岱山水库大坝测压管观测数据分析研究

2020-08-14刘欣桐王智超

陕西水利 2020年7期

刘欣桐，孙砚，王智超

（安徽水安建设集团股份有限公司综合设计院，安徽合肥 230009）

大坝的渗流安全问题，在大坝的整体安全中占有重要地位。据国内外大坝失事原因的调查统计，因渗流问题而失事的比例高达30%～40%。对土石坝而言，渗透水流除浸湿土体降低其强度指标外，当渗透力达到一定程度时将导致坝坡滑动、防渗体被击穿、坝基管涌、流土等重大渗流事故，直接影响大坝的运行安全[1]。大坝原型监测是掌握大坝的运行状态、保证大坝安全运行的重要措施，也是检验设计成果、监察施工质量和认识大坝的各种物理量变化规律的有效手段[2]。因此，对水库测验管观测数据的分析研究，对判断大坝的运行状态有着重要的意义。

1 工程概况

岱山水库位于安徽省定远县池河镇七里河村境内，属淮河流域池河水系七里河支流。该水库是一座集供水、防洪、灌溉、水产养殖为一体的综合利用的中型水库，集雨面积68.00 km2，总库容为3210万m3，正常蓄水位50.40 m，水库按50年一遇洪水设计，设计水位为51.85 m，1000年一遇洪水校核，校核水位为52.59 m。岱山水库大坝为塑性混凝土心墙坝，坝体填土以重粉质壤土为主，局部夹有风化残骸，粘粒含量少，坝体填筑土部分比较松散，碾压效果较差，透水性强。特别是在分期筑坝时各层填土交界面处，施工层面处理不良，各层填土胶结处渗透系数偏大。坝顶高程53.76 m，坝顶宽度5.50 m，大坝坝顶全长826.00 m，最大坝高23.70 m。岱山水库始建于1957年，1958年7月基本完工并发挥效益，至现状规模共历四期施工，2010年进行了水库除险加固工程，采用塑性混凝土进行全坝段防渗，防渗墙顶高程53.20 m，防渗长度为756 m，墙体厚0.4 m，墙体最大深度为24.70 m，底部深入基岩1.00 m。

根据水库运行资料，溢洪道（桩号0+430～0+499.5）南侧坝体自2012年起有严重的集中渗漏现象发生，且逐年增大。自2010年起，北放水涵（桩号0+200）南侧背水坡抗震平台高水位时有大面积潮湿、散浸。

2 观测设施布置及水位数据采集

现有大坝测压管为2010年除险加固工程中完善的监测设施，在迎水坡、背水坡埋设5排29根测压管，其中坝身测压管13根，坝基测压管16根。渗流观测数据为人工方式采集，降雨量及上游水位观测数据采用坝址处观测站自动监测。

3 测压管观测资料整理分析

结合水库运行情况，本次选取发生渗流异常断面的测压管数据进行整理分析，分别为北放水涵南侧测压管断面0+200、溢洪道南侧测压管断面0+521，分析时间序列为除险加固后2012年1月～2019年1月。数据收集过程中由于设备故障等原因发生漏测或数值异常等现象，在统计分析前剔除异常数据，并用插值法补全缺失值，形成完整的长序列观测数据。

3.1 测压管水位与库水位相关分析

通过对测压管观测数据建立数学模型，定性分析库水位对测压管水位的影响，本文考虑到降雨等地表水对深埋的坝基测压管水位影响不大，选取坝基测压管与库水位进行相关分析。选取除险加固后2012年1月～2019年1月的库水位和相应各断面坝基测压管水位，建立一元线性回归的数学模型，计算相关系数。

表1 坝基测压管水位与库水位相关分析成果表

通过各测压管测值与库水位的相关性分析表明，混凝土防渗墙前测点相关系数大于墙后测点，越往下游，相关系数越小，即相关性越低，符合大坝渗流基本规律。

在大坝工程中，根据数据样本和一元线性回归方程，认定相关系数0.8以上，可以认为相关性较好；0.4＜相关系数＜0.8，为弱相关；0.4以下则不相关[3]。从表1成果可知，坝基测压管除了I-1'测压管位弱相关，其余断面测压管均为不相关。根据岱山水库勘察资料，坝基为花岗岩，相对坝体为相对不透水层，坝基测压管与库水位相关性差，说明坝基整体无裂隙。

3.2 测压管水位过程分析

0+200测压管断面位于北放水涵南侧，I-1'、I-2'测压管位于防渗墙前后，防渗墙有效削减水头4.13 m（约25%），防渗效果一般。I-1'测压管水位长年逼近库水位，近两年来测压管水位低于库水位仅1.34 m，结合地质勘探成果，坝体填土填筑不密实，坝体与坝基结合部位施工处理较差，导致防渗墙前测压管水位长期居高，抬高了出溢高程，与大坝运行中北涵南侧抗震平台大面积潮湿、散浸现象相吻合。I-2'、I-3'测压管水位过程线基本重合，根据测点平面布置，I-3'测点位于北放水涵出口上游侧且未设反滤排水，测值合理可信。

图1 0+200测压管断面水位过程线

0+521测压管断面位于正常溢洪道南侧，根据现场调查，溢洪道南侧坝体库水位高于49.00 m时有严重的集中渗漏现象，从2012年至今每年渗漏量逐年增大。根据除险加固情况，渗漏段防渗体为溢洪道原有浆砌石刺墙加高段。根据测压管平面布置，Ⅳ-1'测压管位于防渗墙体后，而实测测压管水位常年接近于库水位，近两年来测压管水位低于库水位仅0.73 m，判断此处防渗体破坏，加上坝前断面薄弱，导致测压管测值较高。Ⅳ-2'测压管测值历年来较为稳定，2018年11月开始测值下降3.5 m，此测点北侧20 m有集中渗漏点，判断受发展性集中渗漏影响，测压管水位急剧下降并保持短时间内稳定。

图2 0+521测压管断面水位过程线

3.3 比降分析法

比降分析法就是计算出某一断面测压管之间的水力坡降i，如果i小于临界水力坡降ier，这认为该断面渗透处于稳定状态。如果大于临界水力坡降ier，则需要进一步论证分析[4]。水力坡降计算公式为，根据该公式，按2018年4月10日测压管数据分别计算坝基及坝体水力坡降（库水位50.41 m），见表2。

表2 坝基测压管观测数据水力坡降计算值

根据地勘成果，测压管所在重粉质壤土层临界水力比降均为0.95，允许比降为0.47，塑性混凝土心墙前后断面允许比降60。根据表2水力坡降计算结果，测压管断面间水力坡降计算值均小于土体和防渗体的允许比降。

4 测压管观测资料分析

（1）通过测验管水位相关分析与回归分析得知，测压管数据与库水位的相关系数整体符合大坝渗流基本规律，测值准确可信。坝基为相对不透水层，坝基测压管与库水位相关性很差，说明坝基整体无裂隙，不存在坝基渗漏安全隐患。

（2）通过作图法对渗漏断面附近测压管2012年1月～2019年1月水位过程进行分析，0+200北放水涵南侧坝体防渗墙上游侧测压管水位长年逼近库水位，结合地勘成果：坝体土填筑不密实、坝体与坝基结合部位施工处理较差，导致高水位出逸；根据0+521测压管数据分析，防渗墙后测压管水位常年接近于库水位，结合运行中正常溢洪道南侧存在的发展性集中渗漏，判断为防渗体破坏，加之此处坝身断面单薄，导致在库水位高于49.00时就有严重的集中渗漏现象发生，且集中渗漏影响范围在坝体内有扩大。