基于原型觀測的黑河黏土心墻土石壩滲流場評價

高煥煥,齊小斌,高文靜,何 敏,張 群

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065；2.西安水務集團黑河金盆水庫管理公司，西安 710401；3.西安理工大學，西安 710082)

0 前 言

土石壩因其就地取材、經濟可靠、施工設計快捷等特點，在中國已成為首要選擇或主流比選的壩型。我國已建的水庫大壩中，土石壩占90%以上[1]。國內已有大量的學者針對我國土石壩的安全觀測資料分析以及大壩穩定性評價問題進行了豐富的研究。汝乃華等人[2]認為對土石壩的安全觀測資料分析和穩定性評價極其重要，尤其是滲流對土石壩的安全運行具有重要影響。周恒、曲傳勇等人對土石壩安全性和滲流穩定性進行了分析[3-6]。因此，滲流分析的結果往往能為土石壩的穩定分析提供重要依據。

由于水庫蓄水的原因，庫水水壓力沿著土石壩壩體、地基及壩端兩岸作用于河岸下游,在水壓力的作用下，可能引發下游壩體、壩基及岸坡的滲漏。土石壩內部滲流條件十分復雜，是因為構筑壩體本身材料的多樣性及復雜性，此外水位的頻繁變化也是重要的原因之一[7]。大壩內部滲流條件直接關系到大壩上下游的穩定性(如管涌、流土)，因此，如何結合原型觀測資料對大壩滲流安全狀況進行準確評估始終是工程師面臨的一大難題，目前尚無統一成熟的方法。本文通過滲壓計壓力水頭、位勢時空變化規律、心墻下游可能的溢出點、心墻孔隙水壓力等值線分布等分析黑河黏土心墻土石壩全過程滲流場變化規律，利用相關模型與判別準則揭示其演化的控制要素，提出黏土心墻土石壩滲流場穩定判別方法，實現對黑河黏土心墻土石壩滲流全方位評價。

1 工程概況

何敏等[8]針對截止2005年12月的監測數據，對黑河心墻土石壩進行監測資料分析與穩定性評價。本文觀測資料來源于2019年黑河金盆水庫大壩安全鑒定項目，觀測資料截止日期為2015年底。

大壩主體于2001年12月19日完成，2003年6月25日，逐步進行蓄水作業，2003年11月24日達到當年最高水位590.90 m，之后隨時間推移庫水位在小幅度范圍內波動[9]。大壩填筑及大壩上游水位過程線見圖1。

圖1 大壩填筑及大壩上游水位過程線圖

結合土石壩填筑及蓄水運行過程，針對施工期、初蓄期、運行期3個關鍵時段對大壩觀測資料分階段進行分析，黑河大壩關鍵時段劃分見表1。

表1 黑河大壩關鍵時段劃分表

施工階段自監測測量裝置開始進場施工之日起，至水庫首次蓄水完成，其中包括兩年半的低水位階段(2000年11月—2003年6月)。初蓄時間是指從水庫首次蓄水到接近正常蓄水位后再持續3 a，其中包含了因蓄水高度逐漸增加而出現的非穩定性水位階段(2003年6月—2006年11月)。初蓄期以后稱之為運行期，其中包含了穩定水位階段。

2 滲流監測設計

大壩滲流監測儀器采用滲壓計和量水堰。滲流監測剖面共設置3個，分別位于樁號0+088.00 m、0+225.00 m、0+316.00 m處，其中0+225.00 m剖面位于大壩最高壩段，0+088.00 m、0+316.00 m剖面分別位于大壩左、右岸[9]。大壩心墻剖面監測儀器布置見圖2。

圖2 大壩心墻剖面監測儀器布置圖 單位：m

壩體和壩基滲流壓力采用滲壓計監測。

壩體：將測量點分高程布設在3個監測剖面，0+088.00 m、0+316.00 m剖面共布置13個測量點，0+225.00 m剖面共布置18個測量點。其中各個滲壓計測量點布設于心墻、上游反濾層中。

壩基：在3個監測斷面的心墻與混凝土墊層之間分別布設5、7、5個滲壓計測量點。在樁號0+225.00 m心墻混凝土墊層與基巖之間的帷幕上、下游，各布置2個滲壓計測量點。

滲流量監測采用量水堰，共布置3個量水堰。分別在下游左、右兩岸及河床段各設1個。

3 大壩滲流時空演化規律與控制要素

3.1 分析方法

第一步，從數據的可靠性程度及其趨勢變化對采集得到的觀測數據進行處理分析；第二步，利用相關判別標準及相關模型對第一步的觀測數據進行檢查分析；第三步，通過推理模型的判斷對實測數據值的準確性進行綜合推理分析。通過以上步驟，進而得到影響土石壩滲流演化的相關控制要素。詳細的分析方法如下：

(1) 綜合過程線圖。想要判斷各項測試值是否正常，需要將各個觀測數據與庫水位過程線進行對比分析，其中觀測數據包括了3項，分別為：水壓力值、滲壓計位勢和滲流量，得到各個滲壓計測量值自身的變化水平及其隨水位變化的趨勢。

(2) 滲壓計等值線圖。通過孔隙水壓力測量值和滲壓等值線圖具體分析壩體內部時空演化規律，從而識別出壩體滲流演化的關鍵控制要素。

3.2 壩體滲流規律

3.2.1滲壓計壓力水頭時空變化規律

通過分析對比滲壓計和庫水位的測量數據，得到二者之間的關系曲線主要有3種表現類型。

類型1：滲壓計的測量值和庫水位呈現出較好的線性相關性，兩變量的數據差距較小，如圖3所示曲線幾乎重合。有上述表現特征是由于測量點主要設置在防滲心墻上游，砂殼滲透系數高，因此，滲壓計水位會隨上游水位的變化而變化。

圖3 滲壓計與庫水位關系第1種類型圖

類型2：滲壓計測量值基本與庫水位相關性不明顯，不同于類型1，類型2的測量點主要集中在壩體防滲心墻內部，如圖4所示。2003年大壩投入蓄水后，心墻內部測量點壓力水頭不斷上升，心墻內滲透系數相對較低，并且多數水被心墻阻擋在上游壩殼料中，心墻內部孔隙水壓力值處于逐步上升過程中；2006年之后至2015年底，心墻內部滲透壓力值才維持在一個相對平穩的狀況；基于上述分析，表明了壩體本身蓄水后滲流狀態已經由起初的非穩定狀態漸漸地變化成穩定的狀態，并保持在穩定狀態。

圖4 滲壓計與庫水位關系第2種類型圖

類型3：二者關系曲線表現特征為無關，如圖5所示，主要是因為測量點靠近下游反濾層，由于心墻防滲作用明顯，透水性弱，所以滲壓計測量值基本與庫水位無關。

圖5 滲壓計與庫水位關系第3種類型圖

3.2.2滲壓計位勢時空變化規律

從時間的角度分析，蓄水行為的全過程，多數測量點位勢變化基本平穩，變化幅度不超過9.8%；但是從空間的角度分析來看，從上游到下游各測量點位勢依次減小，與時間角度的平穩狀態不同，空間視角下的位勢變化，表明心墻防滲作用明顯。如圖6所示，根據由高至低的高程變化，從心墻上游面至下游面，滲壓計位勢的減小幅度越來越大：

圖6 0+225.00 m剖面高程500.00 m滲壓計位勢圖

(1) 首先，樁號0+225.00 m剖面高程570.00 m滲壓計位勢減小了16%左右，高程550.00 m滲壓計位勢減少了30%，埋在高程525.00 m滲壓計位勢減小了58%，埋在高程500.00 m滲壓計位勢減少了82%；

(2) 其次，樁號0+088.00 m剖面高程570.00 m滲壓計位勢減少15%，高程550.00 m滲壓計位勢減少了37%，高程530.00 m滲壓計位勢減少了50%，高程505.00 m減少了75%；

(3) 最后，0+316.00 m剖面高程570.00 m滲壓計位勢減少了16%，高程550.00 m滲壓計位勢減少了40%；高程530.00 m滲壓計位勢減少了48%；高程505.00 m滲壓計位勢減少了75%。

在上述數據的支撐下能夠明顯地看出3個監測剖面位勢的變化規律較為一致。

3.2.3心墻下游可能的溢出點分析

將滲壓計P2-5、P1-11、P1-16、P3-5布設于心墻下游測量滲壓水位，溢出點可能位于：左岸樁號0+88.00 m剖面P2-5(高程505.20 m)實測水位在高程508.00 m以下；大壩中間樁號0+225.00 m剖面P1-11(高程475.60 m)實測水位在高程489.00 m以下，基本與下游水位接近(高程485.00 m)，P1-16(高程500.00 m)在高程504.00 m以下；右岸樁號0+316.00 m剖面P3-5(高程508.60 m)的水位在高程512.00 m以下。通過實測數據可以清楚的看出與同一高程的大壩中部剖面相比，左、右岸心墻下游水位相應的滲壓計水位較大，這一現象之所以出現可能是因為左、右岸繞壩滲流作用造成了影響。綜上，心墻下游可能溢出點在高程489.00～512.00 m之間。

3.2.4心墻孔隙水壓力等值線分布規律

圖7給出了0+225.00 m剖面蓄水3個月時、初蓄期及穩定滲流形成后實測滲透壓力等值線圖。圖中縱坐標代表高程，數字代表滲壓水頭值，二者單位均為m。

圖7 0+225.00 m剖面心墻滲壓等值線 單位：m

如圖7所示，大壩蓄水3個月之內，因心墻滲透系數較低，從而影響孔隙水壓力逐步上升，滲透等壓線的特征表現為下凹。蓄水初期，心墻底部的各測量點數據逐步表現為上凸特征，由下凹至上凸這一變化表明心墻正逐步向穩定滲流過渡。至運行期時，心墻滲壓等值線在之前的基礎上進一步上凸。

3.3 壩基滲流規律

帷幕前P1-1、P1-2兩個測量點接近上游水位，二者的位勢分別在95%、88%左右；位于帷幕后P1-5、P1-10兩個測量點位勢分別下降9%和7%。自蓄水后，帷幕后方滲壓計位勢，表現穩定且有降低的趨勢，分析帷幕前后滲壓計測量值及位勢變化后，表明壩基帷幕防滲作用明顯，說明心墻底部墊層與壩基接觸良好，壩基滲流情況較好。

0+225.00 m剖面壩基心墻墊層下的典型滲壓計位勢圖與庫水位變化見圖8所示。

圖8 0+225.00 m剖面壩基典型滲壓計位勢圖

通過上述對滲壓計位勢、庫水位等變化因素的分析可以發現，影響黑河黏土心墻土石壩滲流演化規律的關鍵控制要素為：壩體材料的滲透系數、庫水位、空間位置。由于上游壩殼料透性強，水頭與上上游庫水位一致；隨著蓄水位的上升，由于心墻滲透系數低，有較強的防滲作用，心墻水頭水位上升存在一個長歷時的過程，并且水頭從上游至下游顯著降低；下游壩殼料的滲流基本不受庫水位影響；帷幕對壩基滲流規律有影響，帷幕前水頭同上游水位，帷幕后衰減明顯。

4 大壩滲流穩定評估方法

判斷黑河大壩滲流是否趨于穩定，可以從以下3個角度進行分析：

(1) 滲壓水頭與庫水位關系曲線特征；

(2) 滲透壓力等值線變化特征；

(3) 水位不變化時滲流量測量值變化。

基于前文第3.2.1、3.2.2節的數據分析，可以得到自蓄水期至運行期的大壩內部滲壓水頭整體變化趨勢。通過第3.2.4節的分析結果可知，剛蓄水時，心墻內部滲壓計等值線呈上凹式，后期則表現為與穩定滲流類似的上凸式。除此之外，以水位基本不變為前提，選大壩水位變化在±4 m范圍之間的時段，分析心墻各滲壓計與下游滲流量的變動幅度。由此得出，除上游反濾料中的滲壓計數值變化幅度較大，達1.5 m外，大壩下游滲流量和大壩心墻內部各測量點滲壓水頭幾乎無變化，可以推斷大壩滲流趨于穩定。

5 結 論

(1) 滲壓計壓力水頭與庫水位相關性較好的位置主要靠近心墻上游，心墻中部滲壓計壓力水頭持續上升，但目前已基本穩定；至于心墻上游面到下游面這一區間，對于滲壓計位勢來說，位勢逐步減小，表明心墻抗滲能力良好。根據心墻內部滲壓等值線的變化，可以看出大壩在蓄水時，其滲流狀態的變化過程為非穩定滲流到穩定滲流，主要體現為蓄水初期，大壩滲壓等值線呈現上凹趨勢，而在蓄水后逐漸呈現上凸趨勢；基于以上分析，可得出土石壩心墻滲壓計測量值變化呈分區特征。

(2) 壩基帷幕前，滲壓計位勢大約為0.98，帷幕后迅速降到0.1以下，同時多年來該位勢未發生變化，基于對壩基滲壓計位勢的分析，表明壩基帷幕的抗滲性能效果良好，在壩基處發生滲透破壞的可能性較小。

(3) 當庫水位未發生變化時，測定出來的各滲壓壓力水頭基本不變，表明黑河大壩滲流場整體穩定。