梅山連拱壩右岸13號拱滲流量增大效應分析

陳 波 何明明 何 啟 盧萬友 趙慶國

(1. 河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室， 南京 210098； 2. 河海大學 水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心， 南京 210098； 3. 河海大學 水利水電學院， 南京 210098； 4. 安徽省梅山水庫管理處，安徽 金寨 237300)

梅山水庫攔河壩主體為鋼筋混凝土連拱壩，由15個垛和16個拱組成，兩端各連接一段重力壩．最大壩高88.24 m，正常蓄水位128 m．1962年11月發現右岸大面積漏水，總漏量70 L/s左右，同時右岸各拱垛位移增大，垛基上抬，右岸壩基、壩體許多部位出現了裂縫，最嚴重的15號拱拱冠拉開了一條長28 m、寬2 mm的大裂縫[1-2]．采用上游拱面混凝土蓋面，14～16號拱內支撐墻，12～13號拱內重力墩及扶壁撐墻，右岸山坡預應力鋼絲錨固等措施后，大壩滲漏量減少且觀測孔水位明顯降低，工程運行正常[3]．

梅山大壩右岸壩肩、壩基仍是影響大壩長期穩定安全的隱患環節．張啟琛等[4]結合1993年大壩首次安全定檢開展壩基滲流狀況分析，建議增加右壩肩防滲和排水補強措施，保證大壩長期穩定安全性．高正夏等[5]開展了滲流水質分析，表明13號拱廊道內滲流水主要來自庫水，但存在較多基巖礦物遷移，部分軟弱巖石受到侵蝕．2008年，大壩右岸基礎新增帷幕補強孔和水平排水孔，并在12～15號垛重力墩的新老混凝土結合面布置接縫灌漿，以增加右岸垛墻底部的完整性[6]．本文結合2010年水庫大壩除險加固完成前后的安全監測成果，分析右岸13號拱的壩基滲流量增大的成因，對工程安全的影響及相關對策．

1 13號拱壩基滲流量增大現象

大壩右岸13號拱廊道內和13號加強拱內分別布置31個和3個在測滲流量測孔；13～16號拱廊道內分別布置水位監測孔4個、2個、2個和3個，揚壓力測孔各2個；大壩右岸未布置繞壩滲流壓力測孔．大壩右岸壩基滲流監測資料分析表明：2013年以后，13號廊道內1號孔、10號孔和13號孔等10個測孔滲流量增大，如圖1所示，其它測孔滲流量總體不變．

圖1 典型測孔人工監測滲流量實測過程線(單位：mL/min)

繪制13號廊道內總滲流量和左右側排水孔總滲流量的變化過程線，如圖2所示．

圖2 13號廊道總滲流量和左右側排水孔滲流量變化過程線

由圖2可以看出：2013年以后，13號廊道總滲流量呈增加趨勢，但未超過歷史最大值，與庫水位上升有一定相關性．1999年至2002年6月，左右兩岸排水孔滲流量相差不大；2002年6月以后，右岸排水孔滲流量整體大于左側排水孔滲流量；2008年補強加固前后，左右兩側排水孔滲流量變化趨勢大體相同，但左側排水孔滲流量波動相對較大；2013年以后，右岸排水孔滲流量有明顯增加趨勢，而左岸排水孔滲流量稍有增加，但增幅相對較小．

2 13號拱滲流量增大的影響效應分析

2.1 2013年前后滲流量與庫水位相關性分析

選取13號拱的1號測孔和13號測孔為典型測孔，2013年前后總滲流量和典型測孔滲流量與庫水位相關性圖如圖3～5所示．可以看出：總體上，13號拱排水孔總滲流量增大現象與庫水位總體抬升具有較大相關性．2013年前后，總滲流量與庫水位的簡單相關系數由0.69增加到0.82；但各排水孔與庫水位的相關性變化也有差異，靠近上游側的1號測孔滲流量與庫水位的簡單相關系數基本保持不變，但拱中部13號測孔滲流量與庫水位的簡單相關系數明顯增加，由0.23增加到0.82．

圖3 2013年前后總滲流量與庫水位相關性

圖4 2013年前后13號拱1號測孔滲流量與庫水位相關性

圖5 2013年前后13號拱13號測孔滲流量與庫水位相關性

2.2 相同環境因素下的滲流量對比分析

由于環境溫度也是影響連拱壩的壩基滲流量變化的重要因素，因此選取相似環境量下(庫水位124 m左右，溫度8℃左右)典型測孔(13號廊道1號孔、13號孔)的滲流量，分析補強加固前后滲流量變化情況．相似環境量下補強加固前后右岸總滲流量特征值見表1．相似環境量下補強加固前后右岸人工監測13號廊道1號孔、13號孔滲流量變化示意圖如圖6～7所示．

表1 補強加固前后右岸總滲流量變化統計

圖6 1號孔滲流量變化示意圖

圖7 13號孔滲流量變化示意圖

由圖表可以看出：補強加固完工初期，右岸總滲流量、13號廊道1號孔和13號孔滲流量均有一定減小；補強加固若干年后，右岸總滲流量和13號孔滲流量有所增加，1號孔滲流量變化不大．總體上，補強加固完工初期，壩基防滲加固效果明顯，但近幾年以來，右岸壩基通透性有所增加．

2.3 2013年前后揚壓力折減系數變化分析

選取相似環境量下(庫水位124 m左右，溫度8℃左右)13號拱的UP10、UP11揚壓力測孔，分析2013年前后揚壓力折減系數變化情況，見表2．

表2 2013年前后右岸揚壓力折減系數α變化統計表

由表2可以看出：相似環境量下，13號拱揚壓力折減系數由2013年前的0.11增加到2013年后的0.17，基礎防滲體系出現了一定的弱化；但揚壓力折減系數遠小于規范閾值，基礎的滲控體系能夠滿足規范要求．

2.4 滲流量增加對變形的影響分析

補強加固前后12～13號垛人工正垂線測點上下游向位移特征值變化統計表見表3．由實測過程線(如圖8所示)和特征值(見表3)可知，補強加固后，壩頂水平位移的變幅和量值均有所減小，大壩的整體性增加，滲流量的增加對大壩變形沒有明顯影響．

表3 補強加固前后大壩變形特征值變化統計表

圖8 人工正垂線測點上下游向位移實測過程線(單位：mm)

3 13號拱滲流量監控指標擬定

前面的分析可知，梅山水庫2010年補強加固完工初期，壩基防滲加固效果明顯．2013年以來，13號拱排水孔總滲流量有一定增大，該現象與庫水位總體抬升具有較大相關性，很可能是水庫增蓄和庫水繞滲聯合作用的效果，目前右岸壩基工作性態總體正常．由于右岸一直是該大壩地質薄弱區，因此，下面根據梅山大壩監測布置和歷年監測資料，采用置信區間估計法[7-8]擬定13號拱滲流量監控指標，以便針對性關注并及時發現滲漏量監測異常．

1)基本原理

(1)

2)13號拱13號測孔滲流量監控指標

由于置信區間擬定監控指標與模型精度有關，為確保大壩安全，取復相關系數R大于0.8的測點計算監控指標．以13號測孔為例，該測孔滲流量的標準差σ=6.69 ml/min，取顯著性水平α=5%，則i=2，置信區為Δ=±2σ=±13.38 ml/min．于是，該測孔滲流量安全監控指標可用下式估計：

7.08P1-5.67P3-5.01P4+2.43P5+

1.73P6+1.46θ-2.53lnθ+384±13.38

(2)

式中，H1為監測日的上游水深；H2為監測日的下游水深；t為觀測日至各測點第一次測值日的累計天數；Pi分別為監測日當天，監測日前第1天，前第2天，前第3～4天，前第5～15天，前第16～30天的平均降雨量均指(i=1～6)；θ為位移監測日至始測日的累計天數t除以100；θ0為建模資料系列第一個測值日到始測日的累計天數t0除以100．

4 結論和建議

1)梅山水庫2010年補強加固完工初期，壩基防滲加固效果明顯．2013年以來，13號拱排水孔總滲流量有一定增大現象，該現象與庫水位總體抬升具有較大相關性，很可能是水庫增蓄和庫水繞滲聯合作用的效果．

2)2013年前后，靠近上游側的1號測孔滲流量與庫水位的相關性基本保持不變；相應部位揚壓力折減系數均在規范閾值以內；壩頂水平位移的變幅和量值均有所減小，大壩的整體性增加，滲流量的增加對大壩變形沒有明顯影響．因此，目前右岸壩基工作性態總體正常．

3)1962年右岸垛基上抬，右岸壩基、壩體許多部位出現了裂縫，造成大面積漏水事故，說明右岸屬地質薄弱區，存在安全隱患．建議結合本文提出的安全監控指標，重點關注右岸滲流量等效應量的變化情況，發現異常及時上報并分析成因．

4)建議考慮增設右岸繞壩滲流地下水位監測孔，以反映右岸地質情況及庫水和山坡地下水分布情況；建議對右岸滲流水和滲水析出物進行水質檢測和礦物檢測，并聯合帷幕灌漿和右岸基礎地質分布等資料，綜合分析13號垛排水孔滲流水的滲透路徑及其影響；同時，對13號垛兩排排水孔滲流水分別進行匯集，增設兩個量水堰，便于監控13號垛排水孔總滲流量的變化．

參考文獻：

[1] 丁仕群．安徽省梅山水庫62年事故原因及處理后的穩定分析[J]．資源環境與工程，2008，22(Z1)：83-85．

[2] 吳中如，顧沖時，李雪紅，等．佛子嶺、梅山兩座連拱壩的工作性態研究[J]．大壩與安全，1999(4)：35-40．

[3] 楊光中，彭漢興，張百川等．梅山水電站右壩肩滲流特征分析[J]．河海大學學報(自然科學版)，2002，30(5)：107-109．

[4] 張啟琛，林永亮．梅山連拱壩右岸壩基滲流狀況分析[J]．水利水電技術，1993(11)：52-56+19．

[5] 高正夏，成小鋒，徐軍海，等．梅山連拱壩兩岸壩基水質特性及評價[J]．水利水電科技進展，2003，23(5)：31-33．

[6] 張艷紅，胡 曉，喬耀偉．梅山連拱壩抗震加固效果的分析[J]．水利學報，2009，40(10)：1240-1247．

[7] 顧沖時，吳中如，等．大壩與壩基安全監控理論和方法及其應用[M]．南京：河海大學出版社，2006．

[8] 吳中如，等．水工建筑物安全監控理論及其應用[M]．南京：河海大學出版社，2003．