m、578.7 m、588.3 m、591 m時(shí)，計(jì)算距離帷幕水平位置較近的P1-8、P1-10壓力差占水庫(kù)上下游水位差比例來(lái)研判帷幕地震后的工況變化情況。根據(jù)黑河水庫(kù)多年觀測(cè)，下游水位為485 m，以上水位時(shí)上下游水位差分別為85m、93.7 m、103.3 m、106 m。地震前計(jì)算結(jié)果為：65.45 m、74.17 m、77.61m、83.05 m，占水庫(kù)上下游水位差比例77%、79%、75%、78%；地震后計(jì)算結(jié)果為：68.28 m、74.23 m、83.6 m、85.51 m，占水庫(kù)上下游水位差比例80%、79%、81%、81%；。從表2、圖3及以上計(jì)算結(jié)果可以看出，地震后壩基灌漿帷幕截滲數(shù)據(jù)與地震前變化不大，且占水庫(kù)上下游水位差比值都在75%以上，說(shuō)明地震后壩基灌漿帷幕工況無(wú)異常。

3 結(jié)語(yǔ)

由監(jiān)測(cè)資料分析可以看出，3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面滲壓計(jì)滲水壓力測(cè)值與庫(kù)水位關(guān)系與地震前一致，表現(xiàn)為：壩體上游反濾料因透水性較強(qiáng)測(cè)值與庫(kù)水位呈現(xiàn)出較好的線性相關(guān)，且測(cè)值變化比率較?。粔误w心墻土體測(cè)值與庫(kù)水位基本無(wú)關(guān)，且測(cè)值變化比率較小；壩體下游反濾層測(cè)值（滲水出漏點(diǎn)）與庫(kù)水位相關(guān)關(guān)系不強(qiáng)，絕大部分測(cè)值變化比率較??；壩基灌漿帷幕上游測(cè)值與庫(kù)水位呈現(xiàn)出較好的線性相關(guān)，且測(cè)值變化比率較?。粔位酀{帷幕下游測(cè)值與庫(kù)水位相關(guān)關(guān)系不強(qiáng)，且測(cè)值變化比率較小。

因此，地震后黑河大壩滲流穩(wěn)定，壩基灌漿帷幕截滲工況良好，壩體粘土心墻防滲工況良好，可以繼續(xù)正常運(yùn)行。

[1]水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.西安市黑河金盆水利樞紐工程蓄水安全鑒定報(bào)告[R].2002.

[2]水利部陜西水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.西安市黑河金盆水利樞紐工程設(shè)計(jì)工作報(bào)告[R].2002.

[3] 西安水務(wù)集團(tuán)金盆水庫(kù)管理中心.黑河金盆水庫(kù)2006年監(jiān)測(cè)報(bào)告[R].2007.

[4] 西安水務(wù)集團(tuán)金盆水庫(kù)管理中心.黑河金盆水庫(kù)2007年監(jiān)測(cè)報(bào)告[R].2008.

[5] 西安水務(wù)集團(tuán)金盆水庫(kù)管理中心.黑河金盆水庫(kù)2008年監(jiān)測(cè)報(bào)告[R].2009.

[6] 西安水務(wù)集團(tuán)金盆水庫(kù)管理中心.黑河金盆水庫(kù)2009年監(jiān)測(cè)報(bào)告[R].2010.

[7] 西安水務(wù)集團(tuán)金盆水庫(kù)管理中心.黑河金盆水庫(kù)2011年監(jiān)測(cè)報(bào)告[R].2012.