故县水库大坝渗流分析

王智阳,赵 婷,崔晓波

(1.黄河水利职业技术学院,河南开封 475003;2.河南洛宁故县水利枢纽管理局,河南洛宁 471715)

故县水库大坝渗流分析

王智阳1,赵 婷1,崔晓波2

(1.黄河水利职业技术学院,河南开封 475003;2.河南洛宁故县水利枢纽管理局,河南洛宁 471715)

故县水库大坝为混凝土重力坝,针对大坝渗流监测项目及运行情况,通过对该工程坝基扬压力、大坝渗流量和绕坝渗流等三方面进行分析,得出F5断层C445-3管水位持续升高,应该引起重视;河床坝段扬压力水位较低,河床坝段排水系统完善,运行正常;岸坡坝段、河床坝段扬压系数均小于设计值0.3,满足设计要求和大坝安全要求;坝基渗流量较小,没有产生较大的集中渗流,大坝帷幕灌浆效果良好,坝基渗流稳定可靠。

故县水库;渗流分析;重力坝;扬压力;渗流量;绕坝渗流

0 前 言

人类筑坝的历史已近5 000年,重力坝是出现最早的一种坝型。混凝土重力坝是在砌石重力坝的基础上发展起来的。据统计,由于渗流问题而失事的大坝,约占总事故的40%左右。由此可见,对渗流问题必须予以高度重视。大坝建成后,必须进行各项渗流监测,分析判断渗流情况是否正常,以保证大坝的安全运用[1]。水工建筑物渗流观测的目的是以水在建筑物中的渗流规律来判断建筑物的性态及其安全情况。19世纪末期,通过对几座失事重力坝的分析研究,认为作用于坝体的扬压力对坝体有不利影响[2]。扬压力首次提出于1985年法国Bouzey坝失事后[3],现行规范[4]对坝基扬压力的规定是建立在混凝土为不透水材料的基础上,扬压力是不透水坝基面的面力。实际上混凝土是透水材料,其渗透系数相对坝基岩体来说较小而已。因此,坝体按渗透体与坝基整体分析较符合实际,而且,从理论上分析扬压力还与坝体和坝基渗透系数相关[5]。水库蓄水后,可能会引起坝肩地下水位运动规律的变化,坝肩地下水对大坝及近坝区安全也有相应影响[6]。故混凝土重力坝的渗流监测主要包括坝基扬压力、坝体扬压力、渗流量和绕坝渗流等监测内容。坝基扬压力监测多用测压管,也可用差动电阻式渗压计。测点沿建筑物与地基接触面布置。坝体内部渗透压力可在分层施工缝上布置差动电阻式渗压计[7]。渗流量观测一般将渗水集中到排水沟中采用量水堰法进行测量[2]。

1 工程概况

故县水库位于黄河支流洛河中游峡谷内,是一座以防洪为主,兼顾灌溉、发电、养殖的大型水利枢纽,总库容11.75×108m3。水库大坝为混凝土重力坝,最大坝高125 m,坝顶高程553.0 m,坝顶长315 m,共分为21个坝段。其中6#坝段为电梯坝段,7#、8#、9#坝段为电站坝段,10#坝段为泄洪底孔坝段,11#～16#为溢流坝段,17#泄洪中孔坝段,0#～5#、18#～20#坝段分别为左右岸挡水坝段。

坝内设有四层廊道,高程分别为440 m、462 m、494 m、520 m,各层廊道之间的垂直交通由6#坝段的电梯和楼梯连接。

坝址区断层较多,共有20条,其中F5断层最大,宽度约为2 m～3 m。施工期间对该条断层进行了“一键一塞三竖井”的特殊处理,施工后期又进行了灌浆处理,并在F5断层的上、下盘各布设了二支测压管,以观测其上、下盘的水头差,其编号为C445-1～C445-4,同时在其下盘设一排水孔,以观测其渗流量变化情况,减小水头差,其编号为“445洞”。为观测F5断层处理后工作情况,混凝土塞和混凝土键内布置有五向应变计及测缝计。

2 大坝渗流监测项目及运行情况

渗流观测主要包括基础扬压力和渗流量、坝体扬压力、渗流量及绕坝渗流观测等项目。

基础扬压力采用差动电阻式渗压计21支(基础扬压力9支,坝体12支)和单管式测压管72支。渗压计埋设在基岩与混凝土接触面上,通过电缆在观测室遥测。由于埋设仪器时间较长,较多仪器或电缆损坏,致使测值极不稳定。测压管除个别深入基岩以下30 m,其余均深入基岩1 m,采用普通压力表结合测深钟人工观测。

在8#坝段475 m高程和12#坝段480 m高程,各埋设6支渗压计,以观测坝体扬压力分布状况,电缆分别引入本坝段电测观测室。由于埋设时间较长、电缆进水等原因,大部分仪器已损坏失效,无法观测。

渗流量观测通过在上下游灌浆廊道的排水沟内设置的8套量水堰,测量计算所得。1997年7月在11#坝段横向廊道排水沟内布设一套三角堰V9和一套矩形堰V10,以代替原来V2～V5观测值来计算总渗流量。为了改善量水堰观测条件,提高渗流量观测精度,2009年10月在V7、V8、V9安装了NVWG振弦式量水堰仪。

绕坝渗流的观测方法是在两岸山体上布置一定数量的钻孔,定期利用电测水位计对地下水位进行观测,钻孔数量为左岸15个,右岸18个,共33个孔,孔深30 m～210 m,由于孔淤积堵塞,目前仅剩20个有效孔。

由于故县大坝基础岩石破碎,有风化囊和裂隙夹泥等,设计要求需要对其渗水做水质透明度观测和水质分析,以检测渗水中的化学、物理成份,分析是否会发生渗流不利的变化。

3 大坝渗流分析

渗流分析主要分析2006年—2010年坝基扬压力和大坝总渗流量。

3.1 坝基扬压力

(1)根据测压管水位与坝前水位相关图可知,实测管水位与坝前水位变化相关,从测压管水位过程线也可以看出管水位的变化随坝前水位升降而升降。河床坝段管水位变化略滞后于坝前水位的变化,一般滞后10天左右。岸坡段坝管水位不仅受坝前水位影响,同时还受雨雪天气影响。

河床坝段相关系数在0.34～0.58之间,岸坡坝段相关系数在0.27～0.86之间,

(2)扬压力虽随坝前水位升降而升降,但升降幅度比库水位升降幅度小得多。2006年至2010年,河床坝段测压管年变幅最大的是C10-5,最大变幅出现在2010年,变幅为4.41 m,而坝前水位变幅为11.29 m;岸坡坝段测压管年变幅最大的是C19-2,最大变幅出现在2006年,变幅为8.89 m,坝前水位变幅为13.76 m。

(3)从主排水线测压管水位柱状分布图(见图1)及测压管过程线可以看出,河床坝段扬压水位较低且相差不大,说明河床坝段帷幕工作正常,排水设备完善,排水畅通。两岸边坡坝段扬压水位较高,且向两岸依序升高,各坝段扬压水位相差较大,这也是正常的,形成这种现象主要原因是岸坡坝段基底位置较高,渗水溢出点也较高造成的。

图1 主排水线测压管水位柱状分布图

(4)渗压系数分布情况

①坝基各扬压力观测横断面上渗压系数从上游至下游均远小于设计值,且渗压系数均表现为负值(扬压水位低于下游尾水位),说明坝基帷幕系统、排水系统运行情况良好。

②渗压系数随库水位升高而增大,但渗压系数变幅较小,坝基渗压系数最大变幅为0.09(C8-4),岸坡坝段最大变幅为0.07(C19-2)。

③边坡坝段渗压系数最大值为0.22(C2-2),小于设计值0.3。

(5)从测压管水位成果表及过程线图中可以看出,个别测压管水位变化幅度很小,如C4-2、C10-2、C10-6、C12-7、C15-1、C17-1,原因初步分析为:测压管长时间运行后,管底泥沙淤积所致。建议对测压管进行清孔处理。

(6)445洞4个测压管水位随坝前水位升降而升降,但变化幅度不大,年变幅最大值为2.5 m(C445-1)。C445-2、3 水位高于 C445-1 、4,这是由于C445-2、3距F5断层较近,受断层带影响较大,与坝前水位相关系数较高(0.68～0.74);C445-1、4相对较远,受其影响较小,与坝前水位相关系数较低(0.24～0.33)。上盘(C445-3、4)与下盘(C445-1、2)水压差最大值为7.83 m,远小于断层处理前的20 m。

C445-3管水位随坝前水位下降也略有也下降,但降幅很小,总的变化趋势为逐年增大,2010年最高管水位为11月 2日的 461.48 m(坝前水位533.55 m),与历年来最高坝前水位(2003年10月15日,534.64 m)下的管水位458.12 m相比,高出3.36 m,具体见表1。

表1 2003—2010年最高管水位统计表

从表1可看出,2008年以前,该支测压管水位一直保持在459m以下,2009年—2010年管水位为增长趋势。

2009年9月28日该支测压管水位由9月15日的458.75 m(坝前水位 524.81 m)升至459.08 m(坝前水位528.55 m)后,管水位就一直处于459 m以上,2010年最低管水位为459.48 m(坝前水位523.27 m),比历年最高管水位458.12 m高出1.36 m。

由表2可知,2003年—2010年八年间,C445-2、C445-4管水位升幅较小,不超过3 m,C445-3升幅最大为7.9 m。

F5断层部位埋设的四支测压管管水位均处于增长趋势,特别是C445-3近两年管水位升幅较大,初步估计是由于F5断层部分灌浆失效所致。

表2 445洞四支测压管2003年—2010年管水位统计表

(7)相对于其它测压管来说,C8-4、C10-5、C11-3、C12-4、C12-5 变幅稍大,在3 m～ 4 m 之间。

3.2 大坝渗流量

(1)通过分析主排水孔实测渗流量过程,反映出大多数主排水孔渗流量与坝前水位关系密切。相比其它主排水孔甲35渗量较大,受坝前水位影响较明显,与坝前水位相关系数为0.42。其次渗水量较大的排水孔为甲41,其余流量较小,不超过30 ml/s。

(2)通过分析排水洞渗流量过程、流量与坝前水位相关关系,可以得出,排水洞流量随坝前水位升降而升降,略滞后于坝前水位变化。其中42#洞渗流量较大,与坝前水位相关系数为0.48;35#流量维持在200 ml/s左右,与坝前水位相关系数为0.17;445洞渗流量维持在40 ml/s左右,相关系数为0.55。

(3)从总渗流量与坝前水位过程线,见图2,可以看出,总渗流量与坝前水位关系密切,相关系数为0.84,随库水位升降而增减。2006年至2010年,总渗流量最大值发生在2010年3月30日(坝前水位532.18 m),为618.29 m3/d,比最近十年最大渗流量494.16 m3/d(2005年3月22日,坝前水位529.43 m3/d)高出127.13 m3/d,这是由于位于478平台16#坝段有一通气孔,孔底位于437下灌廊道,孔口覆盖砂砾石层,外界水源渗透砂砾石层流入437基础廊道,致使总渗流量增大。该通气孔口已于4月下旬进行加高、加装防水罩处理。

图2 总渗流量与坝前水位过程线

(4)由表3统计值可看出,在水位较高的2006年至2010年(2008年水位较低除外),最大渗流量出现时间是在3月份到4月份,这期间库水位不仅维持在较高的530 m左右,同时在低温状态下,混凝土和基岩受热胀冷缩现象影响,裂缝开合度增大,从而引起渗流量增大。这表明总渗流量和水位及温度有关,且总渗流量变化滞后于温度变化。

3.3 绕坝渗流

依观测数据绘制的2006年—2010年绕坝渗流水位过程线,从图中可看出如下规律:左、右岸有相同的变化规律,即近库孔(左岸 ZK2—ZK5,右岸ZK20、ZK21、ZK26)水位较高,且受库水位影响较大,随库水位升降而升降;位于山体上的孔由于距水库相对较远,孔水位较低,且受库水位影响小。

表3 总渗流量与水位、时间关系统计表

从左右岸相关图3、图4可看出上述规律,右岸近岸孔除ZK20与坝前水位相关系数较高为0.69外,ZK21、ZK26与坝前水位相关系数较小均为0.23;左岸近岸孔ZK2—ZK5与库水位的相关系数在0.35～0.53之间。

图3 左岸绕坝渗流近岸孔与坝前水位相关图

图4 右岸绕坝渗流近岸孔与坝前水位相关图

4 结 论

(1)F5断层位置特殊,C445-3管水位持续升高现象应该引起重视。建议请专家计算445洞埋设的应变计资料,以便和测压管资料校核验证。

(2)河床坝段扬压力水位较低,说明河床坝段排水系统完善,运行正常。岸坡坝段、河床坝段扬压系数均小于设计值0.3,满足设计要求和大坝安全要求。

(3)坝基渗流量远小于1 100 m3/d～2 200 m3/d设计值,经过连续几年高水位运行,也没有产生较大的集中渗流,说明大坝帷幕灌浆效果良好,坝基渗流稳定可靠。

[1]陈胜宏.水工建筑物[M].北京:中国水利水电出版社,2004.

[2]麦家煊.水工建筑物[M].北京:清华大学出版社,2005.

[3]汝乃华.重力坝[M].北京:水利电力出版社,1983.

[4]中华人民共和国水利部.SL319-2005.混凝土重力坝设计规范[S].北京:中国水利水电出版社,2005.

[5]钱 宇,李宗利.重力坝坝体及坝基不同渗透系数对坝基扬压力的影响研究[J].水利与建筑工程学报,2010,8(6):61-63.

[6]訾进甲,陈健康,王剑涛,等.宝珠寺水电站大坝绕坝渗流分析[J].四川水利发电,2009,28(1):82-85.

[7]杨邦柱,焦爱萍.水工建筑(第二版)[M].北京:中国水利水电出版社,2009.

Analysis on Dam Seepage of Guxian Reservior

WANG Zhi-yang1,ZHAO Ting1,CUI Xiao-bo2
(1.Yellow River Vocational and Technical College of Water Conservancy,Kaifeng,He'nan475003,China;2.Guxian Hydraulic Complex Administration Bureau in Luoning Couty of He'nan Province,Luoning,He'nan471715,China)

The dam of Guxian Reservoir is a concrete gravity dam.According to the monitoring data and operation records of the dam seepage,the uplift pressure of seepage discharge and bypass seepage of the dam are analyzed.The following results are obtained:(1)The water level of C445-3 is rising continuously on the site of F5 fault,which should be taken more attentions to;(2)The uplift pressure of the river bed is lower,and the operation of drainage facilities iswell;(3)The coefficients of the uplift pressure on the river bed and bank are little than 0.3,which could meet the requirements of design standard and dam safety;(4)The seepage of the dam foundation is steady,so there is no seepage concentration.Because the effect of the curtain grouting is well,and the seepage discharge is smaller,so the dam foundation is stable and reliable.

Guxian Reservoir;seepage analysis;gravity dam;uplift pressure;seepage discharge;bypass seepage

TV698.2+33

A

1672—1144(2012)05—0132—05

2012-04-16

2012-05-21

王智阳(1974—),女(汉族),江苏无锡人,讲师,主要从事水利水电建筑工程专业教学与科研工作。