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）

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鍵，根據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狀及其對主壩滲透穩定的不利影響，對大壩壩體及壩基滲透穩定與安全作出評價，得出結論并提出建議，為水庫的安全運行提供科學依據。

庫水位；測壓管水位；壩體；壩基；滲流穩定分析

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業生產用水等綜合利用的大型水利樞紐工程。

水庫于1956年建成，經過1970年擴建、1977年震后修復及1988年提高保壩標準工程（即加固工程）建設，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。控制流域面積530 km2，總庫容5.152億m3，正常蓄水位34.00 m，相應庫容0.684億m3。

主壩左壩頭與鳳山相接處為泥質灰巖，山坡腳為砂壤土夾有石塊，厚約14 m。河床兩側灘地為細砂與砂壤土互層，厚約2～3 m，性質松軟。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 觀測設備布設

2.1 壩體測壓管布設

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，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

震后修復工程中，為了周密監視壩基滲流情況，在主壩安設了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

經分析發現，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，滯后時間較長，測壓管水位長期高于庫水位現象較為顯著，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定的水位。壩體測壓管非汛期穩定水位，見表1。

圖1 陡河水庫大壩滲流觀測設施平面布置

表1 壩體測壓管非汛期穩定水位

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。經過分析發現，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計。從統計結果來看，測壓管水位與庫水位滯后時間很短，這里應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，壩基經過多年的運行，滲流已趨基本穩定。

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關系分析

選取高水位且持續時間較長、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，繪出相關線圖，如圖3所示。經分析，得出以下結論。

圖3 樁號0+350 J1測壓管水位與庫水位相關關系

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

（2）前4年的相關線逐年向左移動，說明滲流穩定愈來愈好；但1995年相關線庫水位約在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 壩基滲透坡降穩定性核算

通過相關分析成果預測在設計洪水位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采用J2測壓管處的數值。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，壩基內部沒有產生管涌的可能，而最大出逸坡降出現在排水溝縱斷處。根據壩基地質條件，求得壩基的臨界出逸坡降J=0.98，按規范要求，在設計洪水位條件下安全系數不得小于2.0，在校核洪水位條件下安全系數不小于1.5。由表2可知，在設計洪水位條件下，排水溝處安全系數為1.01～1.51；在校核洪水位條件下，安全系數為0.81～1.34，均不滿足規范要求的2.0和1.5，考慮排水溝底反濾層蓋重0.5 m仍不滿足規范要求，因此距排水溝上、下游10 m范圍內是高庫水位作用下最可能發生滲透破壞的地段。

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合的防滲設計是成功的，壩前防滲性能基本有效。但由于天然鋪蓋的砂質黏土層仍存在一些弱點，且自建庫以來未經過最高洪水位的考驗，因此在高水位時（超過34 m）應加強對壩基滲流安全的監測。

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

（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越密切的特點，一旦超過34.0 m運行，應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定狀態，加強觀測和分析，必要時提早采取工程措施保證壩基穩定分析。

[1]羅家樞，周文哲.土力學[M].北京：水利電力出版社，1990.

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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。