基于原型監(jiān)測(cè)的黏土心墻堆石壩滲流分析

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(南瑞集團(tuán)公司(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院),南京 211106)

基于原型監(jiān)測(cè)的黏土心墻堆石壩滲流分析

陶叢叢,陳宏偉,孔松,郭成

(南瑞集團(tuán)公司(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院),南京 211106)

某黏土心墻壩在蓄水期間，出現(xiàn)滲流量較大、壩體滲流、繞壩滲流增大等現(xiàn)象。為了尋找原因，通過對(duì)某黏土心墻壩的環(huán)境量、壩體滲流、繞壩滲流、滲流量等原型監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到滲流量、壩體壩基滲壓、繞壩滲流等監(jiān)測(cè)成果。為進(jìn)一步分析滲流來源，對(duì)滲流量進(jìn)行模型分析。結(jié)果表明：各監(jiān)測(cè)成果互為印證，受庫(kù)水位影響顯著；庫(kù)水位是影響滲流量大小及變化的主要因素，降雨量是次要因素，其中，庫(kù)水位對(duì)滲流量的影響主要是通過兩岸繞壩滲流，其次是通過壩體壩基滲流。庫(kù)水位對(duì)滲流量的影響既是即時(shí)的又是持續(xù)的。

原型監(jiān)測(cè)；黏土心墻壩；壩體滲流；繞壩滲流；滲流量

1 工程背景

心墻壩主要利用各類防滲材料，降低壩體的浸潤(rùn)線，防止壩體滲透破壞和減少滲漏量[1]。滲流穩(wěn)定問題對(duì)黏土心墻壩尤為關(guān)鍵，一旦漫頂或產(chǎn)生裂縫，可能會(huì)形成滲漏通道，導(dǎo)致壩體局部失穩(wěn)滑坡，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致潰壩。

某抽水蓄能電站上庫(kù)主壩為黏土心墻堆石壩，主壩壩頂長(zhǎng)214 m，最大壩高54 m。黏土心墻壩兩岸地形不太對(duì)稱，壩軸線剖面呈不對(duì)稱的較開闊的“V”字型，左岸山體雄厚，右岸低矮單薄。兩岸植被發(fā)育，山體山坡自然狀態(tài)穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定體。地層巖性為寒武系八村群第三亞群(∈bcc)石英砂巖夾粉砂巖，巖層產(chǎn)狀與壩軸線夾角較小，傾下游，對(duì)壩基滲漏和穩(wěn)定不利。左岸順坡，坡度稍緩，右岸反坡，坡度稍陡。

在蓄水期間發(fā)現(xiàn)滲流量較大，最大滲流量達(dá)到134.01 L/s，同時(shí)壩體滲流、繞壩滲流等也出現(xiàn)增大的現(xiàn)象。為尋找滲流原因，對(duì)大壩原型監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行分析，并對(duì)滲流量進(jìn)行模型分析，從而找到滲流主要來源，為運(yùn)行管理單位提供決策支持。

2 滲流監(jiān)測(cè)布置概況

為監(jiān)測(cè)心墻內(nèi)滲水壓和接觸面滲水壓，在黏土心墻壩0+140斷面心墻內(nèi)不同高程布置10支滲壓計(jì)。為了解繞壩滲流情況，在兩岸壩肩布置8個(gè)監(jiān)測(cè)孔，其中黏土心墻壩右壩肩布置4個(gè)(UP右-1—UP右-4)，左壩肩布置4個(gè)孔(UP左-1—UP左-4)，僅UP右-1,UP左-1位于帷幕前，其他測(cè)點(diǎn)均在帷幕后。在黏土心墻壩下游壩腳建有2道截水槽，其內(nèi)布置2個(gè)直角三角形量水堰，監(jiān)測(cè)黏土心墻壩總體滲流量。滲流監(jiān)測(cè)布置情況見圖1和圖2。

圖1 黏土心墻壩0+140剖面滲壓計(jì)測(cè)點(diǎn)布置Fig.1 Layout of measuring points for seepage pressure at section 0+140 of clay core dam

圖2 黏土心墻壩繞壩滲流孔測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 Layout of measuring points for seepage around dam

3 環(huán)境量監(jiān)測(cè)資料分析

抽水蓄能電站設(shè)多個(gè)環(huán)境量監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，主要有上庫(kù)水位、下庫(kù)水位和降雨量等。

上庫(kù)水位主要受降雨和下庫(kù)抽水影響。庫(kù)水位有4次明顯上升過程：第1次是在2013年5—9月份；第2次是在2014年4—8月份；第3次是在2015年4—6月份。這3次上升過程均為雨季，第4次是在2015年10月10日—29日抽水試驗(yàn)期間，水位迅速升高了19.73 m，達(dá)到最高水位610.30 m，之后水位略有回落。

降雨主要集中在4—9月份，最大日降雨量為100 mm，最大年降雨量為2 129.30 mm(2014年)，低于多年平均年降雨量2 180 mm。

上庫(kù)水位和降雨量過程線見圖3。

圖3 上庫(kù)水位和降雨量過程線Fig.3 Process lines of upstream reservoir water level and rainfall

圖4 黏土心墻壩滲壓水頭典型過程線Fig.4 Typical hydrograph of seepage head of clay core dam

4 壩體滲流壓力分析

為監(jiān)測(cè)心墻內(nèi)和接觸面的滲水壓力，了解壩體壩基滲流狀態(tài)，首先對(duì)壩體滲流壓力進(jìn)行分析。

圖4為壩體各測(cè)點(diǎn)的滲壓水頭過程線，通過對(duì)比分析可以看出滲壓水頭和庫(kù)水位呈明顯的正相關(guān)性，2015年10月10—29日水位迅速升高了19.73 m，各滲壓計(jì)所測(cè)滲壓水頭也隨之迅速升高，其中P1，P2，P7變化最為明顯，滲壓水頭分別增加了18.25，17.33，16.30 m。

表1統(tǒng)計(jì)了壩體、壩基各處滲壓水頭和水位的相關(guān)系數(shù)，滲壓水頭大多與庫(kù)水位相關(guān)性較高。特別是2015年10月抽水試驗(yàn)期間，這種相關(guān)性尤其顯著，67%的測(cè)點(diǎn)滲壓水頭與庫(kù)水位相關(guān)系數(shù)在0.9以上，說明壩體壩基滲流活躍。

表1 黏土心墻壩滲流壓力和庫(kù)水位相關(guān)系數(shù)Table 1 Coefficient of correlation between seepagepressure and reservoir water level of clay core dam

圖5 不同高程的滲壓水頭分布Fig.5 Distribution of water head at different elevations

壩橫0+140監(jiān)測(cè)剖面的不同高程的滲壓水頭分布情況如圖5。

壩基帷幕前測(cè)點(diǎn)P1，P2滲壓水頭明顯大于幕后測(cè)點(diǎn)P3，P4，說明帷幕起到了一定的消減水頭的作用，但是最靠近下游側(cè)P4的滲壓水頭大于P3，可能是由于此處有地下水壓力。580 m高程心墻上游側(cè)測(cè)點(diǎn)P7滲壓水頭明顯大于P8，P9，說明心墻起到了一定的消減水頭的作用。

5 繞壩滲流分析

繞壩滲流對(duì)壩體和壩基主要有2方面的不利影響：抬高岸坡部分壩體的浸潤(rùn)面，在壩體和岸坡的接觸面上可能產(chǎn)生接觸沖刷[2]。另外，地下水對(duì)庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性影響重大[3]。因此，對(duì)繞壩滲流進(jìn)行分析是很有必要的。

從監(jiān)測(cè)資料來看，黏土心墻壩繞滲測(cè)值穩(wěn)定，大部分受庫(kù)水位影響不大。左右兩岸測(cè)壓孔水位基本上從上游往下游依次降低，符合正常規(guī)律。

其中，有3個(gè)孔內(nèi)水位與上庫(kù)水位不同程度相關(guān)，見圖6。2015年10月份抽水試驗(yàn)期間，3個(gè)孔內(nèi)水位與庫(kù)水位相關(guān)系數(shù)分別為0.94(UP右-3)、0.83(UP左-1)和0.85(UP左-3)，2015年10月10—29日水位迅速升高了19.73 m，UP右-3,UP左-1,UP左-3繞滲孔水位分別增加了8.47，7.62，3.82 m。說明左、右岸均存在繞壩滲流。

圖6 黏土心墻壩繞壩滲流典型過程線Fig.6 Typical hydrograph of seepage around clay core dam

6 滲流量分析

滲流量是綜合反映黏土心墻壩工作性態(tài)的重要指標(biāo)[4]。土石壩滲流量主要受上下游水深、降雨入滲等影響，由于土石材料物理力學(xué)參數(shù)(壩體和壩基)隨溫度變化較小，所以一般不考慮溫度分量[5]。下面從定性和定量2個(gè)方面對(duì)黏土心墻壩的滲流量進(jìn)行分析。

6.1 定性分析

量水堰測(cè)值受上游庫(kù)水位和降雨量影響比較明顯，如圖7所示。從歷時(shí)過程上看，2015年10月份抽水試驗(yàn)之前，壩體滲流量有3次明顯上升過程：第1次是在2013年5—9月份，第2次是在2014年4—8月份，第3次是在2015年4—6月份。這3次上升過程均處于水位上升和降雨同時(shí)增加過程中。

圖7 黏土心墻壩滲流量-庫(kù)水位-降雨量過程線Fig. 7 Process lines of seepage flow, reservoir water level and rainfall of clay core dam

2015年10月4—6日有一次強(qiáng)降雨，降雨量最大達(dá)97.6 mm/d，與此同時(shí)量水堰測(cè)值迅速增大至134.01 L/s，10月7—26日20 d時(shí)間內(nèi)無降雨，量水堰測(cè)值先迅速降至17.03 L/s，之后又隨庫(kù)水位的上升開始增大，最大增至85.44 L/s。

6.2 定量分析

圖8 滲流量和庫(kù)水位的關(guān)系曲線Fig.8 Diagram of the relation between seepage flow and reservoir water level

模型的因子選擇是極為復(fù)雜的，為抓住主要因素，筆者首先分析水位與滲流量散點(diǎn)圖[6]。取2015年10月10—26日17 d時(shí)間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(該時(shí)段內(nèi)無降雨，測(cè)值的變化基本上由庫(kù)水位變化引起)，進(jìn)行滲流量和水位的相關(guān)性分析，相關(guān)曲線如圖8所示?？梢钥闯鲭S著庫(kù)水位的升高，滲流量增大，且滲流量變化速率也在增大。

對(duì)這段時(shí)間的滲流量進(jìn)行模型分析。采用逐步回歸分析方法，選用當(dāng)日水位H、前1,2,3,5,7 d的平均水位Hi(i=1,2,3,5,7)，及其平方H2,Hi2(i=1,2,3,5,7)共12個(gè)因子。模型方程見式(1)，即

y=38.704 72+1.382 281H+9.963 417H3-

(1)

該模型復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.95，相對(duì)精度為10.51%。入選的因子有當(dāng)天水位，前3 d、前5 d的平均水位，前2 d平均水位的平方以及前7 d平均水位的平方。說明水位對(duì)滲流量的影響既是即時(shí)的又是持續(xù)的。

為深入了解黏土心墻壩滲流量與上庫(kù)水位、降雨量的關(guān)系，將上庫(kù)水位和降雨量作為因子，了解各因子對(duì)滲漏水的影響。具體如下：

建模時(shí)間為自蓄水以來至今(2013年5月19日—2015年11月10日)，采用逐步回歸分析方法，分析因子有2大類：① 上庫(kù)水位因子，即當(dāng)日水位H、前1,2,3,5,7 d的平均水位Hi(i=1,2,3,5,7)，及其平方H2,Hi2(i=1,2,3,5,7)；②降雨量因子，即當(dāng)日降雨量R，前1,2,3,5,7 d的平均降雨量Ri(i=1,2,3,5,7)。

模型方程為

y=75.525 67-17.538 44H5+12.719 21H7-

0.046 556 13R1-0.389 61R2+0.201 027 4R3+

0.112 265 4R5+0.644 794 5R7。

(2)

該模型復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.79，相對(duì)精度為7.02%。入選的因子有前5, 7 d平均水位，當(dāng)天水位的平方，前2,7 d水位的平方，前1,2,3,5,7 d平均降雨量，說明水位和降雨對(duì)滲流量的影響既是即時(shí)的又是持續(xù)的。模型及分量過程圖如圖9所示。水壓分量占比69.53%，降雨分量占比30.47%。說明黏土心墻壩滲流量大部分來源于庫(kù)水，雨季還有降雨因素的疊加作用。

圖9 黏土心墻壩滲流量模型分析過程Fig.9 Process lines of seepage flow model analysis

上庫(kù)水位變化對(duì)滲流量產(chǎn)生影響主要通過壩體壩基滲流和繞壩滲流2種方式實(shí)現(xiàn)，以下將壩體壩基滲流測(cè)點(diǎn)和繞壩滲流測(cè)點(diǎn)作為因子，從而進(jìn)一步明確滲漏水的主要來源。具體如下：

建模時(shí)間為自蓄水以來至今(2013年5月19日—2015年11月10日)，采用逐步回歸分析方法，壩體壩基滲流測(cè)點(diǎn)和繞壩滲流測(cè)點(diǎn)較多，經(jīng)過演算分析、反復(fù)篩選，也確定2大類因子作為分析因子：① 壩體壩基滲流因子：P4,P7,P10；② 繞壩滲流因子：UP右-3,UP左-1,UP左-3。

模型方程為

y=-4 270.822+1.778 112P4+0.263 850 8P7+

2.966 265P10+1.299 405UP右-3+

2.304 682UP左-1+3.641 385UP左-3。

(3)

模型復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.82，相對(duì)精度為6.43%，入選的因子有壩體滲流因子(P4,P7,P10)，繞滲因子(UP右-3,UP左-1,UP左-3)。壩體壩基滲流分量占41%，繞壩滲流59%，說明影響?zhàn)ね列膲螡B流量的主要因素是兩岸繞壩滲流，其次是壩體壩基滲流。

7 結(jié) 論

通過對(duì)大壩原型監(jiān)測(cè)資料的分析，并對(duì)滲流量進(jìn)行模型分析，找到滲流主要來源，及各因子對(duì)滲流的影響程度，得出以下結(jié)論：

(1) 2015年10月抽水試驗(yàn)期間，滲流量、壩體壩基滲壓、繞壩滲流等監(jiān)測(cè)成果受庫(kù)水位影響顯著，隨庫(kù)水位升高滲流量增大，且滲流量變化速率也在增大。

(2) 黏土心墻壩滲流量大部分來源于庫(kù)水，雨季還有降雨因素的疊加作用。其中，水壓分量占比69.53%，降雨分量占比30.47%。

(3) 庫(kù)水位對(duì)滲流量的影響主要是通過兩岸繞壩滲流，其次是通過壩體壩基滲流。其中，壩體壩基滲流分量占41%，繞壩滲流分量占59%。

(4) 庫(kù)水位和降雨量對(duì)滲流量的影響既是即時(shí)的又是持續(xù)的。

[1] 張秀麗，楊澤艷.水工設(shè)計(jì)手冊(cè)第11卷水工安全監(jiān)測(cè)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2013.

[2] 蔣秀華,呂文星,錢云平,等.西霞院水庫(kù)繞壩滲流分析[J].地下水，2015，37(6)：159-166.

[3] 朱 朋，盧書強(qiáng)，薛聰聰，等.庫(kù)水位升降與降雨條件下滑坡的滲流及穩(wěn)定性分析[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2015，32(11)：87-92

[4] 王志遠(yuǎn)，潘 琳，沈 慧.水工建筑物異常工作性態(tài)實(shí)例解析[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2014.

[5] 顧沖時(shí)，吳中如.大壩與壩基安全監(jiān)控理論和方法及其應(yīng)用[M].南京：河海大學(xué)出版社，2006.

[6] 沈長(zhǎng)松，吳中如.混凝土壩壩基揚(yáng)壓力統(tǒng)計(jì)模型的探討[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)，1989,17(1)：109-116.

(編輯：王 慰)

Seepage Analysis of Clay Core Dam Based on Prototype Monitoring

TAO Cong-cong, CHEN Hong-wei, KONG Song,GUO Cheng
(NARI Group Corporation/State Grid Electric Power Research Institute, Nanjing 211106, China)

Increases in seepage through dam body and seepage around dam were found during the impoundment of a clay core dam. In order to investigate into the causes, we carried out prototype monitoring on environmental parameters, seepage through and around dam, seepage pressure, as well as seepage amount, and obtained monitoring results. To further analyze the seepage source, we conducted model test on seepage flow amount. Results revealed that all the factors are significantly affected by reservoir water level, which is a main cause of seepage amount change. Rainfall is a secondary cause. Reservoir water level mainly affects the seepage around dam, and then the seepage through dam foundation. The impact of reservoir water level is instantaneous and in the meantime steady.

prototype monitoring; clay core dam; seepage through dam body; seepage around dam; seepage flow

2016-05-12;

：2016-08-06

陶叢叢(1985-)，女，山東淄博人，工程師，碩士，研究方向?yàn)榇髩伟踩O(jiān)測(cè)，(電話)15105193491(電子信箱)taocongcong@sgepri.sgcc.com.cn。

10.11988/ckyyb.20160461

2017,34(9):70-73,78

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：1001-5485(2017)09-0070-04