某水庫除險加固后大壩滲流量觀測分析

趙德亮

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

該水庫是一座以灌溉為主、兼顧防洪、發電和養殖等綜合效益的山區攔河中型水利樞紐。水庫正常蓄水位1258 m，相應庫容2672.2×104m3，設計洪水位1258.60 m，相應庫容2730×104m3，校核洪水位1260 m，相應庫容2990×104m3，死水位1239.50 m，相應庫容 700×104m3。

水庫由攔河壩、溢洪道、引水泄洪洞等工程組成。工程等別為Ⅲ等，永久建筑物為3 級。水庫大壩為粘土心墻砂礫石堆石壩，上游邊坡1∶1.9，下游邊坡1∶1.5，壩頂高程1261.5 m，壩頂寬5 m。引水泄洪洞全長303 m，洞徑2.5 m，最大下泄流量69.24 m3/s。溢洪道布置在左岸，進口段70 m 長，開口寬42.9 m，堰頂高程為1258.0 m，底寬27 m，槽身段長102.20 m，底寬18 m，底坡 1∶5，最大泄量 80.64 m3/s。

壩體典型橫斷面見圖1。

圖1 壩體典型橫斷面圖

水庫工程于1988 年5 月開工興建，1996 年9 月全部竣工。由于1998 年7 月壩后出現異常滲漏現象，嚴重影響水庫的正常運行并危及到大壩的安全，2000 年6 月博州水利水電勘測設計院鑒定為“三類壩”，并于2002 年6 月開始防滲加固處理，2003 年加固完成。

1 大壩滲流監測儀器布置

大壩表面變形監測（30 個表面變形測點）即水平、垂直位移監測；實施滲流監測（7 個監測斷面，37 只滲壓計，大壩下游左岸及中部設2 個量水堰，左中右岸沿滲流方向各設3 個測沙孔），即對壩體滲流壓力、繞壩滲流、滲流量及水質監測。

2 觀測資料分析與計算

本次依據近年來壩后量水堰觀測數據進行整理分析。

2.1 滲流量資料分析

根據水庫的運行方式，水庫運行分高水位、低水位兩種方式運行[1]，本次采用1247 m 和1256 m 兩種庫水位進行分析研究，但因1256 m 水位為水庫多年蓄到的最高水位，同時此水位有些年份沒有蓄到，因此增加一個數據較全的1255 m 水位作為高水位的一個分析水位。

表1 2007 年～2018 年蓄水過程滲流量對比表

2.1.1 滲流量對比表

從表1 可知，水庫低水位運行時（庫水位取1247 m），壩后滲流量較小，保持在12.5 L/s～15.5 L/s 之間；高水位運行時壩后滲流量保持在21.5 L/s～23 L/s 之間；最高蓄水位1256.0 m，2012 年～2013 年壩后滲流量明顯較往年增加明顯，自2012 年～2013 年后又明顯下降并趨于平穩，就近兩年壩后滲流量來看比較接近，在29 L/s～31 L/s 之間，趨于穩定方向發展。

2.1.2 滲流量過程線

圖 2 2006 年 ～2018 年水庫時間 - 庫水位 - 壩基滲流量過程線

從滲流量與庫水位變化過程線見圖2 可知，滲流量與水庫上游水位的相關性較好，滲流量隨庫水位的升高而增大，并隨著庫水位的降低而減小[2]，變化趨勢基本一致，在時間上略有滯后，未出現異常變化，表明大壩滲流狀態正常，大壩的防滲體系工作性態基本正常。

2.1.3 實際蓄水位運行時滲流量過程線

圖3 2004 年～2018 年實際蓄水水位與壩基滲流量過程線

從實際蓄水水位與壩基滲流量過程線變化分析，從水庫實際滲流量及運行情況，隨庫水位的增加而增加，降低而減小，水庫滲漏趨于穩定方向發展，這可能與水庫夏季洪水帶來的淤泥有關，經自治區測繪院測量結果顯示，水庫自建庫至今，考慮水庫淤積，壩前淤泥形成覆蓋層較厚，經過多年的沉積日趨穩定，對水庫大壩穩定有利，也反映大壩滲流性態近期向有利的方向發展，說明水庫上游的淤積對大壩滲流量及滲透穩定的影響是有利的。

2.2 大壩滲流量計算

水庫滲流主要表現為壩體漏水、壩基和壩肩滲水、庫底向較低的透水層的滲流等幾方面[3]，本水庫經現場檢查發現存在壩基和壩肩滲水現象。

2.2.1 壩體滲流計算

計算采用《水利水電工程PC1500 程序》中k-1 土石壩滲流穩定分析程序，參數取值：k0為心墻滲透系數為1.22×10-6cm/s；k1為壩體滲流系數為0.028；δ0為心墻平均厚度為 24 m；M1為上游壩坡為1.9；M2為下游壩坡為1.5；HN為上游水深為22 m、40 m、40.5 m、40.5 m、48.5 m；H1為下游水深為 0.2 m；B 為壩頂寬度為5.0 m；DL為計算曲線時用的整數步長為2 m。

計算結果見表2。

表2 壩體滲流計算表

2.2.2 壩基滲流量計算

公式采用土壩設計上冊P197 式（4-65）由于壩體的防滲土體的滲透系數比壩基土的滲透系數小40～50 倍，可忽略壩體的滲流量。

式中：q2為壩基的單寬滲流量，m3/（日·m）；k2為壩基的滲透系數，m/日；H 為壩前水深，m；T 為透水地基厚度，m；n 為系數，根據土壩設計上冊P197 表1-10 確定。L 為壩前趾與壩后趾之間的距離，m。

根據水庫地質報告，按基巖壓水實驗成果，基巖滲透性劃分為中等～較嚴重透水帶和微透水帶。隱伏斷層f2，上盤中等～較嚴重透水帶厚約40 m，下盤中等較嚴重透水帶厚約40 m 左右。一般屬中等～較嚴重透水 ε=0.05 L/(min·m2)～0.1L/(min·m2)。

計算結果見表3。

表3 壩基滲流量計算表

由計算可得壩基總滲漏量為335.19 m3/d。

2.2.3 繞壩滲流計算

繞壩滲流公式采用土壩設計上冊P233 式（4-159 a）和式（4-159）：

式中：q 為繞壩的單寬滲流量m3/（d·m），計算得：q左＝34.56m3/（d·m）；q右＝51.84 m3/（d·m）；K 為岸坡的滲透系數，m/d,k＝5 Lu，即k=7.2 m/d；H 為壩前水深 m，H=1258-1210=48 m；h 為壩后水深m，h=0.20 m；L 為透水地基厚度 m，L左＝240 m；L右＝80 m；Q為滲流總量 m3/d，Q左＝100×q＝3455.94 m3/d；Q右＝45×q＝2332.76 m3/d；Q總＝Q左+Q右＝5788.70 m3/d。

2.2.4 滲流總量

水庫滲流總量為壩基滲流、壩體滲流和左右兩壩肩繞壩滲流之和：

Q總＝Q壩基+Q壩體+Q繞壩＝16.46+335.19+5788.70 ＝6140.00 m3/d；Q壩基與壩體＝Q壩基+Q壩體＝16.46+335.19＝351.65 m3/d；Q壩基與壩體＝4.1L/s；Q總＝71.1L/s。

由以上計算可知，水庫滲流量主要為兩壩肩繞滲形成。左右兩壩肩繞滲量的計算，按目前已進行帷幕灌漿后的情況考慮，滲流系數按5 Lu 計算。目前壩后滲流觀測值在除險加固后最高蓄水位1255.83 m 時為36.7 L/s，主要為壩基和壩體滲流與左右兩壩肩部分繞壩滲流量。從壩后滲流量觀測值資料運行高水位1255.83 m 時為36.7 L/s，計算復核所得的滲流量正常蓄水位1258.00 m 時為71.1 L/s，實際觀測壩后滲流量小于理論計算值。

2.2.5 水庫滲流量變化分析

本次壩后滲流量分析考慮采用1247 m、1255 m、1256 m 三個斷面進行分析，采用1247 m 是考慮到1998 年在此水位時壩后發生集中滲漏，運行單位對此水位加強了觀測，數據比較全面；1256 m 水位為水庫多年蓄到的最高水位，同時此水位有些年份沒有蓄到，因此增加一個數據較全的1255 m 水位作為高水位的一個分析水位。

圖4 水庫時間- 滲流量變化曲線圖

1）在庫水位1247 m 時，水庫建成運行至除險加固前（1998 年 ～2001 年）滲流量為 50.4 L/s，除險加固后至 2005 年滲流量為30.357 L/s，較除險加固前減少20.043 L/s，呈下降趨勢；2006 年至今滲流量為29.314 L/s，較除險加固后減少1.043 L/s，滲流量隨時間總體呈下降趨勢。

2）在水庫庫水位蓄至高水位 1256.00 m（2006 年 ～2018 年），滲流量在39.12 L/s～21.957 L/s，變化幅度17.163 L/s；庫水位在1255 m 時，滲流量在 36.398 L/s～23.508 L/s，變化幅度 12.89 L/s；在這兩種水位情況下，滲流量上下浮動，但總體呈下降趨勢。考慮到每年蓄水期大河來水量不同，且庫水位穩定時間差別較大因素，致使滲流量變化幅度較大。

3）在同庫水位（1247 m、1255 m、1256 m）條件下，壩后滲流量隨歷時延長變化總體呈下降趨勢，反映大壩滲流性態向有利的方向發展。

3 結論

水庫在除險加固后，在同庫水位（1247 m、1255 m、1256 m）條件下，壩后滲流量雖然有上下波動情況，但隨歷時延長變化總體是呈下降趨勢的，這就反映了大壩滲流性態是向有利方向發展的。根據運行情況和滲流監測資料，水庫除險加固后壩后滲漏明顯下降并趨于穩定，現場檢查沒有發現壩體防滲體破壞的情況，大壩運行中也無滲流異常現象，滲流總體上趨于穩定狀態。