汶川地震對黑河大壩壩體滲流影響的初步研究

朱瑞榮

（西安水務（集團）有限責任公司，陜西西安 710061）

1 概述

黑河水庫位于陜西省周至縣境內，是西安城市供水主水源。大壩是水庫重要的擋水建筑物（Ⅰ級），壩型為黏土心墻砂礫石壩，材料由黏土心墻、反濾料、壩殼砂石料、壩基灌漿帷幕等組成[1]，呈梯形斷面，壩高128.90 m，頂寬11 m，底寬500 m，上游壩坡坡比1∶2.2，下游壩坡坡比1∶1.8，大壩典型斷面見圖1。土石壩為柔性壩，適應變形的能力很強，所以變形不是大壩穩定性的重點，最重要的或者說是會引起大壩安全隱患的是滲流破壞；另外，土石壩的材料特性以及庫水位的頻繁變化，土石壩內部滲流狀況也比較復雜，內部滲流狀況直接關系到前后壩坡的穩定性及壩體、壩基的滲透穩定性(管涌、流土)，所以大壩內部及壩基的滲流情況是大壩安全監測重點。因此，重點研究滲流監測資料對黑河大壩至關重要。黑河大壩壩體滲流監測儀器（滲壓計）分別布設在0+88、0+225、0+316斷面上。在0+88和0+316斷面沿高程530.0 m、550.0 m、570.0 m共布設13個測點；在0+225剖面沿高程500.00 m、525.00 m、550.00 m、570.00 m布設18個測點[2]。測點位于心墻及上、下游反濾層中。黑河大壩壩基滲流監測儀器（滲壓計）布設在0+225斷面壩基灌漿帷幕上、下游砂卵石中，從上游到下游依次布設3個測點。水庫2003年蓄水后，經巡視檢查和滲流監測資料分析，大壩滲流穩定，安全運行。2008年5月12日，震驚全世界的四川省8.0級汶川大地震發生，余震波及到陜西省。黑河水庫大壩經受了6～7級裂度余震破壞，水庫震感明顯。經巡查黑河大壩工況無異常；至于壩體內部及壩基帷幕滲流是否穩定還需要分析地震前后大量滲流資料作進一步深入研究。

圖1 大壩典型斷面測點埋設示意圖Fig.1 The dam typical section monitoring point distribution diagram

2 地震前后滲流計算

主要是選擇從低到高典型庫水位570 m、578.7 m、588.3 m、591 m下，通過地震前后壩體、壩基滲流壓力對比計算，來分析地震前后壩體滲流、壩基滲流穩定性。2006年4月13日對應的庫水位570 m，2006年12月5日對應的庫水位588.3 m[3]；2007年10月30日對應的庫水位591.0 m[4]；2008年4月15日、2008年12月19日對應的庫水位578.7 m[5]；2009年2月12日庫水位570 m，2009年12月10日對應的庫水位588.3 m[6]；2011年8月16日對應的庫水位591.0 m[7]。

根據大壩滲流規律，順水流方向壩體3個斷面滲壓計分別埋設于上游反濾料、心墻土體、下游反濾料中，分別監測上游反濾料、壩體心墻、下游反濾料中滲流壓力變化規律；順水流方向壩基3個滲壓計分別埋設于0+225斷面壩基灌漿帷幕上游砂卵石、下游砂卵石中，監測灌漿帷幕截滲工況變化規律。利用實測數據進行綜合推理分析，判釋實測值，從而得出大壩地震后的滲流變化情況，并得出大壩是否安全的結論。

2.1 壩體滲流

根據滲流儀器埋設部位不同，分別對大壩3個斷面壩體上游反濾料、心墻土體、壩體下游反濾料滲流壓力變化分析。計算中，滲流壓力單位為米水頭，負值表示減少量。詳細資料見表1、圖2。

圖2 地震前后壩體典型測點壓力過程線Fig.2 The dam body typical point pressure process diagram before and after earthquake

1）上游反濾料

從左到右埋設的滲壓計分別是P2-1、P1-1、P3-1。庫水位分別為570 m、578.7 m、588.3 m、591 m時的計算結果為：

中間斷面P1-1地震后以上水位下滲流壓力分別增加0.4 m、0 m、0.3 m、－0.2 m，占地震前滲流壓力0.44%、0%、0.27%、－0.48%；左側斷面P2-1以上水位下地震后滲流壓力分別增加0.3 m、0 m、0.3 m、－0.3 m，占地震前滲流壓力0.52%、0%、0.39%、－0.38%；右側斷面以上水位下P3-1地震后滲流壓力分別增加－1.1 m、0 m、0.4 m、－0.8 m，占地震前滲流壓力－1.74%、0%、0.49%、－0.95%。從表1、圖2及以上計算結果可以看出，地震后壩體上游反濾料滲流壓力與地震前變化規律一致，都是隨庫水位上升而增大；地震后上游反濾料滲流壓力有增大有減小，但變化幅度均很小，絕大部分不超過1%。

表1 黑河大壩地震前后壩體典型滲流壓力統計表Tab.1 Heihe dam body typical seepage pressure statistical graph before and after earthquake

2）下游反濾料

大壩3個斷面從左到右埋設的滲壓計分別是P2-5、P1-7、P3-5。庫水位分別為570 m、578.7 m、588.3 m、591 m時，計算結果為：中間斷面P1-7以上水位下地震后滲流壓力分別增加－0.7 m、0 m、－0.4 m、－1.3 m，占地震前滲流壓力－5.19%、0%、－2.83%、－8.72%；左側斷面P2-5地震后滲流壓力分別增加－0.2 m、0 m、－0.2 m、0.6 m，分別占地震前滲流壓力－6.45%、0%、－5.71%、19.35%；右側斷面P3-5地震后滲流壓力分別增加0.6m、0 m、0.5 m、－0.7 m，分別占地震前滲流壓力14%、0%、12.5%、－15.5%。從表1、圖2及以上計算結果可以看出，地震后壩下游反濾料滲流壓力與地震前變化規律基本一致，數據基本不變，與庫水位相關性不強；地震前后下游反濾料滲流壓力有增大有減小，絕大部分變化幅度較小，15%左右，最大值19.35%。

3）粘土心墻

大壩3個斷面從左到右埋設的滲壓計分別是P2-2～P2-4、P1-2～P1-6、P3-2～P3-4。庫水位分別為570 m、578.7 m、588.3 m、591 m時，中間斷面滲流壓力計算結果：P1-2地震后滲流壓力分別增加－0.5 m、0 m、2.9 m、0.2 m，占地震前滲流壓力－0.57%、0%、2.94%、0.2%；P1-3地震后滲流壓力分別增加－0.2 m、0.3 m、－0.6 m、0.8 m，占地震前滲流壓力－0.48%、0.72%、－1.32%、1.77%；P1-4地震后滲流壓力分別增加－1.5 m、－0.5 m、－1.3 m、－2.2 m，占地震前滲流壓力－6.17%、－1.87%、－4.8%、－8.03%；P1-5地震后滲流壓力分別增加－0.1 m、0 m、－0.8 m、－0.3 m，占地震前滲流壓力－0.43%、0%、－3.31%、－1.28%；P1-6地震后滲流壓力分別增加－0.5 m、0 m、－1 m、－1.9 m，占地震前滲流壓力－3.29%、0%、－6.13%、－11.31%。

庫水位分別為570 m、578.7 m、588.3 m、591 m時，左側斷面滲流壓力計算結果：P2-2地震后滲流壓力分別增加－4.6 m、0 m、－5.5 m、－3.2 m，占地震前滲流壓力－15.13%、0%、－13.06%、－7.66%；P2-3地震后滲流壓力分別增加－0.3 m、－0.4 m、－1.4m、－1.8 m，分別占地震前滲流壓力－1.27%、－1.52%、－5.36%、－7.44%；P2-4地震后滲流壓力分別增加－1.8 m、－0.4 m、－0.5 m、－0.9 m，占地震前滲流壓力－10.58%、－2.55%、－2.75%、－5.63%。

庫水位分別為570 m、578.7 m、588.3 m、591 m時，右側斷面滲流壓力計算結果：P3-2地震后滲流壓力分別增加0.5 m、0 m、3 m、4.9 m，分別占地震前滲流壓力1.31%、0%、6.79%、10.82%；P3-3地震后滲流壓力分別增加－2.7 m、－0.4 m、－0.7 m、－0.5 m，占地震前滲流壓力－13.43%、－1.7%、－3.1%、－2.47%；P3-4地震后滲流壓力分別增加－1 m、0 m、－2.9 m、－0.9 m，占地震前滲流壓力－4.78%、0%、－11.84%、－4.02%。

從表1、圖2及以上計算結果可以看出，地震后壩體粘土心墻滲流壓力與地震前變化規律基本一致，都是與庫水位相關性不強；地震后滲流壓力有增大有減小，但變化幅度均很小，絕大部分不超過1%。

2.2 壩基滲流

根據滲流儀器埋設部位，P1-8埋設于壩基灌漿帷幕上游壩基砂卵石中，P1-10、P1-11分別埋設于壩基灌漿帷幕下游壩基砂卵石中，通過計算灌漿帷幕上、下游砂卵石滲流壓力變化，分析壩基灌漿帷幕截滲工況。計算中，滲流壓力單位為米水頭，負值表示減少量。詳細資料見表2、圖3。

1）同一測點計算

分別計算3個測點在庫水位為570 m、578.7 m、588.3 m、591 m時，地震前后滲流壓力變化情況。以上水位下地震后計算結果為：P1-8增加－4.4 m、－0.05 m、0.32 m、－0.29 m，占地震前滲流壓力－4.68%、－0.05%、0.3%、－0.26%；P1-10增加－7.23 m、－0.11 m、－5.67 m、－2.75 m，占地震前滲流壓力－25.37%、－0.47%、－19.25%、－10.31%；P1-11增加－1.8 m、-0.27 m、-1.44 m、－4.53 m，占地震前滲流壓力－12.39%、－1.96%、－9.23%、－4.53%。從表2、圖3及以上計算結果可以看出，地震后壩基灌漿帷幕上游砂卵石滲流壓力與地震前變化規律一致，都是隨庫水位上升而增大；地震后壩基灌漿帷幕下游砂卵石滲流壓力與庫水位相關性不強，數據變化不大，變化幅度較小，絕大部分不超過10%。

表2 黑河大壩地震前后壩基滲流壓力統計表Tab.2 Heihe dam foundation typical seepage pressure statistical graph before and after earthquake

圖3 地震前后壩基典型測點壓力過程線Fig.3 The dam foundation typical point pressure process diagram before and after earthquake

2）帷幕截滲工況

根據埋設位置，在庫水位分別為570 m、578.7 m、588.3 m、591 m時，計算距離帷幕水平位置較近的P1-8、P1-10壓力差占水庫上下游水位差比例來研判帷幕地震后的工況變化情況。根據黑河水庫多年觀測，下游水位為485 m，以上水位時上下游水位差分別為85m、93.7 m、103.3 m、106 m。地震前計算結果為：65.45 m、74.17 m、77.61m、83.05 m，占水庫上下游水位差比例77%、79%、75%、78%；地震后計算結果為：68.28 m、74.23 m、83.6 m、85.51 m，占水庫上下游水位差比例80%、79%、81%、81%；。從表2、圖3及以上計算結果可以看出，地震后壩基灌漿帷幕截滲數據與地震前變化不大，且占水庫上下游水位差比值都在75%以上，說明地震后壩基灌漿帷幕工況無異常。

3 結語

由監測資料分析可以看出，3個監測斷面滲壓計滲水壓力測值與庫水位關系與地震前一致，表現為：壩體上游反濾料因透水性較強測值與庫水位呈現出較好的線性相關，且測值變化比率較小；壩體心墻土體測值與庫水位基本無關，且測值變化比率較小；壩體下游反濾層測值（滲水出漏點）與庫水位相關關系不強，絕大部分測值變化比率較小；壩基灌漿帷幕上游測值與庫水位呈現出較好的線性相關，且測值變化比率較小；壩基灌漿帷幕下游測值與庫水位相關關系不強，且測值變化比率較小。

因此，地震后黑河大壩滲流穩定，壩基灌漿帷幕截滲工況良好，壩體粘土心墻防滲工況良好，可以繼續正常運行。

[1]水利部水利水電規劃設計總院.西安市黑河金盆水利樞紐工程蓄水安全鑒定報告[R].2002.

[2]水利部陜西水利電力勘測設計研究院.西安市黑河金盆水利樞紐工程設計工作報告[R].2002.

[3] 西安水務集團金盆水庫管理中心.黑河金盆水庫2006年監測報告[R].2007.

[4] 西安水務集團金盆水庫管理中心.黑河金盆水庫2007年監測報告[R].2008.

[5] 西安水務集團金盆水庫管理中心.黑河金盆水庫2008年監測報告[R].2009.

[6] 西安水務集團金盆水庫管理中心.黑河金盆水庫2009年監測報告[R].2010.

[7] 西安水務集團金盆水庫管理中心.黑河金盆水庫2011年監測報告[R].2012.