板橋水庫南刺墻段滲流異常性態(tài)分析

馬福恒 張湛 俞楊峰

摘要：板橋水庫混凝土溢流壩位于“75.8洪水”垮壩時(shí)的最大沖坑處，溢流壩與兩側(cè)土石壩采用混凝土重力式刺墻連接，2011年冬季南刺墻段下游邊坡高程102.08m處出現(xiàn)射水現(xiàn)象，嚴(yán)重影響到大壩安全運(yùn)行。針對(duì)該壩段滲流異常現(xiàn)狀，首先對(duì)南刺墻及裹頭內(nèi)滲流監(jiān)測資料進(jìn)行時(shí)空分析，并利用等效原理反演分析了混凝土刺墻、裹頭及壩基的滲流場，分不同工況計(jì)算了南刺墻段壩基揚(yáng)壓力、滲流量、滲透壓力，著重分析了刺墻端部的接觸滲透坡降。結(jié)果表明，該壩段基礎(chǔ)透水性和混凝土刺墻等效滲透性均較強(qiáng)，尤其是刺墻端部的接觸滲透坡降遠(yuǎn)大于刺墻平均接觸滲透坡降，是造成南刺墻下游出逸點(diǎn)高的內(nèi)在因素。

關(guān)鍵詞：混凝土刺墻；滲流異常；等效滲透性；接觸滲透坡降；板橋水庫

中圖分類號(hào)：P339 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/ j.issn.1000-1379.2018.01.021

板橋水庫位于淮河支流汝河上游，壩址位于河南省駐馬店市西40km的驛城區(qū)板橋鎮(zhèn)境內(nèi)，是一座以防洪、灌溉為主，結(jié)合發(fā)電和養(yǎng)殖等綜合利用的大（2）型水利樞紐工程。工程始建于1951年，是新中國成立后最早興建的大型水庫之一?！?5·8洪水”潰壩后，1987年復(fù)建工程開工，1991年12月主體工程基本竣工，1993年6月通過國家竣工驗(yàn)收，并交付管理單位投入運(yùn)行。建筑物由土石壩、混凝土溢流壩及輸水洞等組成，大壩全長3720m，混凝土溢流壩位于原水庫垮壩時(shí)的最大沖坑處（即河床段），溢流壩與兩側(cè)的北主壩、南主壩由混凝土重力式刺墻連接，各長65.0m，分別插入土石壩黏土心墻15.0m，心墻外側(cè)設(shè)有礫質(zhì)粗砂（下游）或塊石（上游），在心墻壤土與塊石之間、礫質(zhì)粗砂與塊石之間分別設(shè)置了三層反濾層（裹頭）。板橋水庫復(fù)建運(yùn)行以來在防洪、灌溉、供水方面取得了重大效益，但近年來，混凝土溢流壩低溫時(shí)廊道內(nèi)局部位置滲流嚴(yán)重，滲流量及析出物有所增加。尤其是2011年冬季南刺墻段下游邊坡高程102.08m處出現(xiàn)射水現(xiàn)象，嚴(yán)重影響到大壩安全[1]。為掌握該壩段滲流異常性態(tài)，有必要根據(jù)工程實(shí)際采用多種方法對(duì)滲流“疑點(diǎn)”進(jìn)行解析，指導(dǎo)板橋水庫安全運(yùn)行。

1 南刺墻段滲流現(xiàn)狀分析

1.1 滲流監(jiān)測結(jié)果分析

為監(jiān)測南刺墻段滲流性態(tài)，在南刺墻廊道內(nèi)布置1排4只測壓管監(jiān)測壩基揚(yáng)壓力，另外在南裹頭內(nèi)安裝14只測壓管監(jiān)測裹頭滲流性態(tài)[2]。南刺墻壩基揚(yáng)壓力水位過程線見圖1，南裹頭測壓管水位過程線見圖2（部分監(jiān)測結(jié)果）。

由圖1可以看出：南刺1壩段揚(yáng)1測壓管測值較高，但測值基本不變，測壓管敏感性差，受庫水位變化的影響很小，建議檢查其有效性[3]。南刺3壩段揚(yáng)1測壓管測值一般在79.20～94.08 m之間變化，測值變幅偏大，且近年來有逐漸增大趨勢，表明該壩段基礎(chǔ)透水率稍大，并有向不利方向發(fā)展的趨勢。

由圖2可以看出：1+587-85測壓管水位驟升驟降，估計(jì)是管口封口不嚴(yán)受雨水灌人所致。其他測壓管水位與庫水位相關(guān)系數(shù)在0.86～0.89之間，測值在90.38～103.20m之間。目前南裹頭滲流尚處于安全狀態(tài)。

1.2 滲流場空間分布

考察南裹頭1+555-81、1+555-82、1+538-83和1+517-84四只測壓管水位與庫水位的相關(guān)性，根據(jù)1998年后測值計(jì)算其與庫水位相關(guān)系數(shù)分別為0.46、0.58、0.73、0.69，可見位于最上游側(cè)的1+555-81測壓管水位與庫水位相關(guān)性較弱，隨著滲徑的延長，測壓管水位與庫水位的相關(guān)性大體上逐漸增大，這不符合接觸滲流壓力隨滲徑延長逐漸減小的一般變化規(guī)律。因此，刺墻壩基存在局部滲流薄弱環(huán)節(jié)的可能性較大?？肯掠蝹?cè)的1+582-87、1+582-88兩只測壓管基本處于無水狀態(tài)。從1+555-81、1+555-82、1+538-83、1+517-84四只測壓管位勢變化過程線來看，1+555-82測點(diǎn)位勢有緩慢增大趨勢，應(yīng)對(duì)該斷面加強(qiáng)觀測分析。另外，從南裹頭典型日測壓管水位等勢線可以看出，1+538-83與1+517-84測壓管附近存在滲漏薄弱環(huán)節(jié)。兩者在低水位時(shí)測值基本一致，但水位升高時(shí)測值差別明顯，尤其是1+517-84測壓管在高水位時(shí)測值高出1+538-83的3～4m，說明該測壓管位置處存在滲漏薄弱環(huán)節(jié)[4]。

2 滲流異常性態(tài)分析

為分析南刺墻滲流異常性態(tài)及危害程度，有必要反演該壩段滲透系統(tǒng)、評(píng)估滲流性態(tài)，以解析異常原因。

2.1 等效滲透系數(shù)反演分析

（1）模型構(gòu)建。根據(jù)刺墻實(shí)際情況，按三維滲流問題考慮混凝土刺墻、裹頭及壩基的滲流場。根據(jù)分區(qū)材料特性，劃分壩體（混凝土刺墻、裹頭材料等）、基巖、防滲帷幕等區(qū)域?；炷链虊Α⒒鶐r以及裹頭材料作為連續(xù)介質(zhì)考慮；壩基防滲帷幕、刺墻廊道按實(shí)際尺寸計(jì)算；排水孔作為等效介質(zhì)考慮。

根據(jù)滲流計(jì)算分析特點(diǎn)并結(jié)合大壩實(shí)際，確定計(jì)算模型范圍和邊界：上游邊界至壩軸線上游約185.0m，下游邊界至下游壩腳以外約155.0m；左邊界取至溢流壩段以左約100.0m，右邊界取至南刺墻防滲帷幕端部以右約100.0m；基巖底邊界取至壩基防滲帷幕以下約50.0m，至高程0.00m。該模型沿順河流方向（X方向，由上游指向下游為正）最長約340m，垂直河流方向（Y方向，由右岸指向左岸為正）寬約420m，鉛直方向（z方向，與高程一致）約122m。

建立三維有限元模型時(shí)，在綜合分析計(jì)算區(qū)域內(nèi)地形、巖層等特征及壩體、防滲帷幕和廊道等結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，首先選取并生成控制剖面，據(jù)此在計(jì)算區(qū)域內(nèi)形成超單元結(jié)構(gòu)，超單元總數(shù)為1322個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為1261個(gè)；然后進(jìn)一步離散形成有限元網(wǎng)格，生成的有限元網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為33409個(gè)，單元總數(shù)為32318個(gè)。

（2）參數(shù)反演分析。由于大壩已運(yùn)行20多年，刺墻存在裂縫、孔洞等缺陷，其實(shí)際滲透情況與設(shè)計(jì)情況并不一致，因此通過反演分析確定各材料分區(qū)平均滲透系數(shù)。首先根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)、已有的部分材料壓水試驗(yàn)資料以及壩體滲流量觀測資料，對(duì)各種材料的滲透參數(shù)進(jìn)行反演估計(jì)；然后采用反演分析的分區(qū)平均滲透系數(shù)計(jì)算刺墻段及壩基滲流場，評(píng)價(jià)刺墻段及壩基的滲流性態(tài)[5]。

為了盡可能消除滲流滯后效應(yīng)的影響，反演分析時(shí)，選取上下游水位相對(duì)穩(wěn)定時(shí)間足夠長、距離當(dāng)前最近的時(shí)間段的監(jiān)測資料進(jìn)行分析[6]。自2011年9月1日—2012年2月16日庫水位一直在108.02～108.34m之間變動(dòng)，變幅為0.32m，庫水位較為穩(wěn)定，且持續(xù)時(shí)間5個(gè)月有余，因此選擇這一時(shí)段作為準(zhǔn)穩(wěn)定滲流場反演分析工況，并選擇庫水位108.21m作為上游水位（下游水位為88.90m），該水位對(duì)應(yīng)的滲流量最大值為1.239L/s。

反演得到的各分區(qū)滲透系數(shù)見表1，反演分析工況下南刺墻防滲帷幕的最大平均滲透坡降為2.59，計(jì)算域內(nèi)南刺墻段的滲透流量為 0.379L/s。反演分析工況下南刺墻段典型剖面揚(yáng)壓力分布見圖3。

根據(jù)反演分析得到的南刺墻揚(yáng)壓力分布，可以計(jì)算得到壩基揚(yáng)壓力系數(shù)。由于壩基灌漿廊道設(shè)置了壩基抽排水系統(tǒng)，因此計(jì)算得到的揚(yáng)壓力系數(shù)均小于零，也小于設(shè)計(jì)值0.25。從揚(yáng)壓力分布來看，反演的壩基揚(yáng)壓力分布基本上可以表征壩基滲流實(shí)際情況[7]，模擬的滲流場基本符合實(shí)際情況。

2.2 滲流性態(tài)計(jì)算

（1）分析工況。根據(jù)大壩實(shí)際情況，對(duì)刺墻進(jìn)行滲流性態(tài)安全評(píng)價(jià)選取的計(jì)算工況為：①正常蓄水位111.50m，下游相應(yīng)水位90.00m，壩體形成穩(wěn)定滲流；100a一遇設(shè)計(jì)洪水位117.58m，下游相應(yīng)水位95.90m，壩體形成穩(wěn)定滲流；③5000a一遇校核洪水位118.83m，下游相應(yīng)水位97.40m，壩體形成穩(wěn)定滲流；④可能最大洪水位119.49m，下游相應(yīng)水位97.70m，壩體形成穩(wěn)定滲流。

（2）計(jì)算結(jié)果。采用上述計(jì)算模型和反演參數(shù)，在可能最大洪水位工況下計(jì)算南刺墻段的揚(yáng)壓力分布，典型剖面的計(jì)算結(jié)果見圖4。南刺墻壩基防滲帷幕的最大平均滲透坡降、各工況下計(jì)算區(qū)域內(nèi)各部分的滲流量、揚(yáng)壓力系數(shù)及單位長度總揚(yáng)壓力見表2。

2.3 滲流異常成因分析

基于上述計(jì)算結(jié)果，結(jié)合滲流異常表現(xiàn)，從南刺墻滲流場和滲流量、裹頭滲透坡降等幾個(gè)要素評(píng)價(jià)南刺墻段滲流性態(tài)，揭示滲流異常成因[8]。

（1）滲流場性態(tài)分析。在正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位及可能最大洪水位工況下，南刺墻段和基礎(chǔ)的滲流場位勢分布規(guī)律一致，與反演分析工況的計(jì)算結(jié)果也一致。

從南刺墻段壩基地下水位等值線來看，壩基滲流場的位勢分布和變化規(guī)律明確，庫水通過壩體、壩基防滲帷幕滲向下游；南刺墻段下游壩體內(nèi)浸潤面平緩，其最低位置出現(xiàn)在縱向排水廊道部位。浸潤面在防滲帷幕位置前后形成了突降，該部位有刺墻基礎(chǔ)灌漿廊道，其阻滲和排水作用是顯著的，南刺墻段存在庫水繞過和透過刺墻及防滲帷幕向壩體及下游浸滲的現(xiàn)象[9]。

（2）滲透坡降。正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位工況下南刺墻段壩基防滲帷幕的最大平均滲透坡降見表2。各工況下壩基防滲帷幕的滲透坡降均較大，均出現(xiàn)在南刺墻防滲帷幕起始部位附近。由此可見，隨著上下游水頭差的增大，壩基防滲帷幕處的滲透坡降也增大。

（3）滲透流量分析。在正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位、可能最大洪水位工況下，計(jì)算區(qū)域內(nèi)通過南刺墻的滲流量分別為0.481、0.605、0.642、0.663L/s。

2011年冬季發(fā)現(xiàn)，溢流壩表8孔邊墩與南刺1壩段接縫102.08m高程處有滲流出現(xiàn)，低溫時(shí)滲流明顯。根據(jù)計(jì)算分析，在正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位及可能最大洪水位4種工況下，南刺墻下游、溢流壩擋墻土壩側(cè)滲漏高程分別為90.00、93.90、97.40、97.70m，均低于滲漏點(diǎn)出水高程，亦可說明此滲漏點(diǎn)為壩內(nèi)局部滲漏通道所致。

（4）接觸滲透坡降。根據(jù)設(shè)計(jì)資料，南刺墻沿壩軸線向長65m（自導(dǎo)墻土壩側(cè)起算），端部厚8m（順?biāo)飨颍?，則可由i=△h/L計(jì)算南刺墻平均接觸滲透坡降。4種工況下，可能最大洪水位工況的上下游水頭差最大，平均接觸滲透坡降也最大。

實(shí)際情況下，沿刺墻的接觸滲透坡降是不均勻的。由于刺墻混凝土的滲透系數(shù)遠(yuǎn)小于其周圍土石壩材料的滲透系數(shù)，因此刺墻的“阻滲”作用將導(dǎo)致南刺墻上游側(cè)地下水位抬高。該部位的接觸滲透坡降小于平均接觸滲透坡降。刺墻與土石壩連接段的接觸滲透坡降最大值部位位于刺墻端部及其下游附近[10]。

由南刺墻位勢等值線（見圖5）可知，南刺墻端部土石壩壩體的等值線較密，該部位滲透坡降最大。由圖5可計(jì)算得到最大接觸滲透坡降為3.60。可見，刺墻端部的接觸滲透坡降遠(yuǎn)大于刺墻平均接觸滲透坡降。

3 結(jié)論

（1）南刺墻及裹頭段滲流監(jiān)測資料表明，該壩段基礎(chǔ)透水性強(qiáng)，并有向不利方向發(fā)展的趨勢，壩體滲透壓力也有緩慢增加趨勢，影響到大壩安全運(yùn)行。

（2）利用等效原理反演分析了混凝土刺墻、裹頭及壩基的滲流場，結(jié)果表明壩體混凝土綜合等效滲透系數(shù)較大，驗(yàn)證了該壩段下游出逸點(diǎn)較高現(xiàn)象。

（3）滲流計(jì)算表明，南刺墻段滲流性態(tài)與監(jiān)測資料表現(xiàn)一致，壩基防滲帷幕的滲透坡降均較大，尤其是南刺墻端部的接觸滲透坡降遠(yuǎn)大于刺墻平均接觸滲透坡降，這是造成南刺墻滲流異常的內(nèi)在因素。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬福恒，李子陽，趙國亭，等.河南省駐馬店市板橋水庫大壩綜合評(píng)價(jià)報(bào)告[R].南京：南京水利科學(xué)研究院，2012：31.

[2]俞揚(yáng)峰，李子陽，馬福恒.河南省駐馬店市板橋水庫大壩原型觀測資料分析報(bào)告[R].南京：南京水利科學(xué)研究院，2012：58.

[3]張楠，馬福恒，張帥，等.大壩實(shí)測性態(tài)的灰色馬爾科夫鏈預(yù)測方法研究[J].水電能源科學(xué)，2012，30（8）：70-73.

[4]李子陽，馬福恒，華偉南.多源信息融合診斷大壩安全監(jiān)測資料合理性[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2013（1）：41-46.

[5]張華，周小超.一種基于VG模型的非飽和土滲流參數(shù)反演方法[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，34（3）：64-68.

[6]王媛，劉杰.裂隙巖體滲流場與應(yīng)力場動(dòng)態(tài)全耦合參數(shù)反演[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27（8）：1652-1658.

[7]王媛，劉杰.基于敏感性分析的裂隙巖體滲流與應(yīng)力靜態(tài)全耦合參數(shù)反演[J].巖土力學(xué)，2009，30（2）：311-317.

[8]袁自立，馬福恒，李子陽.石漫灘碾壓混凝土重力壩滲流異常成因分析[J].水電能源科學(xué)，2013，31（5）42-45.

[9]高江林，陳云翔.基于滲流與應(yīng)力耦合的防滲墻與壩體相互作用的數(shù)值模擬[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2013（2）：58-63.

[10]王力，張健，胡廣明.板橋水庫復(fù)建工程土壩及南北裹頭施工及質(zhì)量控制[J].河南水利與南水北調(diào)，2013（10）：42.