力洋水庫大壩滲流監(jiān)測資料分析及滲流性狀評價

朱朝陽，顧浩欽，崔書生，曹海明

（1.寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計研究院，浙江 寧波 315192；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098）

1 工程概況

力洋水庫位于浙江省寧波市寧?？h力洋鎮(zhèn)以北的力洋溪流上，壩址以上控制集水面積16.1 km2，是一座以供水、防洪為主，結(jié)合灌溉等綜合利用的中型水庫，工程等別為Ⅲ等[1]。該工程于1958年12月動工興建，1959年下半年停工，1971年2月恢復(fù)施工，至1979年12月，完成一期工程施工，壩頂高程42.00 m。

2004年，寧?？h力洋水庫續(xù)建加固工程啟動，在原一期大壩的基礎(chǔ)上進(jìn)行加固加高，并于2008年12月通過竣工驗收。大壩原為黏土心墻壩，續(xù)建加固采用塑性混凝土防滲墻，防滲墻軸線布置在一期壩軸線上，墻厚0.80 m，頂高程41.50 m，墻體伸入弱風(fēng)化基巖面不小于0.60 m，最大深度60.85 m。大壩加高防滲采用黏土心墻，加高高度5.80 m，防滲墻施工完成后直接在其頂面填筑黏土心墻至壩頂，壩頂高程47.80 m，防浪墻頂高程48.80 m。續(xù)建加固后，水庫正常蓄水位44.50 m，正常庫容1102萬m3，50 a一遇設(shè)計洪水位46.45 m，相應(yīng)庫容1238萬m3，2000 a一遇校核洪水位46.81 m，總庫容1328萬m3。

2011年3月，大壩巡查時發(fā)現(xiàn)頂路面產(chǎn)生縱向裂縫。2012年3月委托寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計研究院進(jìn)行壩體裂縫處理設(shè)計，5月施工，通過壩頂開挖回填及水泥灌漿等方式進(jìn)行裂縫處理，并2013年11月通過完工驗收。

2 滲流監(jiān)測概況

滲流監(jiān)測主要針對防滲處理后的滲流情況進(jìn)行監(jiān)測[2]，力洋水庫大壩滲流監(jiān)測包括壩體滲流壓力監(jiān)測和壩基滲流壓力監(jiān)測2部分。

大壩共設(shè)置4個觀測斷面，分別位于大壩樁號0 +040，0 + 090，0 + 140，0 + 190 m斷面。每個斷面布置8支滲壓計（美國基康振弦式4500S型），其中4支用于監(jiān)測壩體滲流壓力，另外4支用于壩基滲流壓力監(jiān)測，分別位于防滲墻中心線上游1.0 m的20.00，35.00 m高程；防滲墻中心線下游1.0 m的8.00，15.00，20.00 m高程；下游6.0 m的8.00，15.00 m高程；下游21.1 m的15.00 m高程。除下游21.1 m處的孔為一孔單點，其余孔均為一孔多點， 4個斷面共計布置滲壓計32支。另為監(jiān)測下游水位，在樁號0 + 130 m下游坡腳布置1支滲壓計，安裝高程6.00 m[3]。整個大壩合計布置滲壓計33支，滲流壓力采用自動化監(jiān)測方式，數(shù)據(jù)信息每日8時自動采集并記錄1次。

大壩滲流壓力監(jiān)測設(shè)施平面布置見圖1，大壩滲壓計埋深斷面見圖2。

圖1 大壩滲流壓力監(jiān)測設(shè)施平面布置圖

圖2 大壩滲壓計埋深斷面圖

3 滲流監(jiān)測資料分析

3.1 各斷面測值過程線分析

大壩滲流各測點于2006年5月完成安裝，并取得初始值，2007年12月水庫續(xù)建加固工程通過蓄水驗收。綜合考慮施工期及初期下閘蓄水過程的影響，本次分析壩體壩基滲壓變化規(guī)律數(shù)據(jù)序列自2007年10月31日始。

本次對33支滲壓計測點歷年測值與庫水文的相關(guān)性進(jìn)行統(tǒng)計分析，并繪制了各斷面滲流壓力監(jiān)測點過程線。通過各測點滲壓計測值與庫水位的相關(guān)性分析，表明混凝土防滲墻前測點相關(guān)系數(shù)大于墻后測點，越往下游，相關(guān)系數(shù)越小，即相關(guān)性越低。如0 + 190 m斷面防滲墻上游的UP4-1-1與庫水位的相關(guān)度為0.9920，UP4-1-2為0.9430，下游的UP4-2-1為0.5890，UP4-3-1為0.5500，UP4-4為0.1350。但0 + 040 m斷面的UP1-2-3、UP1-3-2、0 + 090 m斷面的UP2-2-2、UP2-2-3等測點存在異常。

4個斷面混凝土防滲墻上游側(cè)滲壓計水位與庫水位相近，且與庫水位相關(guān)系極強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9100以上。說明這些部分混凝土防滲墻防滲效果良好，逼高了墻前水位。

位于防滲墻軸線下游6.0，21.1 m處的測點測值基本穩(wěn)定，變幅不大，與庫水位相關(guān)性低。部分測點受降雨影響較大，表現(xiàn)為測值過程線微小波動劇烈，如UP1-4、UP3-4等，這是因為降雨通過下游壩殼下滲，影響下游側(cè)水位。

3.2 壩基異常測點分析

通過各測點滲壓計測值與庫水位的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，0 + 040 m斷面，UP1-2-3＞UP1-2-1＞UP1-2-2，且位于壩體基巖中的UP1-2-3和UP1-3-2與庫水位的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9803和0.8326。將與這2個壩基同一位置不同斷面的滲壓計測值過程線分別繪制（見圖3 ～ 4）。

圖3 UP 1～4-2-3滲流壓力監(jiān)測點過程線圖

圖4 UP 1～4-3-2滲流壓力監(jiān)測點過程線圖

根據(jù)力洋水庫二維滲流有限元模型分析成果顯示，正常情況下為UP1-2-1＞UP1-2-2＞UP1-2-3。故壩基UP1-2-3及UP1-3-2測點存在明顯異常，且與庫水位相關(guān)性較高。

依據(jù)有限元模型理論分析成果，如果壩基巖石均勻致密無裂隙，位于基巖的測壓管水位與庫水位的相關(guān)性較低。在基巖均勻致密無裂隙的情況下，不可能達(dá)到如此高的相關(guān)性。據(jù)此，可以初步判斷UP1-2-3上游側(cè)壩基可能存在裂隙。查閱力洋水庫建庫歷史檔案，1978年第4期壩基截水槽開挖時，曾在樁號0 + 040 m前后發(fā)現(xiàn)斷層，當(dāng)時采用挖槽清理并用混凝土塞封堵處理，處理深度未知（見圖5）。

圖5 大壩壩基截水槽開挖縱斷面圖

結(jié)合該斷面滲壓計監(jiān)測的數(shù)據(jù)異常，判斷該處壩基巖石局部范圍內(nèi)可能存在裂隙。另外，通過分析該斷面UP1-2-3、UP1-3-2、UP1-4的位勢值可知，該斷面壩基能夠有效削減水頭，其防滲效果良好。

3.3 壩體異常測點分析

分析0 + 090 m斷面各監(jiān)測點的測值過程線發(fā)現(xiàn)，自2009年8月15日之后，UP2-2-2、UP2-2-3的測值逐漸增大，自2010年8月10日起，UP2-2-1、UP2-2-2、UP2-2-3測值已基本相等；同時，當(dāng)庫水位迅速上升時，UP2-2-1的測值會出現(xiàn)波動，然后很快恢復(fù)。

單獨分析UP2-2-1測點與降雨量的變化過程線（見圖6）可知，每次測值的波動都伴隨著較大的降雨量，故此判斷降雨量是UP2-2-1波動的主要誘因。UP2-2-1隨降雨量而波動的時間區(qū)間為2009年8月至2012年6月中旬，該時間區(qū)域外的較大降雨量未引起UP2-2-1的波動。結(jié)合水庫實際運行情況，二期工程于2008年12月竣工驗收。2012年5月進(jìn)行壩頂裂縫處理施工。從以上時間點分析，UP2-2-1測值波動和大壩裂縫出現(xiàn)及處理存在相關(guān)性，判斷其測值異常波動與降雨以及大壩裂縫有關(guān)。

圖6 UP 2-2-1測點過程線與降雨量關(guān)系圖

水庫大壩自2008年12月竣工驗收后某一時間壩頂出現(xiàn)縱向裂縫，裂縫穿過UP2-2-1所在的埋設(shè)孔（位于防浪墻軸線下游1.0 m，采用鉆孔埋設(shè)法在不同高程處埋設(shè)3支滲壓計，分別為UP2-2-1、UP2-2-2及UP2-2-3）。當(dāng)壩址區(qū)發(fā)生較大降雨時，雨水沿著裂縫進(jìn)入埋設(shè)孔，當(dāng)埋設(shè)孔封孔不嚴(yán)密時，雨水就會滲至UP2-2-1處，短時間內(nèi)抬高該處的孔隙水壓力。降雨結(jié)束后，埋設(shè)孔中滲水無水源補(bǔ)充，孔隙水壓力會迅速消散。至此，一次較大降雨就會引發(fā)一次短歷時的孔隙水壓力波動。當(dāng)2012年6月以后壩體裂縫處理完成后，混凝土防滲墻后壩體密實（不存在裂縫），雨水無法進(jìn)入埋設(shè)孔，故UP2-2-1測點異常波動現(xiàn)象消失，測值恢復(fù)正常，從而也表明壩頂裂縫處理效果較好。

將與UP2-2-2、UP2-2-3同一位置不同斷面的滲壓計測值過程線分布繪制見圖3及圖7。

圖7 UP 1～4-2-2滲流壓力監(jiān)測點過程線圖

根據(jù)圖3及圖7分析可知，當(dāng)壩體未出現(xiàn)裂縫時（2009年8月前），滲壓計測值關(guān)系為UP2-2-1＞UP2-2-2＞UP2-2-3，且與庫水位的相關(guān)性小。自2009年8月至2010年8月，UP2-2-1隨著強(qiáng)降雨出現(xiàn)幾次波動，而UP2-2-2、UP2-2-3的測值逐漸增大（此時庫水位變幅較小），最終至與UP2-2-1的測值基本持平。分析其原因是由于這3支滲壓計布置于同一鉆孔中，當(dāng)封孔質(zhì)量不好（封孔回填料防滲性較差或封孔不密實），出現(xiàn)串孔現(xiàn)象時，三者測值相同。其中UP2-2-1的測值最大，其余2測點的測值均代表UP2-2-1處測值，故UP2-2-2、UP2-2-3測點測值已不能正確代表該點位的滲壓水頭，這2支滲壓計已功能性失效。

3.4 滲流統(tǒng)計模型分析

土石壩壩體、壩基監(jiān)測點滲透壓力水頭（H）主要受上游庫水位、下游水位、降雨、溫度、時效等因素的影響。因此，在分析時采用下列統(tǒng)計模型[4]：

式中：H為滲透壓力水頭的擬合值，m；Hh為滲透壓力水頭的水位分量，m；HT為滲透壓力水頭的溫度分量，m；HP為滲透壓力水頭的降雨分量，m；Hθ為滲透壓力水頭的時效分量，m。

各分量根據(jù)大壩的運行特性并考慮初始測值的影響擬定，最終得到大壩滲透壓力統(tǒng)計模型表達(dá)式為：

式中：a0為回歸常數(shù)，m；H上i為壩前水深，m；為壩后水深，m；為壩前初始日水深，m；為壩后初始日水深，m；a1i、a2i為水壓因子的回歸系數(shù)；t為觀測日至始測日的累計天數(shù)，d；t0為建模資料序列第一個測值日至始測日的累計天數(shù)，d；b1i、b2i為溫度因子的回歸系數(shù)，m；Pi為觀測日當(dāng)天降雨量、觀測日前1 ～ 3 d、觀測日前 3 ～ 5 d、觀測日前 5 ～ 8 d、觀測日前 8 ～ 15 d 平均降雨量均值（i = 1 ～ 5），m；ci為降雨量因子的回歸系數(shù)；θ為觀測日至始測日的累計天數(shù)t除以100，d；θ0為建模資料序列第1個測值日至始測日的累計天數(shù)t0除以100，d。

本文采用逐步回歸分析法對力洋水庫大壩12個典型滲流測點（壩體4個、壩基8個）的觀測資料建立回歸模型。典型測點測值系列統(tǒng)計回歸模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)（R）和標(biāo)準(zhǔn)差（S）見表1（回歸系數(shù)暫不列出）。

表1 典型測點滲壓統(tǒng)計模型特征值表

由表1可知，12個典型測點統(tǒng)計模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)有8個大于0.9，其他均大于0.8，說明測點滲透壓力與所選因子之間關(guān)系密切[5]，回歸方程質(zhì)量較高。

為了定量分析評價水位、溫度、降雨、時效等各分量對壩體、壩基滲流的影響[6]，以典型年份2012年的變幅為例，應(yīng)用回歸模型提取各影響效應(yīng)分量的年變幅（見表2）。

表2 滲壓影響分量2012年年變幅統(tǒng)計表 m

續(xù)表2

（1）影響壩體、壩基滲流壓力的主要因素是庫水位，其與庫水位變化一般成正相關(guān)關(guān)系[7]。由表2可知，在2012年滲壓水位年變幅中，有9支滲壓計測值受水位影響顯著，水壓分量約占53.93% ～ 83.24%；有3支受水位影響較大，其中影響最小的測點未位于0 + 190 m斷面下游的UP4-4，占29.22%。

（2）降雨量變化對壩體、壩基滲流也有一定的影響。由表2可知，有7支滲壓計的降雨分量超過30.00%，其他均超過10.00%，表明壩面雨水匯集下滲入壩體，對壩體、壩基滲壓計水位產(chǎn)生一定影響。

（3）溫度變化對測點滲流影響較小，但0 + 190 m斷面的UP4-4測點例外，其受溫度影響達(dá)22.61%，結(jié)合該測點歷年測值序列，最大變幅僅為0.50 m，建議后期加強(qiáng)觀測，并及時分析。

（4）由表2可知，時效分量對壩體、壩基滲流壓力影響較小，大部分測點時效分量占年變化的5%以下，但0 +090 m斷面UP2-2-3的時效分量為12.58%，且有直線增大趨勢，說明該點異常。結(jié)合異常測點分析成果，UP2-2-3測點初步判定為已功能性失效，UP2-2-3測值已與UP 2 -2-1基本一致。另0 + 190 m斷面的UP4-2-1、UP4-2-3的時效分量亦較大，建議后期加強(qiáng)觀測，并及時分析。

4 大壩滲流性狀評價

為分析評價力洋水庫大壩續(xù)建加固后，塑性混凝土防滲墻+頂部防滲黏土心墻的聯(lián)合防滲效果，以及壩體裂縫處理效果，本文以2013年10月20日高庫水位（水位43.18 m）情況下的實測浸潤線分析評價大壩滲流性狀。

各斷面2013年10月20日壩體滲壓計測值見表3，斷面浸潤線見圖8 ～ 11。

表3 2013年10月20日各斷面滲壓測值表 m

圖8 0+040 m斷面浸潤線圖

圖9 0+090 m斷面浸潤線圖

圖10 0+140 m斷面浸潤線圖

圖11 0+190 m斷面浸潤線圖

各斷面測點位勢計算值見表4，當(dāng)庫水位43.18 m時，斷面0 + 040，0 + 090，0 + 140，0 + 190 m經(jīng)過混凝土防滲墻后的剩余位勢分別為43.96%，43.05%，34.25%，35.91%?；炷练罎B墻防滲效果良好。經(jīng)過混凝土防滲墻及黏土心墻后的剩余位勢分別為20.33%，17.30%，12.47%，13.05%。

由此可知，力洋水庫壩體混凝土防滲墻+黏土心墻的綜合防滲效果較好，續(xù)建加固及壩體裂縫處理效果顯著，大壩滲流性態(tài)是安全的。

表4 各斷面測點位勢計算值統(tǒng)計表

5 結(jié) 論

通過力洋水庫大壩滲流監(jiān)測資料分析研究表明：

（1）通過各測點滲壓計測值與庫水位的相關(guān)性分析表明，混凝土防滲墻前測點大于墻后測點，越往下游，相關(guān)性越低?；炷练罎B墻上游側(cè)滲壓計測點測值受庫水位影響較大，與庫水位呈顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.9100及以上。

（2）0 + 040 m斷面處滲壓計測值與庫水位相關(guān)性較高，該處壩基巖石局部范圍內(nèi)可能存在裂隙。但分析該斷面壩基測點的位勢值可知，此處壩基能夠有效削減水頭，防滲效果良好。

（3）0 + 090 m斷面防滲墻后UP2-2-1的異常波動是由于壩體裂縫及封孔不嚴(yán)密導(dǎo)致強(qiáng)降雨下雨水滲入造成的，壩體裂縫處理完成后，測值恢復(fù)正常，從而也表明壩頂裂縫處理效果較好。

（4）0 + 090 m斷面防滲墻后的UP2-2-2及UP2 -2-3隨時間推移逐漸增大，最終至與UP2-2-1的測值基本持平，是由于這3支滲壓計布置于同一鉆孔中，當(dāng)封孔質(zhì)量不好（封孔回填料防滲性較差或封孔不密實），出現(xiàn)串孔現(xiàn)象，其測值已不能正確代表該點位的滲壓水頭，判斷為已功能性失效。

（5）依據(jù)對長期滲流壓力監(jiān)測資料建立的滲流統(tǒng)計模型，計算分析了模型中各因素對大壩滲壓的影響。從構(gòu)造的統(tǒng)計模型總體規(guī)律來看，庫水位分量對測點滲壓的影響較大，降雨分量對部分測點滲壓有一定的影響，溫度分量和時效分量對測點滲壓的影響較小。

（6）通過分析高庫水位（43.18 m）情況下，4個典型斷面防滲效果可知，水頭經(jīng)混凝土防滲墻及黏土心墻后的剩余位勢分別為20.33%，17.30%，12.47%，13.05%，表明大壩壩體的綜合防滲效果較好，續(xù)建加固及壩體裂縫處理效果顯著，大壩滲流性態(tài)是安全的。