龔嘴水電站環(huán)境量變化對(duì)繞壩滲流的影響分析

羅 正 英， 黃 會(huì) 寶， 胡 翰 尹， 柯 虎

(國(guó)能大渡河流域庫(kù)壩管理中心，四川 成都 610000)

0 引 言

滲流是影響大壩安全運(yùn)行的重要因素，上下游水位、壩區(qū)氣溫、水溫及壩區(qū)降雨等環(huán)境量的變化，將會(huì)直接影響大壩的穩(wěn)定[1]。繞壩滲流是大壩滲流的重要部分，它容易導(dǎo)致地下水位抬高，引起壩肩失穩(wěn)[2]。繞壩滲流是沿著壩岸結(jié)合面或壩端山坡土體的內(nèi)部向下游滲水, 甚至集中滲流,它能引起壩端部分壩體內(nèi)浸潤(rùn)線抬高, 岸坡出現(xiàn)陰濕、軟化甚至產(chǎn)生滑坡。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)庫(kù)區(qū)環(huán)境量變化，有助于準(zhǔn)確評(píng)價(jià)繞壩滲流對(duì)庫(kù)壩安全的影響。

1 工程及地質(zhì)概況

龔嘴水電站位于四川省樂(lè)山市沙灣區(qū)與峨邊縣交界處的大渡河上，控制流域面積76 130 km2，占全流域面積77 400 km2的98.3%，是一個(gè)以發(fā)電為主的水利樞紐工程。水庫(kù)正常蓄水位528.00 m，相應(yīng)的總庫(kù)容實(shí)測(cè)3.45億m3，水庫(kù)屬山區(qū)河道型，有效庫(kù)容實(shí)測(cè)1.018億m3，具有日、周調(diào)節(jié)能力。壩址處多年平均流量為1 490 m3/s。

壩址地質(zhì)構(gòu)造屬于南北向，位于龔嘴寬緩背斜核部東側(cè)，西距二峨山斷層2 km，東距白石溪斷層2.5 km，壩址內(nèi)沒有大的斷層，僅見破碎帶寬度小于1～2 m的小斷層11條。兩岸谷坡及谷底左側(cè)巖體卸荷顯著，特征是裂面普遍張開，充填次生夾泥(水平卸荷例外)。巖體的風(fēng)化深度不一，總的趨勢(shì)是：左岸較右岸風(fēng)化強(qiáng)烈，兩岸較河床風(fēng)化強(qiáng)烈，河床左側(cè)又較右側(cè)風(fēng)化強(qiáng)烈。巖體的透水性主要受構(gòu)造裂隙及其開度控制，一般隨深度增加而減弱。河床部位透水性不強(qiáng)，相對(duì)抗水層埋深40～50 m，河谷兩岸和谷底左側(cè)透性極不均勻，相對(duì)抗水層埋深左岸與谷底左側(cè)60～70 m，右岸50～60 m。地下水可分為第四系孔隙水和基巖裂隙水兩種，一般為重碳酸鈣鎂型，不具任何侵蝕性。壩址所在區(qū)域無(wú)震源分布，屬地震波及區(qū)，地震設(shè)計(jì)烈度為7度。

2 龔嘴水電站繞壩滲流測(cè)網(wǎng)布置

龔嘴水電站繞壩滲流在左右兩岸壩肩，設(shè)計(jì)布設(shè)22個(gè)測(cè)點(diǎn)，左右岸各11個(gè)(圖1)。多年來(lái)，因堵塞、周邊農(nóng)民蓋房圈占、圍墻修建等因素影響個(gè)別孔的正常觀測(cè)。RK8Y于2010年11月因修路被毀壞無(wú)法恢復(fù)；RK10Y、RK11Z因修建圍墻或住宅遮擋，仍然無(wú)法監(jiān)測(cè)；除此三孔，2012年對(duì)其余孔進(jìn)行掃孔處理，并更換了孔口裝置，目前在測(cè)孔數(shù)19個(gè)。2016年對(duì)繞壩滲流測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了自動(dòng)化改造，其中左岸10個(gè)，右岸9個(gè)。

3 監(jiān)測(cè)資料整理及分析

龔嘴水電站繞壩滲流監(jiān)測(cè)歷經(jīng)20年，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理后，左右岸地下水位及同期庫(kù)水位或降雨(高于庫(kù)水位的監(jiān)測(cè)孔)過(guò)程線見圖2～5。

(注：圖中虛線為灌漿帷幕位置線)圖1 繞壩滲流(地下水位孔)布置圖

圖2 左岸繞滲滲壓水位變化過(guò)程線(上游水位)

由圖2、圖3可知，左岸灌漿帷幕后的RK1Z、RK2Z、RK3Z明顯受庫(kù)水位及降雨影響，隨著庫(kù)水位及降雨量的變化而變化。RK1Z、RK2Z受“5·12”地震影響降落約3～5 m，且隨后十幾年來(lái)沒有恢復(fù)跡象；目前三個(gè)孔分別低于庫(kù)水位24.80 m、23.64 m、6.55 m，說(shuō)明左岸灌漿起到了較好的阻水作用。位于RK1Z、RK2Z、RK3Z下游側(cè)的RK4Z、RK6Z水位受降雨影響明顯，水位變化幅度較大其值分別為3.80 m、16.10 m。下游岸坡測(cè)孔R(shí)K5Z、 RK7Z～RK10Z水位高于上游部位測(cè)孔，也高于水庫(kù)水位，且很平穩(wěn)，波動(dòng)幅度小，主要受兩岸地下水位影響。左壩肩未見明顯繞壩滲流現(xiàn)象。

圖3 左岸繞滲滲壓水位變化過(guò)程線(降雨)

由圖4、圖5可知，右岸RK1Y、RK2Y、RK3Y測(cè)孔位于幕前，RK1Y、RK2Y基本就反映庫(kù)水位的波動(dòng)，RK3Y則高于庫(kù)水位10 m以上，更多受岸坡地下水位或降雨影響。幕后測(cè)孔R(shí)K4Y、RK5Y、RK8Y低于同期庫(kù)水位，未見庫(kù)水位影響跡象；RK6Y、RK9Y也基本與庫(kù)水位持平，且受到其影響，同時(shí)受降雨影響，疑與上下貫通帷幕的斷層構(gòu)造帶有聯(lián)通。幕后岸坡測(cè)孔R(shí)K7Y、RK11Y測(cè)值分別高于庫(kù)水位16.99 m 、22.73 m，受到岸坡地下水及降雨影響。

圖4 右岸繞滲滲壓水位變化過(guò)程線(上游庫(kù)水位)

圖5 右岸繞滲滲壓水位變化過(guò)程線(降雨)

4 監(jiān)測(cè)資料的回歸分析

通過(guò)數(shù)學(xué)方法，建立效應(yīng)量與環(huán)境量(庫(kù)水位、氣溫、降雨、時(shí)間)間的數(shù)學(xué)關(guān)系式，據(jù)此分離各種環(huán)境因素的影響，了解各環(huán)境量對(duì)監(jiān)測(cè)量的影響程度和規(guī)律，進(jìn)而揭示可能潛在的不安全因素及發(fā)展趨勢(shì)[3]。基于上述監(jiān)測(cè)資料，采用了易于為工程界所理解和接受的傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)模型法，對(duì)龔嘴水電站近幾年的監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行回歸分析。

4.1 分析模型[4]

大壩滲流問(wèn)題很復(fù)雜，通常與基礎(chǔ)地質(zhì)條件、庫(kù)水壓力、降雨?duì)顩r等相關(guān)，大壩滲流量可用如下數(shù)學(xué)模型來(lái)描述：

V=VT+Vh+Vt+Vp

(1)

式中 ⅤT為由于壩區(qū)溫度變化引起的滲漏量變化量；Ⅴh為由于水壓變化引起的滲漏量變化量；Ⅴp為由于壩區(qū)降雨引起的滲漏量變化量；Ⅴt為滲漏量趨勢(shì)性變化量，即時(shí)效分量。

4.1.1 溫度分量ⅤT

溫度變化可引起滲透裂隙熱脹冷縮從而影響滲流通道的特性，可使水的黏滯性發(fā)生改變。但對(duì)于這種高壩大庫(kù)，基礎(chǔ)溫度通常很穩(wěn)定，難有顯著波動(dòng)，分量通常也可被忽略。溫度分量可采用多段平均氣溫的線性組合，其表達(dá)式為：

VT=a0+a1T+a2T5+a3T10+a4T15+a5T20+a6T30+a7T45+a8T60+a9T90+a10T120

(2)

式中T、T5、……T120為觀測(cè)日當(dāng)天、前5天、……前120天的平均氣溫。

4.1.2 水壓分量Ⅴh

Vh=b0+b1Hu+b2Hu1+b3Hu2-3+b4Hu4-6+b5Hu7-10+b6Hd+b7Hd1+b8Hd2-3+b9Hd4-6+b10Hd7-10

(3)

式中Hu、Hd為觀測(cè)日上、下游水深(水位-建基面高程)，Hu1、Hd1為前一日上、下游水深，Hu2-3、Hd2-3為前2～3天內(nèi)的上、下游平均水深；依此類推。

基于滲流達(dá)西定理，為簡(jiǎn)化模型，可以用上下游水位差代替上述水壓因子。

如果在初蓄期有急劇的滲壓升高、滲流量增大的過(guò)程，可以考慮納入初蓄因子，即首高水位減前高水位的水位差。若當(dāng)日水位超過(guò)上個(gè)測(cè)次之前的最高水位，入選該因子，以便更好地分解水壓效應(yīng)。

4.1.3 時(shí)效分量Ⅴt

Vt=c0+c1t+c2ln(t)+c3t/(t+100)

(4)

式中t為從1971年3月1日算起至觀測(cè)日的累計(jì)天數(shù)。

4.1.4 降雨分量Ⅴp

Vp=d0+d1P+d2P1+d3P2-3+d4P4-6+

d5P7-10

(5)

式中P、P1為當(dāng)日及前一天日降雨量，P2-3為前2至3天內(nèi)日平均降雨量；依此類推。

4.1.5 突變因素

“5·12”大地震致使大壩滲流復(fù)雜化，根據(jù)滲流的測(cè)值過(guò)程線，基本均存在不同程度、不同方向的突變，隨后經(jīng)歷了長(zhǎng)短不一的調(diào)整過(guò)程，或回歸至原有變動(dòng)軌跡、或穩(wěn)定在一個(gè)新的平均水平上。對(duì)于這種情況，均是大壩運(yùn)行過(guò)程中一種正常、合理的存在，應(yīng)該從過(guò)程中解析出來(lái)再去分析評(píng)判時(shí)效趨勢(shì)，考慮加入三類突變因子進(jìn)行數(shù)學(xué)描述：

(6)

式中t1是從2008年“5·12”地震后首測(cè)日(或其他發(fā)生線性突變)起始的累計(jì)天數(shù)；∑t1表示“5·12”地震后首測(cè)日(或其他發(fā)生線性突變)起始至突變效應(yīng)中線性部分結(jié)束的累積天數(shù)，需根據(jù)各測(cè)點(diǎn)實(shí)際情況進(jìn)行考察。

f2(t1)=1

(7)

式中f2(t1)因子，僅在突變效應(yīng)的線性部分結(jié)束后，測(cè)值平均值穩(wěn)定在不同于突變前平均水平時(shí)入選。

A(t1)=原測(cè)值t1

(8)

式中t1為測(cè)值幅值發(fā)生改變的時(shí)段內(nèi)。

4.2 回歸結(jié)果分析

基于前述滲流與水位(降雨)的實(shí)測(cè)歷史過(guò)程線圖，采用上述的回歸分析方法，選擇歷史過(guò)程數(shù)據(jù)規(guī)律相對(duì)較好的代表性測(cè)點(diǎn)進(jìn)行回歸分析，回歸擬合過(guò)程線如圖6～7(限于篇幅，僅給出RK6Y測(cè)點(diǎn)和RK2Z測(cè)點(diǎn)的揚(yáng)壓力擬合回歸過(guò)程線),回歸成果分解統(tǒng)計(jì)見表1。

圖6 RK6Y測(cè)點(diǎn)揚(yáng)壓力擬合回歸過(guò)程線

圖7 RK2Z測(cè)點(diǎn)揚(yáng)壓力回歸過(guò)程線

表1 繞壩滲壓測(cè)值回歸成果分解統(tǒng)計(jì)表

由圖6～7可知，各測(cè)孔實(shí)測(cè)值與擬合值相關(guān)性較好，殘差的標(biāo)準(zhǔn)差在0.5～3.784 m之間，平均1.863；回歸擬合精度可接受；擬合結(jié)果大體上符合本工程的規(guī)律和特征，可供參考。

由表1可知，對(duì)于突變因素，10個(gè)代表測(cè)孔樣本系列，僅左岸RK2Z、RK3Z、RK4Z入選了“5·12”地震突變因子，分量值在1.59～7.98 m之間，平均4.92 m。且RK2Z、RK3Z在震后十多年來(lái)，沒有回歸原有發(fā)展軌道，均維持在新的均值，表明大地震對(duì)該兩孔滲流形成了持久的效應(yīng)。

對(duì)于上游水壓因素，10個(gè)代表測(cè)孔樣本系列中有6個(gè)入選了上游水位因子,相對(duì)占比15～36%，平均29%，尤其兩岸與斷層構(gòu)造帶關(guān)系緊密的測(cè)孔R(shí)K2Z、RK3Z、RK6Y、RK9Y其比例均超過(guò)30%，構(gòu)成壩肩繞滲的顯著影響因素。對(duì)于降雨因素，10個(gè)代表測(cè)孔樣本系列中全部入選降雨因子，占比25～68%，平均38%，成為影響繞壩滲流的最顯著因素。

對(duì)于時(shí)效因素，10個(gè)代表測(cè)孔樣本系列中除RK3Z、RK9Y兩孔，其余均入選時(shí)效因子，占比7～39%，平均21%，RK4Z、RK5Y、RK10Z三孔的時(shí)效趨勢(shì)是仍在增加，應(yīng)加強(qiáng)觀測(cè)，尤其RK4Z是低于庫(kù)水位的。

5 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)對(duì)龔嘴水電站長(zhǎng)期受庫(kù)水位和降雨影響的地下水位實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知：左壩肩未見明顯繞壩滲流現(xiàn)象；右岸除橫穿壩肩帷幕的斷層構(gòu)造帶存在一定上下游聯(lián)系外，其余未見明顯繞壩滲流現(xiàn)象。

采用回歸分析法對(duì)該實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析可得：在環(huán)境量的變化對(duì)繞壩滲流的影響分析中，上游水壓和降雨構(gòu)成了繞壩滲流的顯著影響因素；地震(突變因素)對(duì)滲流可能形成持久效應(yīng)；繞壩滲流也可能受時(shí)效因子的影響，應(yīng)加強(qiáng)觀測(cè)。