周金波

（唐山市陡河水庫管理處，河北唐山063021）

陡河水庫主壩滲流觀測分析

周金波

（唐山市陡河水庫管理處，河北唐山063021）

滲流觀測是土壩觀測的關(guān)鍵，根據(jù)壩體和壩基測壓管觀測資料，分析了陡河水庫主壩滲流的現(xiàn)狀及其對主壩滲透穩(wěn)定的不利影響，對大壩壩體及壩基滲透穩(wěn)定與安全作出評價，得出結(jié)論并提出建議，為水庫的安全運行提供科學依據(jù)。

庫水位；測壓管水位；壩體；壩基；滲流穩(wěn)定分析

1 工程概況

陡河水庫位于唐山市東北15 km的陡河上，是一座以防洪為主兼供唐山市生活用水及下游工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水等綜合利用的大型水利樞紐工程。

水庫于1956年建成，經(jīng)過1970年擴建、1977年震后修復(fù)及1988年提高保壩標準工程（即加固工程）建設(shè)，目前大壩全長7 364 m，其中主壩長1 700 m、位于河床及1級臺地上，副壩位于2級臺地上、長5 664 m，最大壩高25 m?？刂屏饔蛎娣e530 km2，總庫容5.152億m3，正常蓄水位34.00 m，相應(yīng)庫容0.684億m3。

主壩左壩頭與鳳山相接處為泥質(zhì)灰?guī)r，山坡腳為砂壤土夾有石塊，厚約14 m。河床兩側(cè)灘地為細砂與砂壤土互層，厚約2～3 m，性質(zhì)松軟。河床表層3～4 m為中砂及粗砂，其中含石灰石碎石并夾有土層。其下為砂壤土、壤土、黃土狀壤土，還有中細砂層。1級臺地緊接河漫灘，地形平緩，右岸寬達1 600 m，與2級臺地以緩坡相接，一般地面高程26～27 m，高出河床6～7 m，表層為厚約8～10 m的黏土層，夾有1.0～1.5 m中細砂透鏡體。土層以下為厚度約20 m的中細砂層。2級臺地地形平坦，高程為32～46 m，多被沖溝切割，表層為2～3 m重壤土，下為4～7 m的中細砂或砂壤土互層，土壤物理力學性質(zhì)較好。主壩壩基主要利用7～11 m的天然黏土鋪蓋層作為水平鋪蓋進行防滲，河床段有人工鋪蓋及截水槽。

2 觀測設(shè)備布設(shè)

2.1 壩體測壓管布設(shè)

陡河水庫初建時，分別在樁號0+100、0+500、1+ 500三個剖面共安裝了10根觀測管，其位置位于壩頂及上、下游壩坡上。1977年震后修復(fù)及加固工程中，將32.0 m以上壩體削除掉，并且壩軸線向下游移動16 m，然后重新筑壩。壩體測壓管進行重新布設(shè)，同時保留了完好的原壩中管3根為震后壩上管，共7個斷面，可分為三部分：河床段（樁號0+100、0+ 170），1級階地（樁號0+500、0+900、1+300），淤泥段（樁號1+500、1+700）。

2.2 壩基測壓管布設(shè)

震后修復(fù)工程中，為了周密監(jiān)視壩基滲流情況，在主壩安設(shè)了28根觀測管，共5個斷面，分別為樁號0+350、0+720、1+120、1+400、1+570。陡河水庫大壩滲流觀測設(shè)施平面布置，如圖1所示。

3 觀測資料選取

從40多年的觀測資料中，選取所需資料時考慮的因素有：①選取高水位時的測壓管水位資料；②選取庫水位持續(xù)時間較長的測壓管水位資料；③排除降雨、冰凍、澆地等有外界干擾的測壓管水位資料。

4 壩體滲流分析

4.1 壩體測壓管滯后時間分析

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，震前壩體測壓管水位隨庫水位的變化而變化，同時部分測壓管受降雨的影響較突出。如，樁號1+500剖面1+500上、中隨庫水位的升降而變化，滯后時間30、60 d左右；1+500下受降雨的干擾滯后時間較長，約6個月。個別地方出現(xiàn)測壓管水位高于庫水位的情況。1977年遭地震破壞后，壩體開挖，增大斷面，重新填筑。震后的壩體測壓管水位異常，一方面，隨庫水位的變化，由于壩體滲透性較小，再加上多年的固結(jié)，滯后時間較長，測壓管水位長期高于庫水位現(xiàn)象較為顯著，1級臺地尤為明顯；另一方面，在庫水作用的同時，受汛期降雨的影響，測壓管水位升高，如1981年底樁號0+100中高出同期庫水位4.28 m、0+500上高出庫水位5.23 m、1+500中高出7.44 m。但目前看來，測壓管水位變化幅度較小，非汛期基本維持在一個較穩(wěn)定的水位。壩體測壓管非汛期穩(wěn)定水位，見表1。

圖1 陡河水庫大壩滲流觀測設(shè)施平面布置

表1 壩體測壓管非汛期穩(wěn)定水位

4.2 壩體浸潤線分析

陡河水庫運行46年來，主要分為震前和震后兩個階段。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，壩體浸潤線在震前運行良好，能正確反映大壩的滲流，只是受降雨影響嚴重，與庫水位關(guān)系緊密，能比較真實地反映大壩主體的滲流情況；震后大壩的浸潤線受降雨影響減小，但各斷面浸潤線不能正確反映壩體的滲流規(guī)律，測壓管水位值不隨庫水位變化而變化，并且長期處于高水位運行，違背滲流規(guī)律。

5 壩基滲流分析

5.1 壩基測壓管滯后時間分析

壩基測壓管滯后時間估算，基本沿用庫水位過程線和測壓管水位過程線峰谷值的時差來統(tǒng)計。從統(tǒng)計結(jié)果來看，測壓管水位與庫水位滯后時間很短，這里應(yīng)指出的是測壓管水位觀測是每5 d一次，因壩基測壓管反應(yīng)靈敏，有時庫水位的峰谷值可能錯過。通過多年觀測資料的詳細統(tǒng)計分析，認為：壩基測壓管水位基本上與庫水位同步的原因，一是盡管壩前有較長的天然鋪蓋，但仍不可能像垂直防滲那樣截斷水流，滲流仍然比較通暢；二是天然鋪蓋的黏土層有存在裂隙、夾砂層的可能。另外，靠近2級臺地遠離壩軸線的測壓管水位由于受2級臺地潛水的影響，當庫水位上升時，有超過庫水位的趨勢。

5.2 特定庫水位的測壓管水位過程線

自震后安設(shè)壩基測壓管以來，除1977—1978年間庫水位達到興利水位34 m外，其他年份一直在汛限水位32 m左右運行，水庫一直未經(jīng)高水位考驗。選取32.0 m作為特征水位，繪制壩基測壓管水位過程曲線，如圖2所示。特征水位線表明，除個別年份有局部升高，過程線基本為一水平且有降低的直線。同一庫水位下測壓管水位變化不大，樁號1+120剖面J1、J2、J3與初期相比，分別下降0.9%、1.0%、2.9%。這一趨勢表明，壩基經(jīng)過多年的運行，滲流已趨基本穩(wěn)定。

圖2 特定水位下測壓管水位過程線

5.3 壩基測壓管水位與庫水位相關(guān)關(guān)系分析

選取高水位且持續(xù)時間較長、并且有一定時間間隔的資料，用回歸分析法分別求出1979、1987、1995年3年的庫水位與樁號0+350剖面J1測壓管水位的回歸方程，繪出相關(guān)線圖，如圖3所示。經(jīng)分析，得出以下結(jié)論。

圖3 樁號0+350 J1測壓管水位與庫水位相關(guān)關(guān)系

（1）庫水位與壩基測壓管水位呈線性關(guān)系，在а= 0.01水平下顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)多在0.8以上。

（2）前4年的相關(guān)線逐年向左移動，說明滲流穩(wěn)定愈來愈好；但1995年相關(guān)線庫水位約在32.5 m及以上時測壓管水位較其他年份有升高的趨勢。

5.4 壩基滲透坡降穩(wěn)定性核算

通過相關(guān)分析成果預(yù)測在設(shè)計洪水位40.3 m、校核洪水位43.4 m情形時的壩基水平滲透坡降及出逸坡降，排水溝處計算出逸坡降的參數(shù)采用J2測壓管處的數(shù)值。計算成果，見表2。從表2可以看出，壩基水平滲透坡降遠遠小于允許值0.1～0.15，壩基內(nèi)部沒有產(chǎn)生管涌的可能，而最大出逸坡降出現(xiàn)在排水溝縱斷處。根據(jù)壩基地質(zhì)條件，求得壩基的臨界出逸坡降J=0.98，按規(guī)范要求，在設(shè)計洪水位條件下安全系數(shù)不得小于2.0，在校核洪水位條件下安全系數(shù)不小于1.5。由表2可知，在設(shè)計洪水位條件下，排水溝處安全系數(shù)為1.01～1.51；在校核洪水位條件下，安全系數(shù)為0.81～1.34，均不滿足規(guī)范要求的2.0和1.5，考慮排水溝底反濾層蓋重0.5 m仍不滿足規(guī)范要求，因此距排水溝上、下游10 m范圍內(nèi)是高庫水位作用下最可能發(fā)生滲透破壞的地段。

6 滲透安全評價與建議

（1）通過對24年來滲流觀測資料的分析，證明陡河水庫采用截水槽與天然鋪蓋相結(jié)合的防滲設(shè)計是成功的，壩前防滲性能基本有效。但由于天然鋪蓋的砂質(zhì)黏土層仍存在一些弱點，且自建庫以來未經(jīng)過最高洪水位的考驗，因此在高水位時（超過34 m）應(yīng)加強對壩基滲流安全的監(jiān)測。

表2 高庫水位下壩基水平滲透坡降和出逸坡降計算成果

（2）壩體安設(shè)的測壓管不能正確反映壩體的滲流規(guī)律，為確保大壩安全運行，能夠經(jīng)受住大水的考驗，陡河水庫應(yīng)該立即改裝或重新安置測壓管，采用先進的遙測遙感技術(shù)，改變目前落后的狀態(tài)，實現(xiàn)大壩自動化監(jiān)測一體化。

（3）目前，用于觀測繞壩滲流的觀測管，由于人為因素以及地下水水位降低的影響，分析所用的觀測資料還很缺乏，不能充分分析繞壩滲流情況，只能延用或借用僅存的少量觀測資料對其進行評價，建議增設(shè)測壓管，加強對繞壩滲流的觀測。

（4）由于壩前天然鋪蓋層存在的一些弱點、近年來較高庫水位較以前有逐步增大的趨勢，再加上庫水位越高壩基測壓管與庫水位相關(guān)越密切的特點，一旦超過34.0 m運行，應(yīng)盡量控制庫水位的上升速度；同時，嚴密注視1級臺地特別是排水溝附近的滲透穩(wěn)定狀態(tài)，加強觀測和分析，必要時提早采取工程措施保證壩基穩(wěn)定分析。

[1]羅家樞，周文哲.土力學[M].北京：水利電力出版社，1990.

[2]邵裕年.陡河水庫志[M].石家莊：河北人民出版社，1993.

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[4][蘇]H.羅扎諾夫.土石壩[M].北京：水利電力出版社，1986.

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1004-7328（2014）04-0060-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2014.04.021

2014-04-13

周金波（1977-），女，工程師，主要從事水利工程管理工作。