陡河水库坝体浸润线观测资料计算分析

周金波

（河北省唐山市陡河水库事务中心，河北 唐山 063021）

渗流观测是土坝观测的关键， 根据坝体观测资料， 对震前坝体浸润线和震后坝体浸润线数据进行计算分析，对大坝坝体渗透稳定与安全做出评价，得出相应结论并提出建议，为水库安全运行、坝体安全稳定提供科学依据。

1 观测设备布设

陡河水库土坝为碾压均质坝， 筑坝材料为砂质黏土，最大坝高25 m，校核水位为44.3 m，相应库容为5.152 亿m3。坝基为第四纪地层，建在河床段和一级台地上，地面高程26～28 m，表层黏性土厚约7～10 m，渗透系数为1×10-5cm/s， 其下为砂层， 渗透系数为1.75～9.75×10-3cm/s， 主坝位于渗透系数相差很大的双层地基上。 陡河水库初建时， 分别在0+100、0+500、1+500 3 个剖面共安装10 根观测管， 其位置位于坝顶及上、下游坝坡上。1977 年震害修复工程中，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，同时保留原坝中管3 根为震后坝上管，共7 个断面。可分为3 部分：河床段（0+100、0+170）、一级阶地（0+500、0+900、1+300）、淤泥段（1+500、1+700）。 其中河床段220 m 范围内为坝脚堆石棱体排水，一级阶地由坝内暗管排水至排水沟。1988 年，在提高保坝标准工程中，将坝中测压管加长，保证震后资料的连续性，观测设施基本保持完好［1］。

2 大坝浸润线初步分析

陡河水库于1957 年7 月安设坝体浸润线管，经过40 多年观测，1957—1976 年之间的观测资料具有连续性；1977 年7 月至今，坝体浸润线观测资料具有连续性。因此本次分析可分为震前和震后两部分。

2.1 震前坝体浸润线分析

陡河水库1958 年正式蓄水，从历年的观测资料整理分析:1959 年汛期水位为最高34.33 m， 最低库水位为27.73 m，坝体浸润线在形成前期最能反映坝体的运行情况， 而1959 年坝体未完全形成浸润线。所以从1960 年以后开始分析。

2.1.1 0+100、0+500、1+500 浸润线水位数据分析

通过震前0+100、0+500、1+500 坝体测压管水位逐年变化数据如表1，可知1970—1976 年的测压管运行正常，坝上浸润线管水位最高，坝中其次，坝下最低。 其中0+100 断面长期低于库水位很多， 说明0+100 断面所处的河床断坝体排水能力比较强。但从总体趋势来看，3 个测压管水位有升高趋势。0+500 断面管水位有一种反常现象，即坝上、坝中测压管高于库水位， 这种现象不符合渗流规律。 分析原因，可能是测压管堵塞或降雨影响。1+500 断面浸润线管水位从总体趋势来看，管水位运行正常，由于管水位与库水位有较长的滞后时间， 随着时间推移3个测压管水位有升高趋势。

表1 震前0+100、0+500、1+500断面测压管水位逐年变化单位：m

2.1.2 实测与设计浸润线计算

陡河水库土坝河床段坝体浸润线设计值按 《苏联水工建筑物渗透计算》中的近似公式进行计算，建立X、Y 轴坐标系， 浸润线可通过将x、y 值代入浸润线方程。坝体渗透系数k=3.32×10-7cm/s，即河床段按透水地基计算， 计算条件是坝体渗透系数较坝基渗透系数小得多，即：坝基透水性大于坝体，其计算公式为：

式中 Y 为浸润线方程将坐标x 点代入后的值（m）；x 为浸润线方程的x 取值（m）；H 为当日库水位与该断面下当日实测管水位的差值（m）；L 为浸润线交上游坝坡交点垂线至交下游坡脚处的水平距离（m）［2］。

台地段坝体浸润线设计值， 近似地取其为裘皮幼抛物线，按不透水地基考虑，计算公式为：

式中 L 为浸润线交上游坝坡交点垂线至交下游坡脚处的水平距离（m）；L′为L 和单位宽度渗径长度之和，即浸润线产生的总的渗径长度(m)；H′为假设的深度即浸润线方程在Y 轴上的截距(m)。qr为坝中化引单位宽度渗透流量 （m3/s·m）；H 为当日库水位与该断面下当日实测管水位的差值（m）；f1与f2是上游边坡系数m 的函数，由关系曲线可查得；f1为上游边坡系数，f2为下游边坡系数。均质土石坝不透水地基堆石棱体排水情况为例,建立坐标系，经化简得浸润线方程为：

式中 A、B是常数，A不等于0， 当x=L'，y=0时，B=H'2，Ax=-B，A=代入后得出A值和B值。其余变量含义同上。

2.1.3 0 +100、0 +500、1+500 断面坝体浸润线计算

自水库运用以来，1959 年库水位为最高34.33 m，但未完全形成浸润线，1962 年以后坝体已完全形成浸润线，且1962 年库水位长期处于32 m 左右， 对浸润线形成有很大好处，为了真实比较实测值与设计值。 选取1962 年1 月17 日水位31.88 m 为计算水位，对0+100、0+500、1+500 3 个断面进行计算如表2。

表2 0+100、0+500、1+500断面坝体浸润线计算（震前） 单位：m

2.1.3.1 库水位与管水位的滞后时间分析

陡河水库是碾压式均匀土坝， 从多年库水位随管水位运行变化来看， 管水位相对于库水位具有相当长的滞后性，很难判断出具体的滞后时间，且坝体的测压管受埋设等多方面因素的影响。 所谓的滞后时间，是一个时间范围，不是一个固定值，同一水位不同的断面有不同的滞后时间。

现对库水位与管水位滞后时间分析如下： 取台地段不透水地基， 计算公式化引单位流量qr值进行计算。该计算公式适应陡河水库坝体渗流特性，化引单位流量qr值与渗透系数k有密切关系，可假设它们之间有一定线性关系， 即渗透系数k越大，单位流量qr值越大，渗透系数k越小，单位流量qr值越小。 计算公式如下：

式中 v为流速(m3/s) ；Q为流量 （m3）；A为断面面积（m2）；l为渗径长度(m)；t为渗流时间。

可做如下假设： 浸润线是渗流线中最高的一根线，假设Q=qr，A为与qr值相对应的一个单位，那么v=qr，渗流时间近似为t=，所以根据上述渗流时间公式可估算滞后时间。 0+500断面在库水位为31.88m 时坝上测压管的滞后时间t=260d； 坝中测压管:t=536d；坝下测压管:t=935d。 1+500断面在库水位为31.88m 时坝上测压管:t=238d； 坝中测压管:t=492d；坝下测压管:t=492d［3］。

2.1.3.2 河床段设计与实测浸润线比较分析

该断面测压管自1958 年正式安装，其后经历了1959—1960 年持续高水位(32～34 m)，但0+100 坝上实测浸润线值比计算值低4.65 m， 说明坝体内还未形成稳定渗流。 原因分析， 坝基表层为3 m 的砾石砂，透水性良好，下游设反滤坝址排水，因此坝体周围的排水能力较强，而上游又做有截水槽，截断坝基中渗流，渗入坝体的少量渗流水很快被排走， 因此，所观测到的测压管水位很低，甚至无水。河床段浸润线低于设计值很多， 在平常观测中，看到渗出的水清晰，对土坝稳定有利。在该段土坝上游做的黏土铺盖和截水槽效果较显著。 土坝浸润线位置低于设计值或远远低于设计值对下游坝坡稳定有利。 但由于坝体渗透性极弱。当水库水位降低时，管水位迟迟不能回落，对上游坝坡不利。如1961 年7 月管水位较库水位高出1.6 m 左右，设计会按最不利骤降情况分析。由于浸润线形成有较长的滞后时间，故短历时的洪水位不会形成高的浸润线， 所以不必考虑设计洪水位下的浸润线。

2.1.3.3 一级阶地段设计与实测浸润线比较分析

一级阶地段共计算0+500、1+500 两个断面的浸润线值， 从两断面测压管水位实测值与设计值比较来看基本相符， 实际值仍低于设计值0.5 m 左右。只有0+500 断面坝下管水位相差较大为2.98 m, 该值有观测误差和降雨影响。一级阶地段坝基有8～10 m的不透水层，这些与计算条件相吻合，所以设计和实测浸润线较为接近。

经过对河床段和一级阶地浸润线计算， 分析测压管管水位受降雨影响严重； 测压管管水位和下游水位有着密切关系， 下游水位的高低直接影响着测压管的水位。通过分析可知，所假设的滞后时间计算公式基本符合要求，实测值与计算值相差不多。

2.2 震后浸润线数据分析

2.2.1 浸润线管水位数据分析

通过震后0+100、0+500、1+500 坝体测压管水位逐年变化数据如表3，通过表3 分析：出现几种完全不可信的结果，0+100 断面坝中测压管水位从1981年开始长期高于库水位；0+500 断面坝中测压管水位从1979 年开始长期高于库水位，0+500 断面坝上测压管水位长期高于库水位；1+500 断面坝上、坝中浸润线管水位长期高于库水位， 坝中浸润线管水位高于库水位最大差值7.4 m，坝下浸润线管水位处于高水位运行。按照坝基是透水地基的特征，坝中测压管水位应明显低于库水位，坝下应该低于库水位，但实际情况不符合一般渗流规律。

表3 震后0+100、0+500、1+500断面坝体测压管水位逐年变化单位：m

2.2.2 实测与设计浸润线计算（震后）

大坝经震后修复后，查阅整编资料，选用1991 年12 月31 日观测资料为计算第一手资料。选该年为计算年是因为该年平均水位32.47 m 左右波动，且汛期没有太大水位变化。选此日基本无雨水影响，对形成浸润线有利， 理论上对浸润线计算应符合要求。0+100、0+500、1+500 断面坝体浸润线计算结果如表4。

表4 0+100、0+500、1+500断面坝体浸润线计算（震后） 单位：m

3 个断面浸润线理论值低于实测值，各断面坝中浸润线值比计算值大很多，甚至超过库水位值。这说明坝体浸润线不能反映坝体的正常运行，理论上测压管水位值逐渐降低，不会出现类似现象，分析原因：测压管堵死，不受库水位影响，长期管中存水，管中水只会沿水平方向缓慢流动，且受坝面积水或降雨影响严重。 可能安装测压管时周围土层或管周围不密实，有漏水现象。即坝体测压管不能反映大坝的正常运行。

2.3 对震前和震后浸润线分析的总结

陡河水库运行66 年来， 主要可分为震前和震后两大阶段， 从以上分析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，在浸润线图和各坝段浸润线历时曲线上分析都与库水位关系紧密， 能比较真实地反映大坝主体的渗流情况。震后大坝的浸润线有所变动，虽然各断面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。为确保大坝安全运行，能够经受大水的考验，实时监测坝体渗流状况，2005 年安设大坝安全监测系统。2023 年对大坝安全监测设施进行了改造，对堵塞、异常的测压管在同位置处增设新孔实时监测。 现在仅有少数测压管水位高于库水位，测压管异常情况得到较大改善［4］。

3 坝体测压管水位异常试验分析

3.1 现象描述

陡河水库自从安设坝体测压管以来， 通过进行观测资料整理得：震前测压管运行正常；震后测压管运行异常。从震后至今，坝上、坝中测压管长期高于库水位，坝下测压管基本在某一数值范围内波动，与库水位变化无关，例如：1+500 断面坝上测压管水位基本在33.0 m 左右波动， 坝中测压管水位长期在36.0 m 左右波动， 坝下测压管水位长期在32.0 m 左右波动。

3.2 实验目的

为了更准确、 完整地分析测压管长期高于库水位的原因，进行抽水实验，把测压管中水抽出，观察水位变化。 如果管水位保持抽水后的水位或管水位上升缓慢不变，证明测压管进水堵塞；如果水位变化较快，证明测压管通畅。实验说明，测压管中进水管通畅，排水堵塞，测压管周围坝体内的空隙水阻碍管水位的排出。 雨水对测压管水位的变化影响严重。

4 安全评价与建议

（1）震前坝体渗流基本符合均质土石坝的渗流规律，实测浸润线与理论浸润线值基本相符。陡河水库自建成至今，在33.43 m 高水位考验下大坝无异常现象，证明大坝坝体运行良好。

（2）震前坝体渗流基本符合均质土石坝的渗流规律，实测浸润线与理论浸润线值基本相符，震后坝体渗流出现异常现象，管水位长期高于库水位，违背渗流规律，由于浸润线长期处于高水位对坝体不利，建议按要求进行大坝结构安全稳定复核， 确保大坝在高水位情况下安全运行［5］。

（3）现坝体管水位与库水位的滞后时间不明显，应进行抽水或充水实验来验证， 并采取有效措施进行解决。

（4）由于大坝是砂性黏土均质坝，坝体渗透系数过小，相对较稳定，但该坝未经大洪水考验，应时刻注意运行情况，防范于未然；建议对大坝运行加强监控，建立大坝观测自动化监测系统，对大坝测压管观测资料做准确分析。