某面板堆石壩蓄水期壩基滲流特性分析

張 成，牟 猷(武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，湖北 武漢 430072)

在混凝土面板堆石壩的滲流監(jiān)測中，壩基滲透壓力是重點監(jiān)測項目之一[1]。在大壩蓄水期，隨著上游水位的升高，大壩壩基滲流的監(jiān)測分析對于評價大壩的安全狀態(tài)和壩基帷幕的防滲降壓效果有著至關(guān)重要的作用[2]。

本文基于某面板堆石壩壩基滲流的監(jiān)測資料，對蓄水期壩基滲流特性進行了定性和定量的分析，研究成果為該面板堆石壩進一步的水庫蓄水提供了參考，研究方法及分析結(jié)論可為同類型大壩壩基滲流特性分析提供借鑒。

1 工程概況

某混凝土面板堆石壩位于湖北省竹山縣境內(nèi)的官渡河上，工程以發(fā)電為主，兼有庫區(qū)航運及人畜飲水供應(yīng)等綜合效益。樞紐工程等別為Ⅱ等大(2)型，主要建筑物級別為1級。水庫正常蓄水位520.00 m，設(shè)計洪水位521.85 m。大壩壩頂高程524.30 m，最大壩高158.3 m，于2012年4月下旬開始大壩堆石體填筑，2014年3月底大壩壩體填筑至大壩堆石體頂部高程520.40 m，并于2014-10-12日開始下閘蓄水，2015-04-24日上游水位達到最高水位502.55 m，至2015年12月底，上游水位約在491.50 m上下變化。

該面板堆石壩在壩基共布置了14支4500S-2型弦式滲壓計，以監(jiān)測壩基滲透壓力。其中，在0+263 m斷面布置了9支滲壓計(P1～P9)，P1位于防滲帷幕前，P3位于壩基內(nèi)，P2和P4～P9位于壩基面；在0+167 m斷面布置了5支滲壓計(P10～P14)，P10位于防滲帷幕前，P11～P14位于壩基面。圖1為0+263 m斷面壩基滲壓計測點布置情況。

圖1 0+263斷面壩基滲壓監(jiān)測滲壓計測點布置圖

2 壩基滲流特性分析

截止2015年12月底，0+167監(jiān)測斷面P11～P14滲壓計自埋設(shè)以來均無滲壓表現(xiàn)；僅位于防滲帷幕前的P10滲壓計存在滲壓水位。這一方面說明大壩下閘蓄水對0+167監(jiān)測斷面壩基面滲流影響很小，另一方面也說明壩基防滲帷幕和上游面板的防滲效果較好。故本文只針對0+263監(jiān)測斷面的壩基滲流做重點分析。

2.1 變化規(guī)律分析

圖2為0+263斷面代表性測點P1～P4實測滲壓水位與上游水位變化過程線圖，結(jié)合圖2分析可知：

圖2 P1～P4滲壓計實測滲壓水位與上游水位變化過程線圖

1)P1滲壓計位于壩基防滲帷幕前，其實測成果主要反映上游水位變化情況，2014年3月以前，P1測點處基本無滲壓或滲壓值很小，2014-03-13日壩前反向排水管封堵以后，基坑水位升高，P1實測滲壓值逐漸增大；2014年10月大壩下閘蓄水后，P1實測滲壓值明顯增大；此后實測滲壓水位隨上游水位升高而增大。P1滲壓計實測滲壓水位變化過程線與上游水位變化過程線基本重合。實測滲壓水位特征值統(tǒng)計表明，P1滲壓計實測最大滲壓水位僅比相應(yīng)的上游水位低3.287 m，最大滲壓數(shù)位出現(xiàn)的時間與上游最高水位出現(xiàn)的時間很接近，僅相差1 d。

2)P2滲壓計位于防滲帷幕后約10 m面板下部墊層所在壩基面處，2014年3月基坑反向排水管封堵以后，P2滲壓計實測滲壓水位逐漸升高，2014年3～6月實測滲壓水位與基坑水位相近，2014年7月至下閘蓄水前，實測滲壓水位低于基坑水位，約低10 m；2014年10月大壩下閘蓄水后，實測滲壓水位明顯升高，此后滲壓值隨上游水位上升逐漸增大，且表現(xiàn)為略有滯后；2015-05-16日，P2滲壓計實測滲壓水位達到最大滲壓水位456.029 m，相應(yīng)的上游水位為501.83 m，此時的滲壓水頭約為相應(yīng)上游水頭的66%，即防滲設(shè)施消減水頭約34%，對上游水位有一定的降低，但降低程度有限，最大滲壓水位出現(xiàn)的時間與上游最高水位出現(xiàn)的時間滯后約一個半月。

3)P3滲壓計位于P2滲壓計的下部基巖內(nèi)，位于防滲帷幕下游，主要反映壩基基巖滲流狀態(tài)。2014年3月壩前反向排水管封堵以后，P3滲壓計實測滲壓水位有所升高；2014年10月大壩下閘蓄水后，P3滲壓計實測滲壓水位進一步升高，但升高值不大；至2015-06-15日，P3滲壓計實測滲壓水位達到最大滲壓水位405.025 m，相應(yīng)的上游水位為500.75 m，此時的滲壓水頭約為相應(yīng)上游水頭的29%。P3滲壓計實測滲壓水位明顯低于上游水位，也明顯低于同部位壩基面上的P2滲壓計實測滲壓水位。

4)P4滲壓計位于防滲帷幕后約40 m的壩基面處，2014-03-13日壩前反向排水管封堵之前，P4滲壓計實測滲壓值很小，滲壓水位與壩基面接近；壩前反向排水管封堵后一個月左右的2014-04-21日，實測滲壓水位由約366 m升高至約374 m，滲壓水位上升約8 m；此后，實測滲壓水位緩慢上升；至2015年4月底、5月初實測滲壓水位存在一個向上升方向的約5 m的升高；此后滲壓水位變化平穩(wěn)。2014年10月大壩下閘蓄水，P4實測滲壓水位至2015年4月底才出現(xiàn)實測滲壓水位有較明顯升高的狀態(tài)，表明P4滲壓計實測滲壓水位對上游水位具有明顯的滯后效應(yīng)，滯后時間達半年；此外，2015年4月底P4滲壓水位升高的幅度也不大，P4滲壓水位變化與上游水位變化之間的相關(guān)性并不明顯，因此，可以認為大壩下閘蓄水對P4滲壓計處的滲壓水位影響不大。

5)P5～P9滲壓計分別位于防滲帷幕后約95、115、215、315、415 m的壩基面處，實測滲壓水位變化過程相似；2015年4月以前，P5～P9滲壓計無滲壓表現(xiàn)，或?qū)崪y滲壓值很小；2015年4月～5月，P5～P9滲壓計陸續(xù)表現(xiàn)出滲壓，但實測滲壓值及變幅均很小，大壩下閘蓄水對P5～P9滲壓計處的滲壓水位影響均不大。

綜合來看，大壩下閘蓄水對P1、P2滲壓計實測滲壓水位影響較大，對P3、P4滲壓計實測滲壓水位有一定影響，對P5～P9滲壓計實測滲壓水位影響較小，即越往下游，上游水位對測點部位滲流的滯后效應(yīng)越明顯，符合面板堆石壩壩基面滲流沿程變化的一般規(guī)律[3]。

圖3為0+263監(jiān)測斷面壩基面P1～P9滲壓計蓄水期的實測滲壓水位分布圖，由圖3可知，壩基面各滲壓計實測滲壓水位由上游向下游逐漸減小，防滲帷幕后的P2滲壓計實測滲壓水位較上游水位有所減小，防滲帷幕后約40m處的P4滲壓計實測滲壓水位較上游水位有明顯降低，P4～P9滲壓計實測滲壓水位較為接近，差別不大。壩基面前高后低的滲壓水位分布基本符合面板堆石壩壩基面滲透壓力分布的一般規(guī)律；P1、P2、P4滲壓計實測滲壓水位分布線基本表現(xiàn)為直線，分布不夠合理，表明P2滲壓計處滲壓水位較上游水位的降低程度有限。P4～P9滲壓計實測滲壓水位較低，且滲壓水位數(shù)值較為接近，表明大壩蓄水對壩基面滲流狀態(tài)的影響范圍有限。

由各滲壓計實測滲壓水位可計算相應(yīng)部位的滲透坡降[4]，計算結(jié)果表明，面板、防滲帷幕、壩基及壩基面部位實測滲透坡降均小于允許滲透坡降，不會發(fā)生滲透破壞。

圖3 0+263斷面壩基各滲壓計實測滲壓水位分布圖(滲壓水位單位：m)

2.2 統(tǒng)計模型

結(jié)合工程經(jīng)驗，通過對壩基滲流模型的上游水位因子、降雨因子、溫度因子和失效因子進行綜合分析，得出該面板堆石壩壩基滲流統(tǒng)計模型構(gòu)成為：

顯著性水平取a=0.05，引、剔因子的F統(tǒng)計量為3.0。在建模之前，先對測值的可靠性進行了分析和檢驗，并剔除了明顯的粗差。選取0+263斷面的P1～P4滲壓計作為代表性測點，建模時段取為2013年1月～2015年12月。表1為壩基滲壓計實測滲壓水位統(tǒng)計模型擬合情況表，表2為統(tǒng)計模型各分量比重表。

表1 壩基滲壓計實測滲壓水位統(tǒng)計模型擬合情況表

表2 壩基滲壓計實測滲壓水位統(tǒng)計模型各分量比重表%

從建模結(jié)果分析來看：4個統(tǒng)計模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)R均大于0.95，統(tǒng)計模型剩余標(biāo)準(zhǔn)差S與實測值變幅的比值η均小于5%，說明所建立的壩基各滲壓計滲壓水位統(tǒng)計模型質(zhì)量良好，能反映測點處壩基滲壓水位的實際變化情況。降雨和溫度變化對各滲壓計實測滲壓水位的影響不大；P1滲壓計上游水位分量為95%，占絕對的主導(dǎo)地位，P2滲壓計上游水位分量為83%，說明上游水位是影響P1、P2滲壓計實測滲壓水位的主要因素，P3滲壓計上游水位分量為42%，表明上游水位對壩基面以下的壩基滲流存在較明顯的影響，上游水位對P4滲壓計實測滲壓水位影響不大。總體來看，從上游往下游，各滲壓計上游水位分量逐漸減小；時效分量是影響P4滲壓計實測滲壓水位的主要因素，P1、P2滲壓計實測滲壓水位時效分量較小，從上游往下游，各滲壓計時效分量逐漸增大，從時效分量變化過程線來看，各滲壓計時效分量均已趨于穩(wěn)定。

統(tǒng)計模型綜合分析表明：該面板堆石壩壩基各滲壓計統(tǒng)計模型所反映出的壩基滲壓水位各分量比重符合測點所在部位的壩基滲流特點，變化規(guī)律基本符合面板堆石壩壩基滲流的一般規(guī)律，建模結(jié)果基本合理。

3 對P2滲壓計實測滲壓水位偏高的綜合分析

P2滲壓計位于防滲帷幕后約10 m處的壩基面，該滲壓計實測滲壓水位主要反映壩基防滲帷幕、面板及趾板的防滲效果。由2.1的分析可知，P2滲壓計實測滲壓水位與上游水位變化過程基本一致，與上游水位相關(guān)性較強；由壩基滲流分布圖可以看出，防滲帷幕前的P1滲壓計與防滲帷幕后的P2、P4滲壓計實測滲壓水位分布線基本表現(xiàn)為直線，說明P2滲壓計處滲壓水位較上游水位的降低程度有限；通過對P2滲壓計統(tǒng)計模型建模結(jié)果可以看出，P2滲壓計上游水位分量很大，為83%，說明上游水位對P2滲壓計滲壓水位影響很大。總體來看，P2滲壓計實測滲壓水位偏高，且分布也不夠合理。

在排除了觀測誤差等主觀因素的影響后，本文認為P2滲壓計實測滲壓水位偏高存在如下兩種可能：①壩基防滲帷幕或混凝土面板中存在一定程度的薄弱或缺陷狀況，同時壩基礫石層碾壓不密實，存在滲流通道，滲流水沿滲流通道從壩腳或其他部位流走，因而P4～P9滲壓計實測滲壓水位并不高。這種情況對壩基滲流狀態(tài)將產(chǎn)生較大的不利影響，一旦滲流通道擴展，有可能發(fā)生管涌等滲透破壞現(xiàn)象，危及壩基滲流安全。②壩基防滲帷幕或混凝土面板中存在局部薄弱或細微缺陷，因而P2滲壓計實測滲壓水位偏高，而其后的P4～P9滲壓計實測滲壓水位并不高。由于這種薄弱或缺陷僅為局部的和細微的情況，因此，雖然壩基防滲帷幕或面板的防滲效果低于設(shè)計預(yù)期，但不會對壩基滲流狀態(tài)產(chǎn)生明顯的不利影響。

結(jié)合0+167監(jiān)測斷面位于防滲帷幕后的P11～P14滲壓計自埋設(shè)以來均未顯示出滲壓，且0+263斷面各部位實測滲透坡降均小于允許滲透坡降的情況來看，本文認為以上分析的第二種可能性更高，即P2滲壓計實測滲壓水位偏高僅為局部現(xiàn)象，壩基防滲帷幕或混凝土面板中可能存在的缺陷僅為細微現(xiàn)象，并不代表壩基防滲帷幕或面板防滲效果存在明顯的消弱，不會對壩基滲流安全產(chǎn)生明顯的不利影響，壩基滲流處于可接受和可控的范圍內(nèi)。

4 結(jié) 語

根據(jù)該面板堆石壩壩基滲壓計監(jiān)測資料分析結(jié)果，本文得出主要結(jié)論如下：

1)大壩下閘蓄水后，沿壩基面越往下游，上游水位對測點部位滲流的滯后效應(yīng)越明顯，符合面板堆石壩壩基面滲流沿程變化的一般規(guī)律；

2)各滲壓計實測滲壓水位沿壩基面由上游向下游逐漸減小，前高后低的分布圖形狀基本符合面板堆石壩壩基面滲透壓力分布的一般規(guī)律；

3)位于防滲帷幕后的P2滲壓計實測滲壓水位偏高，但綜合分析認為壩基滲流處于可接受和可控的范圍內(nèi)，不會對壩基滲流安全產(chǎn)生明顯的不利影響。

綜合來看，該面板堆石壩壩基實測滲流性態(tài)正常，壩基滲流處于可接受和可控范圍內(nèi)。