黏土坝测压管水位异常原因分析

杨秀海

(安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230022)

利用测压管监测坝身浸润线一直是土石坝工程的常用方法，浸润线形态的变化，对分析土石坝的渗流状态及评价大坝稳定性具有非常重要的意义[1-2]。然而现有规范[3]对测压管安装埋设相关规定过于笼统，且未根据不同岩土层情况对测压管进水段长度进行强制性规定，现状测压管埋设处于无可靠操作规程、进水段长度布置很随意的状态。通过对我国各地区坝身测压管现状质量进行调查，统计分析发现砂砾石坝及混凝土坝测压管很少出现水位异常问题，而对黏性土坝测压管水位异常问题却很突出。

针对黏性土坝测压管水位异常问题，本文以合肥市董铺水库均质黏土坝为例，对几根常年水位异常测压管进行现场调查研究、理论分析总结，并针对性地采取了相关修复措施，最终消除了水位异常现象。实践证明本文所用方法避免了按规程规范采用风干膨胀土黏土球回填不密实导致的一系列后期数据失真问题，大幅度提高了黏性土坝测压管监测数据的可靠性，实现规范化埋设黏土坝测压管。

1 工程概况及测压管埋设情况

董铺水库位于合肥市西北近郊，距市中心仅7km，巢湖支流南淝河上游，大坝坐落在二环路旁，是一座以防洪和城市供水为主、兼顾生态补水及养殖功能的年调节水库。水库坝址以上集水面积207.2km2，总库容2.42亿m3，属大(2)型水库。水库枢纽由大坝、泄洪涵洞、溢洪道和连通输水隧洞等组成，大坝为碾压式均质黏土坝，坝长2876m，坝顶高程35.8m。

董铺水库现有测压管20根，分布在5个断面上，每断面4根，分别分布于大坝桩号0+740、0+940、1+130、1+300、1+380处，其中迎水坡1根(高程34.60m处)，背水坡3根(高程33.00、27.40、22.40m处各1根)。20根测压管中094-2、113-1、113-3、130-1、138-1和138-2号管由于年久失修淤实，观测水位常年高于库水位，2020年在其附近埋设有新管，编号为“新*”，新埋测压管和老管水平距离不超过2.0m，经比测后将原测压管弃测。

2 坝身测压管2020年情况调查及评价

20根在用测压管历经数次埋设、修复、校测，现运行状态不佳，为保证给大坝安全运行提供准确的地下水位观测数据，需对坝身埋设的各测压管运行情况进行评价，测压管评价标准应符合下列规定[4]：

(1)测压管现场检查及灵敏度全部合格，评价为可靠。

(2)测压管灵敏度不合格，评价为不可靠。

(3)其他情形，评价为基本可靠。

在水库蓄水及运行过程中上下游水位经常变化，渗流场中各点渗流水头(润线)高度也会变化。在渗透过程中，渗透水克服土颗粒之间的阻力，从上游渗透到测压管位置需要一定时间，故测压管水位还与前期库水位有关。随着时间的延长，土体固结以及上游坝前淤积都会影响渗流状态。有时由于坝面的原因，降雨会直接渗流到测压管中，这样会影响测压管水位。所以影响测压管水位的主要因素为：水库水位分量hH，降雨分量hR及时效分量ht，测压管水位h可表示为：h=hH+hR+ht。测压管水位主要受降雨、上游库水位及时间影响[5]，下面根据这3个要素作出138断面2017—2020年期间水位过程线如图1所示。

图1 坝身138断面测压管水位过程线

根据SL 551—2012《土石坝安全监测技术规范》的评价标准，董铺水库现状测压管存在的问题主要为：水泥保护罩损毁排水不畅(094-2、113-1、113-3、130-1、138-1、138-2)，水位过程线受降雨影响显著(074-4、094-2、113-2、113-3、130-3、138-2、138-3)，水位长期高于库水位(138-1、138-2)。除138断面存在水位数据异常不可靠的测压管外，其余断面数据可靠或基本可靠。下面以138断面上的4根测压管为例，分别从现状调查及评价、水位过程线和灵敏度测试3个方面对其工作运行状态进行评价，具体见表1。

表1 坝身138断面测压管工作运行状态评价

3 坝身138断面水位异常原因分析

根据前述138断面测压管水位过程线形态可发现如下规律：

(1)测压管水位总体上受库水位影响，并有一定的滞后性。

(2)在长时间不降雨或降雨量较少的时期，各测压管水位会出现与库水位不相协调的缓慢回落。

(3)138-1测压管水位一直高于库水位(统计期间内高于库水位0.18～6.32m，平均值高达2.21m)，与理论值不符。138-1测压管水位偏高原因可能是测压管进水段长度过长且上部膨胀土黏土球止水失效所致。

(4)138-2测压管水位异常上涨过程略滞后降雨时间，降雨过后会异常降落消散，且降落幅度小于上涨幅度，降落时间大于上涨时间。138-2测压管水位偏高部分的原因可能受降雨入渗影响。根据现场勘探，董铺水库大坝迎水侧及背水侧坡面分布有1.0～2.5m左右厚的松散层，该层相对下部碾压密实的坝身土为松散含水层，在降雨量充足时能达到饱和状态，存储较多的上部滞水。各测压管存在受该含水层补给的可能，由于测压管内径只有5cm，少量的渗水就可能导致测压管内出现较高的水位，从而导致测压管水位长期偏高。具体原因可能是该测压管施钻埋设时周边回填的膨胀土黏土球止水失效，从而形成连接上层滞水与测压管下部透水管的渗流通道。

(5)138-3测压管水位变化基本正常，受降雨影响权重相对较大，可能是由于进水段上部膨胀土黏土球回填质量较差所致。

(6)138-4测压管水位变化基本正常。

4 异常测压管的处理

针对以上原因分析，2020年7月份对138-1、138-2两根测压管按SL 551—2012附录D要求进行了重新埋设，具体测压管结构设计保持原结构不变。测压管采用内径50mm的镀锌钢管，其中进水段采用花管，其余段为实管。测压管外部进水段滤料超过花管段顶高程不小于0.5m，滤料上部分层填捣膨胀土黏土球。

借助有限元等数值模拟技术，采用统一考虑饱和-非饱和渗流的方法来研究工程渗流问题[6-9]是工程中常用的方法。本次利用有限元分析软件GiD/Code Bright，进行董铺水库大坝工程特有地质条件下土石坝的三维全尺寸渗流分析[10]，模型采用四面体单元划分，划分网格后，三维有限元共有节点84250个，单元430979个。数值模拟结果与实测浸润线比较如图2所示。

图2 董铺水库大坝138断面浸润线

由图2得出以下结论：新138-1、新138-2测压管水位仍较库水位偏高，实测浸润线均高于理论计算浸润线，与浸润线一般规律不相符，表明测压管水位仍存在异常。

经现场探井开挖调查，结合测压管埋设结构图综合分析推测其水位异常的原因可能是由于原测压管进水段滤料设计过长，超过理论浸润线过多，导致超过浸润线以上部位的坝体非饱和区滞水层渗入测压管进水段所致。建议测压管进水段顶高程可取水库正常蓄水位对应的三维渗流计算所得理论浸润线位置(底高程可取坝上水库死水位对应的三维渗流计算所得理论浸润线位置以下1.0m)。为进一步验证该观点，在现场采取管口开挖0.5m操作平台，利用洛阳铲沿测压管壁掏钻至理论浸润线部位(图3)，然后回填水泥土与环氧树脂混合物，利用自制月牙型夯板分层夯实，经过以上修复后各测压管水位与理论浸润线基本一致。采用该法止水效果好，现场施工方便，能有效解决SL 551—2012中规定采用直径5～10mm的不同粒径组成的风干膨胀土黏土球封孔后出现的后期回填质量问题。

图3 利用洛阳铲对异常测压管进行掏钻修复

5 结语

我国黏性土大坝数量众多，且多数为建国后所建，受制于当时的经济发展状况，大部分填筑质量较差或经过多次除险加固，对这类大坝布置测压管实时监测坝身浸润线，提高评价坝身质量及除险加固效果是必要的。由于黏土坝测压管的埋设质量较难把握，相关规程规范对此亦鲜有介绍，导致现状黏土坝测压管存在较大的埋设质量问题，总结如下：

(1)测压管水位过程线长期偏高，其原因主要为滤料段设计过长，其次为滤料段上部膨胀土黏土球回填质量相对坝身质量较差，测压管内水位并非全由上游库水入渗形成。

(2)针对黏土坝测压管滤料段长度需通过三维渗流计算所得理论浸润线位置来最终确定，建议滤料段底高程应低于水库死水位对应的三维渗流计算所得理论浸润线位置1.0m，顶高程不高于水库正常蓄水位对应的三维渗流计算所得理论浸润线位置0.5m，避免因滤料段随意布置，导致上部滞水对测压管水位的不确定性影响，更加符合坝身实际运行情况。

(3)黏土坝测压管若因滤料段过长导致管内水位长期偏高，可采用洛阳铲掏钻后分层回填夯实水泥土与环氧树脂混合物，该方法操作简单，行之有效。

本文指出SL 551—2012“采用风干膨胀土黏土球回填”“对进水段长度不作要求”的不足，为黏土坝测压管规范化埋设提供一种新思路，丰富细化了相关内容。