柳樹溝水庫大壩浸潤線觀測分析

金永超

（新疆沙灣縣金溝河水管所，新疆 沙灣 832100）

1 工程概況

新疆沙灣縣柳樹溝水庫位于天山北緣、金溝河與準格爾盆地南緣所形成的山前沖擊平原，與沙灣縣城相距24.8 km。柳樹溝水庫大壩為瀝青砼心墻砂礫石壩，其建筑物等級為4 級。水庫正常蓄水位425.88 m，死水位為419.68 m，壩頂高程427.40 m，防浪墻頂高程428.60 m，壩頂總長度4394 m，主壩段壩頂長755 m，壩頂寬8.0 m，壩底寬度63.7 m，東壩長1956 m，西壩長1683 m，最大壩高12.35 m。大壩上游壩坡坡比為1∶2.5，大壩下游壩坡坡比為1∶2.0，排水棱體頂寬3.0 m，坡比1∶1.9。大壩下游馬道結合上壩公路設置，馬道寬8.0 m。上游壩坡采用250 mm 厚的現澆C25 砼板護坡，下游壩坡采用150 mm厚預制網格梁護坡。水庫自2000年投入運行以來，壩基和壩肩一度出現嚴重滲漏和壩坡散浸，于2017年對壩基和壩肩地進行了固結灌漿加固。

2 水庫大壩地質條件

柳樹溝水庫位于山前丘陵區的金溝河和瑪納斯河河間沖洪積平原堆積帶，以第四紀全新世沖洪積堆積為主。區域地質構造基本穩定，本區地震動峰值加速度為0.15 g（地震基本烈度為Ⅶ度）。庫區地層由第四紀全新世沖洪積堆積（Q4al+pl）組成，巖性以粘性土和粉細砂為主，微～弱透水，地下水埋深由庫區上游至下游由深變淺，地下水由南向北排泄。庫岸無高陡邊坡，相對穩定。

庫區主要工程地質問題是：①水庫淹沒、浸沒問題，當庫水位在高水位時，將因風浪作用淹沒兩座泵房并危及西北側居民住宅，壩后地下水位上升產生次生鹽漬化及沼澤。建議沿庫區周圍多種植草木，并在壩后開挖排水渠，從而降低地下水位、減輕壩后的次生鹽漬化；②水庫區塌岸問題，對庫區兩岸陡直邊坡及右岸單薄岸坡在庫水位陡漲、驟降時將會加速塌岸過程，使水庫在高水位運行時存在漫頂潰壩風險。

根據勘察結果水庫大壩壩體存在如下質量問題：①壩體壓實系數0.84，壓實度較差，且不均勻，大壩土體具中等～高壓縮性；②壩體土滲透系數4.29×10-4～7.82×10-4cm/s，按照《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274-2001），均質壩土料壓實后滲透系數指標應小于1×10-4cm/s；③大壩迎水坡無襯護，無非常溢洪道，且放水涵洞淤積嚴重，不利于大壩安全運行。

3 浸潤線觀測過程及結果

3.1 測點布設

本水庫大壩浸潤線觀測設備為測壓管，在測驗管內設置滲壓計和繩式電測水位計，5 d 觀測數據為一組。根據水庫大壩結構及觀測需要，設置14個測點并以此編號為D1～D14，其中D1～D6 觀測點設置在大壩橫斷面，主要用于壩頂及壩坡的浸潤觀測，D1 和D3 測點設置在壩體心墻墻體內，D2 測點設在防滲心墻后面基巖，D4～D6測點穿過水庫大壩壩殼料設置；D7～D10 測點主要進行岸坡浸潤線變動趨勢監測；D11～D14測點主要進行岸坡固結灌漿防滲加固效果檢測。

3.2 大壩主斷面浸潤線觀測

庫水位與壩體浸潤線變動存在密切關系，為此，必須結合水庫蓄水放水過程進行壩體浸潤線觀測分析。對柳樹溝水庫大壩主斷面浸潤線分析以測壓管監測數據為主，庫水位整體歷經多次變動，峰值出現在每年3～4月，低谷則在7～8月，其余時段變化過程緩慢。主壩測壓管水位變動與庫水位變動趨勢接近，測壓管水位平均變幅為1.5 m，隨著庫水位高程的變化，D1 和D3 檢測管水位波動趨于平穩，且檢測管越靠近下游其波動幅度越小，說明水庫壩體防滲結構性能穩定，壩殼排水性能良好。

壩體滲流觀測及浸潤線情況分析表明，在水庫壩體結構、測點設置、不穩定滲流等影響下，在庫水位開始變化到測壓管水位出現相應變化之間存在時間延遲，浸潤線比庫水位變化滯后。在水庫運行過程中，水位及砂礫石壩浸潤線始終處于動態變化過程，而且壩體內無壓滲流也呈不穩定變化，這種不穩定與滯后性難以避免?？紤]到壩體內滲流場持續變動的情況，進行壩體浸潤線觀測分析時只能基于特征水位并按時間節點進行其內部滲流斷面浸潤線分析，但只要滯后時間長期保持穩定，浸潤線便能在一定程度上反映出壩體穩定情況。此次對柳樹溝水庫大壩浸潤線觀測滯后時間為10～13 d，且較穩定，表明水庫大壩壩體滲流基本穩定。

3.3 左右岸邊坡浸潤線觀測

柳樹溝水庫大壩壩坡巖層破碎，繞滲可能性較大，水庫除險加固過程中進行了兩岸壩坡固結灌漿處理，左右岸坡設置的D11～D14測點主要用于防滲加固效果檢測。對左右岸坡滲壓水位變化進行分析，結果表明：壩肩測壓管水位和庫水位正向相關，庫水位為425.88 m 時，右岸壩肩帷幕區測壓管水位、馬道水位、后壩坡水位分別為429.96 m、437.91 m、436.20 m；左岸壩肩帷幕區帷幕前后測壓管水位分別為427.85 m、428.47 m。通過對帷幕防滲加固前后測壓管水位變化情況的分析，滲壓水頭折減幅度小，而實測結果表示，大壩壩體并未出現滲流溢出及巖體潮濕問題。

柳樹溝水庫大壩壩肩浸潤線超出設計標準主要由其左、右岸壩肩處滲壓水位偏高導致，其壩肩滲壓水位偏高主要由以下原因引起：庫岸岸坡除險加固后山體中仍存在微弱滲流；岸坡巖層內孔隙發育，山體內孔隙毛細作用頻繁且山體內排水不暢。固結灌漿加固前后滲壓水位折減幅度不大，但壩肩滲流水位變動規律與庫水位一致，所以水庫左、右岸壩肩滲流基本穩定。

3.4 壩坡穩定性分析

為進行觀測結果準確性驗證，必須對水庫穩定性進行理論計算，計算前進行大壩土體物理力學指標鉆孔取樣測試，設置6個鉆孔，壩體鉆孔檢查取得土體樣本40組，土體物理力學指標試驗結果見表1。

表1 土體物理力學指標試驗結果

柳樹溝水庫大壩心墻墻體為沙壤土，滲透系數低，隨著庫水位的急劇下降，壩體浸潤線水位并不會表面出明顯的波動，考慮到大壩安全運行實際，壩坡穩定性分析仍以穩定滲流期內心墻浸潤線為基礎，只考慮水庫以外水位下降對水庫大壩穩定性的影響。

穩定計算采用北京理正軟件設計研究所的《穩定分析軟件》進行計算，計算方法為瑞典圓弧法[1]。根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274-2001）的規定，在柳樹溝水庫正常蓄水位上下游大壩壩坡、庫水位急劇下降時上游壩坡及正常蓄水位遇7級地震時上下游壩坡3種工況下進行大壩壩坡抗滑穩定性分析[2]。

（1）工況一：正常蓄水位（425.88 m）穩定滲流期上、下游壩坡計算所得抗滑穩定安全系數分別為K上=2.930，K下=1.701＞[K允許]=1.25。

（2）工況二：①施工期的上、下游壩坡計算抗滑穩定安全系數分別為K上=2.392，K下=2.848＞[K允許]=1.15；②水庫水位驟降時的上游壩坡，水位由正常蓄水位425.88 m，驟降至死水位419.68 m，上游壩坡計算抗滑穩定安全系數K上=2.271＞[K允許]=1.15。

（3）工況三：①正常運用遭遇地震（正常蓄水位425.88 m）上、下游壩坡穩定計算，抗滑穩定安全系數分別為K上=2.653，K下=1.613＞[K允許]=1.10；②水庫水位在1/3 壩高時遭遇地震，水位在1/3 壩高（高程419.20），上游壩坡計算抗滑穩定安全系數為K上=2.448＞[K允許]=1.10。

柳樹溝水庫大壩結構基本穩定，大壩樁號0+100 斷面在水位高于1/3 壩高遇地震工況時上游壩坡計算抗滑穩定安全系數為2.653，大于規范允許最小安全系數1.15；水庫大壩樁號0+400 斷面在正常蓄水位穩定滲流期遇地震工況時上游壩坡計算抗滑穩定安全系數為2.448，大于規范允許最小安全系數1.1，均滿足規范要求。

4 結論

浸潤線是水庫大壩安全監測的重要項目。在水庫大壩壩體和壩基位置設置測壓管與滲壓計進行觀測，了解和掌握水庫大壩內部及地基滲流場情況，是進行砂礫石壩內部滲流及運行安全程度判斷的手段。柳樹溝水庫大壩采取防滲加固措施后，防滲抗滲體性能良好，壩體滲流穩定，滲流經心墻后通過預定排水通道排入壩后河道；兩岸壩肩滲流穩定，壩肩巖體滲壓水位偏高，應當加強觀測分析。