柏坑水庫除險加固后大壩滲流觀測分析

章澤宏

（韓江南北堤潮安管理處,廣東 潮州 521000）

1 工程概況

柏坑水庫位于潮州市北面潮安區(qū)文祠鎮(zhèn)竹園村內(nèi),距潮州市區(qū)15 km,1971 年3 月建成,水庫設(shè)計集雨面積4.5 km2,總庫容為161 萬m3。水庫負責(zé)文祠鎮(zhèn)自來水廠的水源供應(yīng),供水人口1.11 萬人,此外還擔負著0.7 萬畝農(nóng)田的灌溉任務(wù)。大壩分為主、副壩,為均質(zhì)土壩,主壩最大壩高25 m,壩頂高程97.1 m,壩長120 m,壩頂寬6 m。副壩壩頂長度54 m,壩頂寬度4 m。溢洪道為單孔WES實用堰,凈寬9.0 m,挑流消能。輸水涵管為鋼筋砼圓管,管內(nèi)徑0.66 m,管壁厚度0.22 m,總長100 m,進口設(shè)斜拉閘門控制。水庫正常蓄水位93.5 m,相應(yīng)庫容129.5 萬m3。柏坑水庫自建成以來,因存在著安全隱患,使工程效益沒能發(fā)揮,因工程質(zhì)量差,近年來已暴露出一定安全隱患。2005 年對柏坑水庫主壩大壩充填粘土灌漿,加寬培厚,維修加固防浪墻,背水坡鋪設(shè)草皮；副壩加寬培厚,迎水坡鋪設(shè)干砌石護坡,背水坡加設(shè)排水溝、排水棱體；溢洪道拆除重建,并將堰頂高程由原來的92 m提高到93.5 m。重建輸水涵管操作室。新建管理房,增設(shè)雨量、水位等觀測設(shè)施。

2014 年經(jīng)水利部工作小組及潮州市水務(wù)局安全鑒定,水庫大壩評價為“三類壩”,并決定于2016 年進行水庫大壩除險加固處理,具體建設(shè)內(nèi)容包括主副壩壩體及壩基進行灌漿處理；主壩迎水坡破損護坡修復(fù),加固排水棱體；副壩壩頂鋪設(shè)泥結(jié)石路面；采用頂管方式新建供水管道；更換輸水閘門和啟閉設(shè)備；加固溢洪道挑鼻后山體,對溢洪道邊墻破損勾縫進行修復(fù)；增設(shè)滲流、變形、沉降等觀測設(shè)施。

2 滲流觀測布置

考慮到柏坑水庫除險加固處理前測壓管大多處于失效棄用狀態(tài),除險加固處理時在大壩壩體和兩岸岸坡處均按觀測要求重新埋設(shè)了測壓管,并利用除險加固處理前大壩壩腳三角堰進行壩體滲流量觀測。除險加固處理后通過埋設(shè)在大壩三個橫斷面內(nèi)的測壓管監(jiān)測壩體浸潤線,測壓管分別在樁號K+053 m、樁號K0+116 m、及樁號K0+114 m處埋設(shè)。同時在下游兩岸岸坡埋設(shè)6支檢測管監(jiān)測主壩繞滲情況。

3 觀測結(jié)果分析

3.1 測壓管水位位勢分析

結(jié)合滲流理論及柏坑水庫除險加固后運行實際,通過測壓管水頭在大壩滲流場內(nèi)總滲流水頭中的占比換算可得出具體的水位位勢,可按下式計算：

式中：Fi為第i個測壓管水頭在大壩滲流場內(nèi)總滲流水頭中的占比,%；hi為第i個測壓管水頭,m；H1為上游水位,m；H2為下游水位,m。

下游水位高程選擇水庫大壩壩腳處測壓管G8 的水位高程,并根據(jù)最高庫水位及穩(wěn)定期庫水位進行測壓管水位位勢計算,分析結(jié)果見表1。根據(jù)表中計算結(jié)果,位于套井下游的水庫大壩最大斷面K0+110 m的G4、G5、G6 測壓管兩次觀測結(jié)果的位勢降低幅度均較大,表明壩體心墻具有良好的防滲性能。

表1 水庫大壩最大斷面K0+110 m測壓管水位位勢計算結(jié)果

3.2 壩體滲流量分析

針對所取得的水庫大壩K0+110 m最大斷面的測壓管數(shù)據(jù)進行滲流量過程線分析,根據(jù)大壩除險加固后正常運行實測水位過程線（圖1）,當庫水位在2019-01-01～2019-03-01觀測期間位于極低水平時,孔隙水壓力消散過程緩慢,其中G4 測壓管水位比庫水位高,且滯后性顯著。當庫水位升高后,全部測壓管的水位均比庫水位低,僅G4 測壓管水位與庫水位具有較好的同步性,壩下測壓管水位受庫水位的影響均較小,位于所在流域下游一二級馬道的測壓管水位則處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。表明柏坑水庫除險加固處理后大壩滲流穩(wěn)定。

圖1 大壩除險加固后正常運行實測水位過程線

從圖2 實測繞壩測壓管水位過程線可以看出,左岸L2 和L3 測壓管水位處于相對穩(wěn)定狀態(tài),且與庫水位相關(guān)性不大；而L1測壓管水位隨庫水位的變化表現(xiàn)出明顯的變動趨勢,即庫水位在2019-11-01～2020-03-30 觀測期間位于較低水平時L1測壓管水位基本穩(wěn)定在89.0 m,此后在2020-03-30之后隨著庫水位的持續(xù)升高,L1 測壓管水位開始與庫水位同步升高和變動,并與庫水位基本持平。通過分析L1 測壓管水位異常變動的原因發(fā)現(xiàn),該測孔設(shè)計孔深6.5 m～8.5 m,對應(yīng)的高程89.5 m～98.0 m,測孔處存在小規(guī)模隱伏斷層,且斷層內(nèi)巖體受到強烈蝕變,屬于導(dǎo)水性較強的斷層。右岸R1 測壓管在2020-05-30 觀測時間后且?guī)焖弧?5.0 m后存在微小幅度的波動；其余右岸測壓管水位均較為穩(wěn)定,不隨庫水位的增大而改變。

圖2 繞壩測壓管實測水位過程線

3.3 大壩滲流量計算

3.3.1 壩體滲流量計算

根據(jù)水利水電工程設(shè)計計算程序集所規(guī)定的土石壩滲流穩(wěn)定程序[1],取心墻滲透系數(shù)K0=1.24×10-6cm/s,壩體滲流系數(shù)K1=0.028,心墻厚度均值取0=24.5 m,上游壩坡厚度取M1=2.0 m,下游壩坡厚度取M2=1.6 m,將相關(guān)設(shè)計參數(shù)輸入土石壩滲流穩(wěn)定計算程序后所得出的柏坑水庫除險加固后壩體滲流量結(jié)果見表1,考慮到壩體實際單寬后所計算得各樁號壩體總滲漏量分別為0.54 m3/d、1.16 m3/d、6.20 m3/d、2.51 m3/d、6.18 m3/d,合計為16.59 m3/d。

3.3.2 壩基滲流量計算

采用水庫碾壓式土石大壩設(shè)計手冊所規(guī)定的方法[2]進行柏坑水庫大壩壩基滲流量計算,考慮到該水庫壩體滲透系數(shù)為壩基滲透系數(shù)的0.4～0.5 倍,故壩體滲流量可忽略不計,直接采用下式：

式中：q為柏坑水庫壩基單寬滲流量,m3/（d·m）；k為水庫壩基滲透系數(shù),取0.144 m/d；H為壩前實際水深,m；T為透水性壩基實際厚度,m；n為系數(shù),根據(jù)碾壓式土石壩設(shè)計手冊規(guī)定取值；L為壩前后趾間距,m。

結(jié)合柏坑水庫地勘報告和基巖壓水試驗結(jié)果,壩基基巖滲透性分為嚴重～中等透水帶和微透水帶兩類,中間隱伏斷層,上下盤嚴重～中等透水帶厚度均為40 m左右,則壩基滲漏量計算結(jié)果匯總見表2。考慮到壩基實際寬度后所計算得各樁號壩基總滲漏量分別為33.19 m3/d、31.35 m3/d、75.76m3/d、25.64 m3/d、166.48 m3/d,合計為332.42 m3/d。

表2 柏坑水庫除險加固后壩體滲流量結(jié)果

表3 壩基滲漏量計算結(jié)果匯總

3.3.3 繞壩滲流量計算

根據(jù)碾壓式土石壩設(shè)計手冊,水庫大壩繞壩滲流量按照下式計算：

式中：q為繞壩單寬滲流量,m3/（d·m）；k為水庫大壩岸坡滲透系數(shù),k=5 Lv,即k=7.2 m/d；H為壩前水深,為48 m；h為壩后水深,0.20 m；L為透水性壩基實際厚度,L左=250 m,L右=80 m。

將柏坑水庫相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（3）可得左壩繞壩單寬滲流量q左=33.177 m3/d·m；q右=103.678 m3/d·m；左壩滲流總量Q左=100 q左=3317.7 m3/d；右壩滲流總量Q右=45×q右=4665.51 m3/d；Q總=Q左+Q右=7983.21 m3/d。

3.3.4 滲流總量計算

綜合考慮后,柏坑水庫大壩除險加固后滲流總量由壩體滲流量、壩基滲流量、左右壩肩滲流量等構(gòu)成,即：

根據(jù)以上分析和計算結(jié)果,在水庫大壩總滲流量中大壩壩肩繞滲量較大,在總滲流量中占比95.81%,其中左壩肩滲流量在水庫大壩總滲流量中占比39.82%,右壩肩滲流量在水庫大壩總滲流量中占比55.99%。以上滲流結(jié)果均按照水庫大壩帷幕灌漿后的情況考慮,且滲流系數(shù)取值5 Lv,大壩除險加固后最高蓄水位時包括壩體滲流、壩基滲流、壩肩繞滲等滲流量在內(nèi)的滲流觀測值為37.6 L/s,而計算復(fù)核所得出的大壩滲流量為97.16 L/s,可見,實際觀測值比理論計算值小。

4 結(jié)論

柏坑水庫除險加固后1年的壩體滲流觀測結(jié)果顯示,其測壓管水位變動與碾壓式土石壩滲流規(guī)律基本吻合,心墻防滲體浸潤線也表現(xiàn)出十分明顯的降幅,表明該水庫大壩除險加固后整體防滲效果良好。除大壩壩體左岸L1 測壓管因受到山體發(fā)育隱伏導(dǎo)水斷層的影響而水位表現(xiàn)為異常外,其余壩基巖體總體具有較好的防滲性,且測壓管水位均處于相對穩(wěn)定狀態(tài),均與庫水位變動無明顯的相關(guān)性。壩后部分觀測點滲流量在相同庫水位條件下雖存在上下波動,但隨歷時的延長波動量總體呈下降趨勢,說明大壩滲流形態(tài)朝有利方向發(fā)展。在柏坑水庫運行過程中應(yīng)加強壩體左岸L1 測壓管監(jiān)測頻次。