基于原型监测的黏土心墙堆石坝渗流分析

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(南瑞集团公司(国网电力科学研究院),南京 211106)

基于原型监测的黏土心墙堆石坝渗流分析

陶丛丛,陈宏伟,孔松,郭成

(南瑞集团公司(国网电力科学研究院),南京 211106)

某黏土心墙坝在蓄水期间，出现渗流量较大、坝体渗流、绕坝渗流增大等现象。为了寻找原因，通过对某黏土心墙坝的环境量、坝体渗流、绕坝渗流、渗流量等原型监测数据进行分析，得到渗流量、坝体坝基渗压、绕坝渗流等监测成果。为进一步分析渗流来源，对渗流量进行模型分析。结果表明：各监测成果互为印证，受库水位影响显著；库水位是影响渗流量大小及变化的主要因素，降雨量是次要因素，其中，库水位对渗流量的影响主要是通过两岸绕坝渗流，其次是通过坝体坝基渗流。库水位对渗流量的影响既是即时的又是持续的。

原型监测；黏土心墙坝；坝体渗流；绕坝渗流；渗流量

1 工程背景

心墙坝主要利用各类防渗材料，降低坝体的浸润线，防止坝体渗透破坏和减少渗漏量[1]。渗流稳定问题对黏土心墙坝尤为关键，一旦漫顶或产生裂缝，可能会形成渗漏通道，导致坝体局部失稳滑坡，严重时可导致溃坝。

某抽水蓄能电站上库主坝为黏土心墙堆石坝，主坝坝顶长214 m，最大坝高54 m。黏土心墙坝两岸地形不太对称，坝轴线剖面呈不对称的较开阔的“V”字型，左岸山体雄厚，右岸低矮单薄。两岸植被发育，山体山坡自然状态稳定，未发现不稳定体。地层岩性为寒武系八村群第三亚群(∈bcc)石英砂岩夹粉砂岩，岩层产状与坝轴线夹角较小，倾下游，对坝基渗漏和稳定不利。左岸顺坡，坡度稍缓，右岸反坡，坡度稍陡。

在蓄水期间发现渗流量较大，最大渗流量达到134.01 L/s，同时坝体渗流、绕坝渗流等也出现增大的现象。为寻找渗流原因，对大坝原型监测资料进行分析，并对渗流量进行模型分析，从而找到渗流主要来源，为运行管理单位提供决策支持。

2 渗流监测布置概况

为监测心墙内渗水压和接触面渗水压，在黏土心墙坝0+140断面心墙内不同高程布置10支渗压计。为了解绕坝渗流情况，在两岸坝肩布置8个监测孔，其中黏土心墙坝右坝肩布置4个(UP右-1—UP右-4)，左坝肩布置4个孔(UP左-1—UP左-4)，仅UP右-1,UP左-1位于帷幕前，其他测点均在帷幕后。在黏土心墙坝下游坝脚建有2道截水槽，其内布置2个直角三角形量水堰，监测黏土心墙坝总体渗流量。渗流监测布置情况见图1和图2。

图1 黏土心墙坝0+140剖面渗压计测点布置Fig.1 Layout of measuring points for seepage pressure at section 0+140 of clay core dam

图2 黏土心墙坝绕坝渗流孔测点布置Fig.2 Layout of measuring points for seepage around dam

3 环境量监测资料分析

抽水蓄能电站设多个环境量监测项目，主要有上库水位、下库水位和降雨量等。

上库水位主要受降雨和下库抽水影响。库水位有4次明显上升过程：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。这3次上升过程均为雨季，第4次是在2015年10月10日—29日抽水试验期间，水位迅速升高了19.73 m，达到最高水位610.30 m，之后水位略有回落。

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

上库水位和降雨量过程线见图3。

图3 上库水位和降雨量过程线Fig.3 Process lines of upstream reservoir water level and rainfall

图4 黏土心墙坝渗压水头典型过程线Fig.4 Typical hydrograph of seepage head of clay core dam

4 坝体渗流压力分析

为监测心墙内和接触面的渗水压力，了解坝体坝基渗流状态，首先对坝体渗流压力进行分析。

图4为坝体各测点的渗压水头过程线，通过对比分析可以看出渗压水头和库水位呈明显的正相关性，2015年10月10—29日水位迅速升高了19.73 m，各渗压计所测渗压水头也随之迅速升高，其中P1，P2，P7变化最为明显，渗压水头分别增加了18.25，17.33，16.30 m。

表1统计了坝体、坝基各处渗压水头和水位的相关系数，渗压水头大多与库水位相关性较高。特别是2015年10月抽水试验期间，这种相关性尤其显著，67%的测点渗压水头与库水位相关系数在0.9以上，说明坝体坝基渗流活跃。

表1 黏土心墙坝渗流压力和库水位相关系数Table 1 Coefficient of correlation between seepagepressure and reservoir water level of clay core dam

图5 不同高程的渗压水头分布Fig.5 Distribution of water head at different elevations

坝横0+140监测剖面的不同高程的渗压水头分布情况如图5。

坝基帷幕前测点P1，P2渗压水头明显大于幕后测点P3，P4，说明帷幕起到了一定的消减水头的作用，但是最靠近下游侧P4的渗压水头大于P3，可能是由于此处有地下水压力。580 m高程心墙上游侧测点P7渗压水头明显大于P8，P9，说明心墙起到了一定的消减水头的作用。

5 绕坝渗流分析

绕坝渗流对坝体和坝基主要有2方面的不利影响：抬高岸坡部分坝体的浸润面，在坝体和岸坡的接触面上可能产生接触冲刷[2]。另外，地下水对库岸边坡的稳定性影响重大[3]。因此，对绕坝渗流进行分析是很有必要的。

从监测资料来看，黏土心墙坝绕渗测值稳定，大部分受库水位影响不大。左右两岸测压孔水位基本上从上游往下游依次降低，符合正常规律。

其中，有3个孔内水位与上库水位不同程度相关，见图6。2015年10月份抽水试验期间，3个孔内水位与库水位相关系数分别为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绕渗孔水位分别增加了8.47，7.62，3.82 m。说明左、右岸均存在绕坝渗流。

图6 黏土心墙坝绕坝渗流典型过程线Fig.6 Typical hydrograph of seepage around clay core dam

6 渗流量分析

渗流量是综合反映黏土心墙坝工作性态的重要指标[4]。土石坝渗流量主要受上下游水深、降雨入渗等影响，由于土石材料物理力学参数(坝体和坝基)随温度变化较小，所以一般不考虑温度分量[5]。下面从定性和定量2个方面对黏土心墙坝的渗流量进行分析。

6.1 定性分析

量水堰测值受上游库水位和降雨量影响比较明显，如图7所示。从历时过程上看，2015年10月份抽水试验之前，坝体渗流量有3次明显上升过程：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。这3次上升过程均处于水位上升和降雨同时增加过程中。

图7 黏土心墙坝渗流量-库水位-降雨量过程线Fig. 7 Process lines of seepage flow, reservoir water level and rainfall of clay core dam

2015年10月4—6日有一次强降雨，降雨量最大达97.6 mm/d，与此同时量水堰测值迅速增大至134.01 L/s，10月7—26日20 d时间内无降雨，量水堰测值先迅速降至17.03 L/s，之后又随库水位的上升开始增大，最大增至85.44 L/s。

6.2 定量分析

图8 渗流量和库水位的关系曲线Fig.8 Diagram of the relation between seepage flow and reservoir water level

模型的因子选择是极为复杂的，为抓住主要因素，笔者首先分析水位与渗流量散点图[6]。取2015年10月10—26日17 d时间的监测数据(该时段内无降雨，测值的变化基本上由库水位变化引起)，进行渗流量和水位的相关性分析，相关曲线如图8所示。可以看出随着库水位的升高，渗流量增大，且渗流量变化速率也在增大。

对这段时间的渗流量进行模型分析。采用逐步回归分析方法，选用当日水位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个因子。模型方程见式(1)，即

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

(1)

该模型复相关系数为0.95，相对精度为10.51%。入选的因子有当天水位，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。说明水位对渗流量的影响既是即时的又是持续的。

为深入了解黏土心墙坝渗流量与上库水位、降雨量的关系，将上库水位和降雨量作为因子，了解各因子对渗漏水的影响。具体如下：

建模时间为自蓄水以来至今(2013年5月19日—2015年11月10日)，采用逐步回归分析方法，分析因子有2大类：① 上库水位因子，即当日水位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，即当日降雨量R，前1,2,3,5,7 d的平均降雨量Ri(i=1,2,3,5,7)。

模型方程为

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)

该模型复相关系数为0.79，相对精度为7.02%。入选的因子有前5, 7 d平均水位，当天水位的平方，前2,7 d水位的平方，前1,2,3,5,7 d平均降雨量，说明水位和降雨对渗流量的影响既是即时的又是持续的。模型及分量过程图如图9所示。水压分量占比69.53%，降雨分量占比30.47%。说明黏土心墙坝渗流量大部分来源于库水，雨季还有降雨因素的叠加作用。

图9 黏土心墙坝渗流量模型分析过程Fig.9 Process lines of seepage flow model analysis

上库水位变化对渗流量产生影响主要通过坝体坝基渗流和绕坝渗流2种方式实现，以下将坝体坝基渗流测点和绕坝渗流测点作为因子，从而进一步明确渗漏水的主要来源。具体如下：

建模时间为自蓄水以来至今(2013年5月19日—2015年11月10日)，采用逐步回归分析方法，坝体坝基渗流测点和绕坝渗流测点较多，经过演算分析、反复筛选，也确定2大类因子作为分析因子：① 坝体坝基渗流因子：P4,P7,P10；② 绕坝渗流因子：UP右-3,UP左-1,UP左-3。

模型方程为

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)

模型复相关系数为0.82，相对精度为6.43%，入选的因子有坝体渗流因子(P4,P7,P10)，绕渗因子(UP右-3,UP左-1,UP左-3)。坝体坝基渗流分量占41%，绕坝渗流59%，说明影响黏土心墙坝渗流量的主要因素是两岸绕坝渗流，其次是坝体坝基渗流。

7 结 论

通过对大坝原型监测资料的分析，并对渗流量进行模型分析，找到渗流主要来源，及各因子对渗流的影响程度，得出以下结论：

(1) 2015年10月抽水试验期间，渗流量、坝体坝基渗压、绕坝渗流等监测成果受库水位影响显著，随库水位升高渗流量增大，且渗流量变化速率也在增大。

(2) 黏土心墙坝渗流量大部分来源于库水，雨季还有降雨因素的叠加作用。其中，水压分量占比69.53%，降雨分量占比30.47%。

(3) 库水位对渗流量的影响主要是通过两岸绕坝渗流，其次是通过坝体坝基渗流。其中，坝体坝基渗流分量占41%，绕坝渗流分量占59%。

(4) 库水位和降雨量对渗流量的影响既是即时的又是持续的。

[1] 张秀丽，杨泽艳.水工设计手册第11卷水工安全监测[M].北京：中国水利水电出版社，2013.

[2] 蒋秀华,吕文星,钱云平,等.西霞院水库绕坝渗流分析[J].地下水，2015，37(6)：159-166.

[3] 朱 朋，卢书强，薛聪聪，等.库水位升降与降雨条件下滑坡的渗流及稳定性分析[J].长江科学院院报，2015，32(11)：87-92

[4] 王志远，潘 琳，沈 慧.水工建筑物异常工作性态实例解析[M].北京：中国水利水电出版社，2014.

[5] 顾冲时，吴中如.大坝与坝基安全监控理论和方法及其应用[M].南京：河海大学出版社，2006.

[6] 沈长松，吴中如.混凝土坝坝基扬压力统计模型的探讨[J].河海大学学报，1989,17(1)：109-116.

(编辑：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

陶丛丛(1985-)，女，山东淄博人，工程师，硕士，研究方向为大坝安全监测，(电话)15105193491(电子信箱)taocongcong@sgepri.sgcc.com.cn。

10.11988/ckyyb.20160461

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

TV642.3

：A

：1001-5485(2017)09-0070-04