某面板堆石坝蓄水期坝基渗流特性分析

2019-10-18武汉大学水利水电学院湖北武汉430072

水电与新能源 2019年9期

张成，牟猷(武汉大学水利水电学院，湖北武汉 430072)

在混凝土面板堆石坝的渗流监测中，坝基渗透压力是重点监测项目之一[1]。在大坝蓄水期，随着上游水位的升高，大坝坝基渗流的监测分析对于评价大坝的安全状态和坝基帷幕的防渗降压效果有着至关重要的作用[2]。

本文基于某面板堆石坝坝基渗流的监测资料，对蓄水期坝基渗流特性进行了定性和定量的分析，研究成果为该面板堆石坝进一步的水库蓄水提供了参考，研究方法及分析结论可为同类型大坝坝基渗流特性分析提供借鉴。

1 工程概况

某混凝土面板堆石坝位于湖北省竹山县境内的官渡河上，工程以发电为主，兼有库区航运及人畜饮水供应等综合效益。枢纽工程等别为Ⅱ等大(2)型，主要建筑物级别为1级。水库正常蓄水位520.00 m，设计洪水位521.85 m。大坝坝顶高程524.30 m，最大坝高158.3 m，于2012年4月下旬开始大坝堆石体填筑，2014年3月底大坝坝体填筑至大坝堆石体顶部高程520.40 m，并于2014-10-12日开始下闸蓄水，2015-04-24日上游水位达到最高水位502.55 m，至2015年12月底，上游水位约在491.50 m上下变化。

该面板堆石坝在坝基共布置了14支4500S-2型弦式渗压计，以监测坝基渗透压力。其中，在0+263 m断面布置了9支渗压计(P1～P9)，P1位于防渗帷幕前，P3位于坝基内，P2和P4～P9位于坝基面；在0+167 m断面布置了5支渗压计(P10～P14)，P10位于防渗帷幕前，P11～P14位于坝基面。图1为0+263 m断面坝基渗压计测点布置情况。

图1 0+263断面坝基渗压监测渗压计测点布置图

2 坝基渗流特性分析

截止2015年12月底，0+167监测断面P11～P14渗压计自埋设以来均无渗压表现；仅位于防渗帷幕前的P10渗压计存在渗压水位。这一方面说明大坝下闸蓄水对0+167监测断面坝基面渗流影响很小，另一方面也说明坝基防渗帷幕和上游面板的防渗效果较好。故本文只针对0+263监测断面的坝基渗流做重点分析。

2.1 变化规律分析

图2为0+263断面代表性测点P1～P4实测渗压水位与上游水位变化过程线图，结合图2分析可知：

图2 P1～P4渗压计实测渗压水位与上游水位变化过程线图

1)P1渗压计位于坝基防渗帷幕前，其实测成果主要反映上游水位变化情况，2014年3月以前，P1测点处基本无渗压或渗压值很小，2014-03-13日坝前反向排水管封堵以后，基坑水位升高，P1实测渗压值逐渐增大；2014年10月大坝下闸蓄水后，P1实测渗压值明显增大；此后实测渗压水位随上游水位升高而增大。P1渗压计实测渗压水位变化过程线与上游水位变化过程线基本重合。实测渗压水位特征值统计表明，P1渗压计实测最大渗压水位仅比相应的上游水位低3.287 m，最大渗压数位出现的时间与上游最高水位出现的时间很接近，仅相差1 d。

2)P2渗压计位于防渗帷幕后约10 m面板下部垫层所在坝基面处，2014年3月基坑反向排水管封堵以后，P2渗压计实测渗压水位逐渐升高，2014年3～6月实测渗压水位与基坑水位相近，2014年7月至下闸蓄水前，实测渗压水位低于基坑水位，约低10 m；2014年10月大坝下闸蓄水后，实测渗压水位明显升高，此后渗压值随上游水位上升逐渐增大，且表现为略有滞后；2015-05-16日，P2渗压计实测渗压水位达到最大渗压水位456.029 m，相应的上游水位为501.83 m，此时的渗压水头约为相应上游水头的66%，即防渗设施消减水头约34%，对上游水位有一定的降低，但降低程度有限，最大渗压水位出现的时间与上游最高水位出现的时间滞后约一个半月。

3)P3渗压计位于P2渗压计的下部基岩内，位于防渗帷幕下游，主要反映坝基基岩渗流状态。2014年3月坝前反向排水管封堵以后，P3渗压计实测渗压水位有所升高；2014年10月大坝下闸蓄水后，P3渗压计实测渗压水位进一步升高，但升高值不大；至2015-06-15日，P3渗压计实测渗压水位达到最大渗压水位405.025 m，相应的上游水位为500.75 m，此时的渗压水头约为相应上游水头的29%。P3渗压计实测渗压水位明显低于上游水位，也明显低于同部位坝基面上的P2渗压计实测渗压水位。

4)P4渗压计位于防渗帷幕后约40 m的坝基面处，2014-03-13日坝前反向排水管封堵之前，P4渗压计实测渗压值很小，渗压水位与坝基面接近；坝前反向排水管封堵后一个月左右的2014-04-21日，实测渗压水位由约366 m升高至约374 m，渗压水位上升约8 m；此后，实测渗压水位缓慢上升；至2015年4月底、5月初实测渗压水位存在一个向上升方向的约5 m的升高；此后渗压水位变化平稳。2014年10月大坝下闸蓄水，P4实测渗压水位至2015年4月底才出现实测渗压水位有较明显升高的状态，表明P4渗压计实测渗压水位对上游水位具有明显的滞后效应，滞后时间达半年；此外，2015年4月底P4渗压水位升高的幅度也不大，P4渗压水位变化与上游水位变化之间的相关性并不明显，因此，可以认为大坝下闸蓄水对P4渗压计处的渗压水位影响不大。

5)P5～P9渗压计分别位于防渗帷幕后约95、115、215、315、415 m的坝基面处，实测渗压水位变化过程相似；2015年4月以前，P5～P9渗压计无渗压表现，或实测渗压值很小；2015年4月～5月，P5～P9渗压计陆续表现出渗压，但实测渗压值及变幅均很小，大坝下闸蓄水对P5～P9渗压计处的渗压水位影响均不大。

综合来看，大坝下闸蓄水对P1、P2渗压计实测渗压水位影响较大，对P3、P4渗压计实测渗压水位有一定影响，对P5～P9渗压计实测渗压水位影响较小，即越往下游，上游水位对测点部位渗流的滞后效应越明显，符合面板堆石坝坝基面渗流沿程变化的一般规律[3]。

图3为0+263监测断面坝基面P1～P9渗压计蓄水期的实测渗压水位分布图，由图3可知，坝基面各渗压计实测渗压水位由上游向下游逐渐减小，防渗帷幕后的P2渗压计实测渗压水位较上游水位有所减小，防渗帷幕后约40m处的P4渗压计实测渗压水位较上游水位有明显降低，P4～P9渗压计实测渗压水位较为接近，差别不大。坝基面前高后低的渗压水位分布基本符合面板堆石坝坝基面渗透压力分布的一般规律；P1、P2、P4渗压计实测渗压水位分布线基本表现为直线，分布不够合理，表明P2渗压计处渗压水位较上游水位的降低程度有限。P4～P9渗压计实测渗压水位较低，且渗压水位数值较为接近，表明大坝蓄水对坝基面渗流状态的影响范围有限。

由各渗压计实测渗压水位可计算相应部位的渗透坡降[4]，计算结果表明，面板、防渗帷幕、坝基及坝基面部位实测渗透坡降均小于允许渗透坡降，不会发生渗透破坏。

图3 0+263断面坝基各渗压计实测渗压水位分布图(渗压水位单位：m)

2.2 统计模型

结合工程经验，通过对坝基渗流模型的上游水位因子、降雨因子、温度因子和失效因子进行综合分析，得出该面板堆石坝坝基渗流统计模型构成为：

显著性水平取a=0.05，引、剔因子的F统计量为3.0。在建模之前，先对测值的可靠性进行了分析和检验，并剔除了明显的粗差。选取0+263断面的P1～P4渗压计作为代表性测点，建模时段取为2013年1月～2015年12月。表1为坝基渗压计实测渗压水位统计模型拟合情况表，表2为统计模型各分量比重表。

表1 坝基渗压计实测渗压水位统计模型拟合情况表

表2 坝基渗压计实测渗压水位统计模型各分量比重表%

从建模结果分析来看：4个统计模型的复相关系数R均大于0.95，统计模型剩余标准差S与实测值变幅的比值η均小于5%，说明所建立的坝基各渗压计渗压水位统计模型质量良好，能反映测点处坝基渗压水位的实际变化情况。降雨和温度变化对各渗压计实测渗压水位的影响不大；P1渗压计上游水位分量为95%，占绝对的主导地位，P2渗压计上游水位分量为83%，说明上游水位是影响P1、P2渗压计实测渗压水位的主要因素，P3渗压计上游水位分量为42%，表明上游水位对坝基面以下的坝基渗流存在较明显的影响，上游水位对P4渗压计实测渗压水位影响不大。总体来看，从上游往下游，各渗压计上游水位分量逐渐减小；时效分量是影响P4渗压计实测渗压水位的主要因素，P1、P2渗压计实测渗压水位时效分量较小，从上游往下游，各渗压计时效分量逐渐增大，从时效分量变化过程线来看，各渗压计时效分量均已趋于稳定。

统计模型综合分析表明：该面板堆石坝坝基各渗压计统计模型所反映出的坝基渗压水位各分量比重符合测点所在部位的坝基渗流特点，变化规律基本符合面板堆石坝坝基渗流的一般规律，建模结果基本合理。

3 对P2渗压计实测渗压水位偏高的综合分析

P2渗压计位于防渗帷幕后约10 m处的坝基面，该渗压计实测渗压水位主要反映坝基防渗帷幕、面板及趾板的防渗效果。由2.1的分析可知，P2渗压计实测渗压水位与上游水位变化过程基本一致，与上游水位相关性较强；由坝基渗流分布图可以看出，防渗帷幕前的P1渗压计与防渗帷幕后的P2、P4渗压计实测渗压水位分布线基本表现为直线，说明P2渗压计处渗压水位较上游水位的降低程度有限；通过对P2渗压计统计模型建模结果可以看出，P2渗压计上游水位分量很大，为83%，说明上游水位对P2渗压计渗压水位影响很大。总体来看，P2渗压计实测渗压水位偏高，且分布也不够合理。

在排除了观测误差等主观因素的影响后，本文认为P2渗压计实测渗压水位偏高存在如下两种可能：①坝基防渗帷幕或混凝土面板中存在一定程度的薄弱或缺陷状况，同时坝基砾石层碾压不密实，存在渗流通道，渗流水沿渗流通道从坝脚或其他部位流走，因而P4～P9渗压计实测渗压水位并不高。这种情况对坝基渗流状态将产生较大的不利影响，一旦渗流通道扩展，有可能发生管涌等渗透破坏现象，危及坝基渗流安全。②坝基防渗帷幕或混凝土面板中存在局部薄弱或细微缺陷，因而P2渗压计实测渗压水位偏高，而其后的P4～P9渗压计实测渗压水位并不高。由于这种薄弱或缺陷仅为局部的和细微的情况，因此，虽然坝基防渗帷幕或面板的防渗效果低于设计预期，但不会对坝基渗流状态产生明显的不利影响。

结合0+167监测断面位于防渗帷幕后的P11～P14渗压计自埋设以来均未显示出渗压，且0+263断面各部位实测渗透坡降均小于允许渗透坡降的情况来看，本文认为以上分析的第二种可能性更高，即P2渗压计实测渗压水位偏高仅为局部现象，坝基防渗帷幕或混凝土面板中可能存在的缺陷仅为细微现象，并不代表坝基防渗帷幕或面板防渗效果存在明显的消弱，不会对坝基渗流安全产生明显的不利影响，坝基渗流处于可接受和可控的范围内。