陡河水库主坝渗流观测分析

2014-02-15周金波

海河水利 2014年4期

关键词：主坝测压管坝基

周金波

（唐山市陡河水库管理处，河北唐山063021）

陡河水库主坝渗流观测分析

周金波

（唐山市陡河水库管理处，河北唐山063021）

渗流观测是土坝观测的关键，根据坝体和坝基测压管观测资料，分析了陡河水库主坝渗流的现状及其对主坝渗透稳定的不利影响，对大坝坝体及坝基渗透稳定与安全作出评价，得出结论并提出建议，为水库的安全运行提供科学依据。

库水位；测压管水位；坝体；坝基；渗流稳定分析

1 工程概况

陡河水库位于唐山市东北15 km的陡河上，是一座以防洪为主兼供唐山市生活用水及下游工农业生产用水等综合利用的大型水利枢纽工程。

水库于1956年建成，经过1970年扩建、1977年震后修复及1988年提高保坝标准工程（即加固工程）建设，目前大坝全长7 364 m，其中主坝长1 700 m、位于河床及1级台地上，副坝位于2级台地上、长5 664 m，最大坝高25 m。控制流域面积530 km2，总库容5.152亿m3，正常蓄水位34.00 m，相应库容0.684亿m3。

主坝左坝头与凤山相接处为泥质灰岩，山坡脚为砂壤土夹有石块，厚约14 m。河床两侧滩地为细砂与砂壤土互层，厚约2～3 m，性质松软。河床表层3～4 m为中砂及粗砂，其中含石灰石碎石并夹有土层。其下为砂壤土、壤土、黄土状壤土，还有中细砂层。1级台地紧接河漫滩，地形平缓，右岸宽达1 600 m，与2级台地以缓坡相接，一般地面高程26～27 m，高出河床6～7 m，表层为厚约8～10 m的黏土层，夹有1.0～1.5 m中细砂透镜体。土层以下为厚度约20 m的中细砂层。2级台地地形平坦，高程为32～46 m，多被冲沟切割，表层为2～3 m重壤土，下为4～7 m的中细砂或砂壤土互层，土壤物理力学性质较好。主坝坝基主要利用7～11 m的天然黏土铺盖层作为水平铺盖进行防渗，河床段有人工铺盖及截水槽。

2 观测设备布设

2.1 坝体测压管布设

陡河水库初建时，分别在桩号0+100、0+500、1+ 500三个剖面共安装了10根观测管，其位置位于坝顶及上、下游坝坡上。1977年震后修复及加固工程中，将32.0 m以上坝体削除掉，并且坝轴线向下游移动16 m，然后重新筑坝。坝体测压管进行重新布设，同时保留了完好的原坝中管3根为震后坝上管，共7个断面，可分为三部分：河床段（桩号0+100、0+ 170），1级阶地（桩号0+500、0+900、1+300），淤泥段（桩号1+500、1+700）。

2.2 坝基测压管布设

震后修复工程中，为了周密监视坝基渗流情况，在主坝安设了28根观测管，共5个断面，分别为桩号0+350、0+720、1+120、1+400、1+570。陡河水库大坝渗流观测设施平面布置，如图1所示。

3 观测资料选取

从40多年的观测资料中，选取所需资料时考虑的因素有：①选取高水位时的测压管水位资料；②选取库水位持续时间较长的测压管水位资料；③排除降雨、冰冻、浇地等有外界干扰的测压管水位资料。

4 坝体渗流分析

4.1 坝体测压管滞后时间分析

经分析发现，震前坝体测压管水位随库水位的变化而变化，同时部分测压管受降雨的影响较突出。如，桩号1+500剖面1+500上、中随库水位的升降而变化，滞后时间30、60 d左右；1+500下受降雨的干扰滞后时间较长，约6个月。个别地方出现测压管水位高于库水位的情况。1977年遭地震破坏后，坝体开挖，增大断面，重新填筑。震后的坝体测压管水位异常，一方面，随库水位的变化，由于坝体渗透性较小，再加上多年的固结，滞后时间较长，测压管水位长期高于库水位现象较为显著，1级台地尤为明显；另一方面，在库水作用的同时，受汛期降雨的影响，测压管水位升高，如1981年底桩号0+100中高出同期库水位4.28 m、0+500上高出库水位5.23 m、1+500中高出7.44 m。但目前看来，测压管水位变化幅度较小，非汛期基本维持在一个较稳定的水位。坝体测压管非汛期稳定水位，见表1。

图1 陡河水库大坝渗流观测设施平面布置

表1 坝体测压管非汛期稳定水位

4.2 坝体浸润线分析

陡河水库运行46年来，主要分为震前和震后两个阶段。经过分析发现，坝体浸润线在震前运行良好，能正确反映大坝的渗流，只是受降雨影响严重，与库水位关系紧密，能比较真实地反映大坝主体的渗流情况；震后大坝的浸润线受降雨影响减小，但各断面浸润线不能正确反映坝体的渗流规律，测压管水位值不随库水位变化而变化，并且长期处于高水位运行，违背渗流规律。

5 坝基渗流分析

5.1 坝基测压管滞后时间分析

坝基测压管滞后时间估算，基本沿用库水位过程线和测压管水位过程线峰谷值的时差来统计。从统计结果来看，测压管水位与库水位滞后时间很短，这里应指出的是测压管水位观测是每5 d一次，因坝基测压管反应灵敏，有时库水位的峰谷值可能错过。通过多年观测资料的详细统计分析，认为：坝基测压管水位基本上与库水位同步的原因，一是尽管坝前有较长的天然铺盖，但仍不可能像垂直防渗那样截断水流，渗流仍然比较通畅；二是天然铺盖的黏土层有存在裂隙、夹砂层的可能。另外，靠近2级台地远离坝轴线的测压管水位由于受2级台地潜水的影响，当库水位上升时，有超过库水位的趋势。

5.2 特定库水位的测压管水位过程线

自震后安设坝基测压管以来，除1977—1978年间库水位达到兴利水位34 m外，其他年份一直在汛限水位32 m左右运行，水库一直未经高水位考验。选取32.0 m作为特征水位，绘制坝基测压管水位过程曲线，如图2所示。特征水位线表明，除个别年份有局部升高，过程线基本为一水平且有降低的直线。同一库水位下测压管水位变化不大，桩号1+120剖面J1、J2、J3与初期相比，分别下降0.9%、1.0%、2.9%。这一趋势表明，坝基经过多年的运行，渗流已趋基本稳定。

图2 特定水位下测压管水位过程线

5.3 坝基测压管水位与库水位相关关系分析

选取高水位且持续时间较长、并且有一定时间间隔的资料，用回归分析法分别求出1979、1987、1995年3年的库水位与桩号0+350剖面J1测压管水位的回归方程，绘出相关线图，如图3所示。经分析，得出以下结论。

图3 桩号0+350 J1测压管水位与库水位相关关系

（1）库水位与坝基测压管水位呈线性关系，在а= 0.01水平下显著相关，相关系数多在0.8以上。

（2）前4年的相关线逐年向左移动，说明渗流稳定愈来愈好；但1995年相关线库水位约在32.5 m及以上时测压管水位较其他年份有升高的趋势。

5.4 坝基渗透坡降稳定性核算

通过相关分析成果预测在设计洪水位40.3 m、校核洪水位43.4 m情形时的坝基水平渗透坡降及出逸坡降，排水沟处计算出逸坡降的参数采用J2测压管处的数值。计算成果，见表2。从表2可以看出，坝基水平渗透坡降远远小于允许值0.1～0.15，坝基内部没有产生管涌的可能，而最大出逸坡降出现在排水沟纵断处。根据坝基地质条件，求得坝基的临界出逸坡降J=0.98，按规范要求，在设计洪水位条件下安全系数不得小于2.0，在校核洪水位条件下安全系数不小于1.5。由表2可知，在设计洪水位条件下，排水沟处安全系数为1.01～1.51；在校核洪水位条件下，安全系数为0.81～1.34，均不满足规范要求的2.0和1.5，考虑排水沟底反滤层盖重0.5 m仍不满足规范要求，因此距排水沟上、下游10 m范围内是高库水位作用下最可能发生渗透破坏的地段。