蓄水期土石壩壩基滲流滲壓變化規律

郭利利

(昌邑市峽山灌區灌溉所,山東 昌邑 261300)

0 引 言

在蓄水期間,庫水壓會引起壩基±體的滲流現象,滲流水的流動和壓力變化將改變壩體內部應力狀態,進而影響壩體的穩定性和安全性。 因此,深入研究和分析蓄水期±石壩壩基的滲流滲壓變化規律,對于水利工程的設計、施工和管理至關重要,可提高±石壩的安全性和可靠性,并確保水利工程的有效運行。

針對±石壩蓄水期間存在的滲流壓力和其他客觀因素影響,許多學者通過試驗法等不同手段開展了相關研究。 吳世勇[1]總結了二灘水電站高240m 拱壩的安全監測情況,對變形、應力、溫場、滲流、滲流壓力等綜合監測數據進行了分析整理,結果表明監測設計和運行管理措施合理有效,可為我國其他高拱壩工程提供有益參考。李浦健等[2]分析評述了拉西瓦水電站拱壩和基礎在首次蓄水期的運行性態,包括變形、收縮、應力、壓力、滲流和溫度等,為后續工作提供了決策依據。 楊弘等[3]對已完成蓄水至正常水位的錦屏一級水電站雙曲拱壩進行了數據監測,監測數據表明大壩和樞紐工程整體運行正常,庫岸安全,水位穩定。 周創兵等[4]以全生命周期為研究主線,闡述了關鍵科學問題和重點研究內容,并介紹了解決高陡邊坡的安全控制難題,展示了階段性研究成果和未來展望。 金建峰等[5]以杭州市閑林水庫為研究對象,結合監測設施和監測數據的綜合運用,總結了閑林水庫壩基、壩址兩岸等重點部位的滲流變化規律,重點分析了降雨等因素對測點水位的影響。

本文以某±石壩為研究對象,通過各階段的蓄水數據,結合上游水位和降水量,對壩基的滲流分布狀況進行分析。

1 工程概況和監測方法

1.1 工程概況

該水電站是長江流域一座現代化、高效、環保的大型水利樞紐工程。 作為重要的基礎設施工程,該水電站不僅能夠滿足地區的電力需求,還能夠調節河流水量,減少洪澇災害,改善航道條件,增加水運能力。 水電站的建設也符合國家節能減排和低碳發展的戰略目標,有利于保護生態環境和應對氣候變化。 該水電站在建設過程中,充分考慮了工程技術、經濟效益、社會效益和環境效益的綜合平衡,采用先進的設計理念和施工方法,以確保工程的質量和安全。

1.2 監測方法

根據大壩基礎防滲帷幕線的布置,將壩基分為30 個壩段,分別在壩段不同位置布設滲壓計和測壓管,得到±石壩一年內的滲流量和上游水位分布數據;再從壩基的河床滲流方面、左右壩基滲流方面以及壩基各壩段滲流情況方面,對該數據進行分析研究,具體步驟如下：

1)分析壩基河床滲流量與上游水位分布情況和降雨量之間的關聯性,針對壩基河床滲流量不同時序的變化曲線,歸納總結壩基滲流情況結果。 對左右壩基的滲流情況進行對比分析,探究不同壩段之間的滲流差異和原因,為壩基滲流控制提供參考。

2)在不同高度的排水孔和注漿口布置滲壓計,通過對壩基沿走向的水位變化情況進行觀測分析,研究壩基不同位置的水位變化趨勢,并提出對壩基滲流控制和壩體安全評估的建議和措施,以提高±石壩的安全性和可靠性,保障水利工程的運行效果[6]。

2 結果分析

2.1 河床壩基滲流情況分析

根據圖1 顯示,在不同時序下,河床壩基總滲流量主要受到上游水位和降雨量的影響。 根據降雨量的變化,可將河床壩基總滲流量分為3個階段：未降雨期、降雨期和降雨末期。 在未降雨期,上游水位與河床壩基的變化趨勢幾乎相同。 上游水位維持在300～380m 區間,而河床壩基總滲流量維持在500～607m 區間。 在未降雨期末期和降雨期初段,上游水位和河床壩基總滲流量出現驟增的上漲趨勢。 這是由于在未降雨期末期,水庫進行為期一周的蓄水工作,隨著上游水位的增高,河床壩基總滲流量也在逐漸增加。 在降雨期,隨著降雨量的增加,河床壩基總滲流量也相應增加。 此時,降雨量對河床壩基總滲流量的影響較小,因為上游水位對滲流量的影響更為顯著。 在降雨末期,隨著上游水位的逐漸降低,河床壩基總滲流量也在逐漸減少。 其原因可能是由于降雨過程的結束和水庫蓄水工作的完成,導致上游水位逐漸降低,從而導致河床壩基總滲流量的減少。

圖1 上游水位與降雨量對河床壩基影響規律

當上游水位逐漸降低時,河床壩基總滲流量的滲流通道逐漸關閉,因此滲流量逐漸減小。 同時,由于降雨的結束,地表徑流逐漸減小,導致地下水補給逐漸減少,也會導致河床壩基總滲流量的減少。 此外,降雨結束后,±壤和巖石中的孔隙水也會逐漸排泄到河床壩基中,但由于時間的限制,這些孔隙水并不能持續地補給河床壩基總滲流量。

根據以上分析,可以得出如下結論：①河床壩基總滲流量與上游水位和降雨量呈正相關關系。 ②上游水位是影響河床壩基總滲流量的主要因素。 ③未降雨期和降雨末期是河床壩基總滲流量較低的階段。 ④未降雨期末期和降雨期初段是河床壩基總滲流量較高的階段。 ⑤為了控制河床壩基總滲流量,在未降雨期末期和降雨期初段應盡可能減少水庫蓄水工作,在未降雨期和降雨末期應盡可能增加排水設施。

2.2 左右岸壩基滲流情況分析

河岸壩基滲流量變化曲線見圖2。 由圖2 可以發現,隨著時間推移,上游水位的變化趨勢可分為3 個階段：快速增漲階段、平穩增漲階段和逐步下降階段。 從壩基滲流量曲線變化規律來看,降雨量對滲流量的影響較小,而上游水位與滲流量存在較高的相關性。

在快速增漲階段,隨著上游水位的增加,左岸滲流量呈上升趨勢,而右岸滲流量則呈先減少后增加的趨勢。

在平穩增漲階段,隨著上游水位增加速率的減緩,左岸滲流量呈先減少后增加的變化趨勢,右岸滲流量總體呈現緩慢增加、快速下降再穩步上漲的趨勢。 左右岸滲流量變化情況在增長趨勢上保持大致的同步性,但左岸滲流量的變化范圍明顯大于右岸。

在逐步下降階段,左岸滲流量先達到該年最大值,然后進入陡降過程,最終趨于平穩下降。右岸滲流量在滲流量的起伏變化方面相較于左岸明顯更小,呈現出先增加再減少的趨勢。 這種現象是由于河岸壩基的物理和地質特性以及上游水位變化所導致的滲流量變化所引起的。

2.3 壩基的滲壓分析

大壩的穩定性和安全性受到滲流水壓力的影響,這種水壓力主要影響河床和河岸上的軟弱層結構。 為了評估大壩的安全性和穩定性,可在壩基不同位置安裝滲壓計,測量孔隙水或其他流體的壓力。 這些滲壓計可以安裝在排水孔和注漿口處,通過電纜或無線方式傳輸數據到監測中心,進行實時分析和處理。

為了對壩基不同位置的滲壓數據進行歸納統計,可以將大壩沿著走向分成30 個小壩段,并在不同高度的排水孔和注漿口處安裝滲壓計。這些位置包括基礎灌漿廊道、帷幕灌漿平洞和排水洞。 此外,還可以在大壩體內、上游和下游地基中設置滲壓計,以獲取更全面的滲壓信息。

壩基不同位置的水位分布圖見圖3。 由圖3可以發現,帷幕前的水位是各位置中最高的,處于740～820m 之間;灌漿廊道次之,水位變化起伏較大,水位變化趨勢大致相同。 隨著壩段編號的增加,壩基不同位置的水位變化情況均為先減后增,排水廊道和帷幕前的水位變化只出現在中段少量壩段間,灌漿廊道和廊道底板的水位變化一直貫穿整個壩段。

圖3 水位在不同壩段分布規律

這種現象可能是因為帷幕具有防滲效果,在滲流水經過帷幕后,壩段水位會出現下降的趨勢;灌漿廊道的高程明顯高于廊道底板,所以灌漿廊道的水位值高于廊道底板水位值;排水廊道設置有滿足壩基排水要求的排水設施,因此排水廊道的水位值明顯低于其他位置。 這表明排水設施和防滲帷幕可以有效降低水位值的上升,從而提高大壩的穩定性和安全性。

3 結 論

本文對河床壩基各壩段防滲帷幕、灌漿廊道、廊道底板以及排水廊道的水位分布規律進行了分析,結論如下：

1)壩基抗滑的穩定性受到滲流水壓力影響,防滲帷幕可降低壩基巖體的滲透系數,阻擋庫水滲漏;抽排水系統可降低壩基揚壓力;監測系統可反映壩基滲流狀態,發現異常現象。

2)河床壩基總滲流量主要受到上游水位和降雨量的影響。 隨著時間推移,上游水位的變化趨勢可分為3 個階段：快速增漲階段、平穩增漲階段和逐步下降階段。 降雨量對滲流量的影響較小,上游水位與滲流量存在較高的相關性。 左右岸滲流量變化情況在增長趨勢上保持同步性,但左岸滲流量的變化范圍明顯大于右岸。 右岸滲流量在滲流量的起伏變化方面相較于左岸明顯更小,呈現出先增加再減少的趨勢。