水位變化對土壩滲流的影響分析

彭丹鳳

（安福縣河湖灌溉服務中心,江西 安福 343200）

0 引言

均質土壩是我國常見的一種壩型。然而,由于壩體內滲流場的存在,均質土壩常常存在滲漏問題,嚴重影響了其安全穩定性和水資源利用效率[1]。因此,研究均質土壩滲流場的分布規律和影響因素,探討水位變化對滲流場的影響,對于均質土壩的管理和維護具有重要的現實意義。

水庫大壩滲漏會降低水庫的效益和安全性,造成壩體和壩基的滲透變形和滑動,影響下游的地下水位和農田生態[2]。加強水庫的管理和監測,采用合理的防滲和堵漏技術,根據不同的滲漏部位和滲漏形式,選擇適合的方法和材料,進行有效的防滲和堵漏處理[3-4]。

本文以某水庫大壩為研究對象,通過物探分析,確定了壩基滲漏形式,采用灌漿加固技術對壩基滲漏進處理,分析蓄水期壩基滲對水壩的影響,為類似工程提供參考。

1 工程概況

水壩正常蓄水位是2865 m,總庫容是107.67 億m3,調節庫容是65.6 億m3。大壩為礫石土心墻壩。壩頂高程是2875 m,最大壩高是295 m,水庫的蓄水分為三個階段進行：第一個階段,關閉初期導流洞,轉用導流洞泄水,庫水位從2608 m 升至2675 m；第二個階段,控制導流洞的泄水量,庫水位升至2785 m（死水位）,為機組的調試和發電做準備。第三個階段,根據工程的監測情況、防洪要求、來水情況和下游水電站的聯合調度,選擇合適的時機,蓄水至 2865 m（正常蓄水位）。

2 滲控及監測設計

為了在壩基地基上構建不透水的防滲面,使用了灌漿帷幕的方法。帷幕的不透水層的邊界是根據基巖的透水率q ≤3 Lu 來確定的,深入到相對不透水層的5 m 以下,以保證防滲的效果。防滲帷幕置見圖1?？紤]到長時間的高水頭對壩基帷幕的影響,河床的防滲帷幕的底部選定為2420.00 m。左岸的防滲帷幕深入山體150 m～280 m 之間。右岸的防滲帷幕是由每一層的灌漿孔和位于廠房的灌漿孔連接而成的,覆蓋整個廠房區域,并和大壩軸線處的防滲帷幕相連,以提高防滲的可靠性。

圖1 防滲帷幕布置

在最大壩高的橫截面上,結合大壩結構的設計和計算,設置一個監測斷面,在兩側岸坡上各設置了兩個監測斷面,共有五個監測斷面（見圖2）。在監測斷面建基面附近安裝滲壓計,用來觀察壩基的滲透壓力如何變化,以及評估壩基的防滲能力和排水設備的工作效果。

圖2 滲壓計布置圖

根據工程地質和水文地質條件,在左右壩肩基礎高程上各設六個高程點,從高到低為分別是2820 m、2875 m、2760 m、2700 m、2640 m、2575 m。每個高程點上布設一層帷幕灌漿孔,各層孔軸線基本與豎直斷面重合。河床灌漿廊道與兩側河岸高程2575 m 處的孔連通。為了防止壩基滲水,控制滲流量,設置了主防滲帷幕和幕后排水系統。帷幕灌漿的施工是通過河床灌漿廊道對各層孔實施灌漿。

測壓孔位于防滲帷幕之后,其孔深10 m～15 m。監測主防滲帷幕的防滲效果是否達到預期。此外,在兩岸灌漿廊道以及交通洞處,布置繞滲孔用于以監測繞壩滲流現象,了解灌漿帷幕在兩岸山體內防滲效果是否滿足要求。量水堰安裝在集水井和排水溝兩側,順水流方向安裝,用于監測壩區的滲漏量是否符合規范。

3 成果分析與討論

在水庫蓄水第二階段后,水位為2785 m,下游水位上漲小2607 m,水位抬升了110 m。帷幕前的滲壓變化情況見圖3和圖4。由圖可知,在帷幕前,壩體滲透壓的變化隨庫水位升高而增大。這一現象在蓄水第一階段并不明顯,在蓄水第二階段則表現出較為明顯的相關性。這說明水頭的作用能夠放大滲透壓與水位之間的關系。但也有部分區域的滲透壓在水位抬升后1～2 個月的現象在表現相出上升的趨勢,這一情況的出現可能與壩體的地質環境、和水的滲流路徑密切相關。比較水庫在蓄水后的第一、二階段滲透壓變化情況,發現滲透壓的變化相關性和滯后特征基本一致。在帷幕后的壩體滲透壓并未表現出與水位抬升的關聯。

圖3 壩基滲壓水位變化曲線

圖4 壩基滲壓水位分布

最大壩高斷面建基面滲壓計成果比較,帷幕前：壩基最高滲壓水頭 143.5 m,折算水位 2723.4 m,第一階段蓄水后水頭增幅 29.5 m,第二階段蓄水后水頭增幅 72.1 m；該水位是指相應的水壓力所對應的水深,并非實際的水位高度。

根據深部滲壓計監測數據顯示,在帷幕后最大壩高監測斷面后方,蓄水第二階段深部滲壓明顯增加,增加范圍為-0.008 MPa～0.246 MPa。其他斷面帷幕后滲壓變化幅度較小。此外,根據地質條件、勘察結果以及基底表面和大壩基礎滲壓監測數據的比較分析,推斷壩基深部滲透壓與高水壓的基巖裂隙傳遞的壓力有關。深部滲壓可能不會在監測點水位反映,可側面推斷防滲弱點位置。

圖5 帷幕后深部滲壓分布

在高程為2575 m、2640 m、2700 m 和2760 m 的灌漿孔內壩區主帷幕后,剔除粗差和異常數據,監測到的地下水位在第一階段蓄水結束后變化幅度較小,第二階段蓄水結束后水位略有升高但變化幅度總體不顯著,兩階段蓄水累計最大水位增幅為25.5 m。在高程為2575 m 的灌漿孔內,帷幕后地下水位低于2590.29 m,折減了194.71 m～222.75 m 的水頭,折減率為84.0%～95.2%。總體而言,蓄水后地下水位變化趨勢相對平緩,與庫水位變化的相關性不顯著。

據表1 所示,左岸大壩繞滲孔的折算水位相當于2620.63 m～2811 m 的水頭,而右岸大壩繞滲孔當前折算水位相當于2610 m～2686 m 的水頭。自蓄水以來,左右兩岸繞大壩滲孔水位變化在-9 m～8 m。各繞滲孔蓄水后的水位的變化似乎與庫水位變化無明顯規律。

表1 繞滲孔監測 單位：m

蓄水前各層灌漿孔與壩后的滲水量極低,僅為0.59 L/s。在蓄水第一階段結束后,總滲流量相比蓄水前增加了6.7 L/s；蓄水第二階段結束后,總滲流量比蓄水前增加了4.1 L/s。監測到的壩后滲流量處于波動狀態,通過與壩區降雨量分析,發現量水堰在壩后滲流量隨降雨量的增大而增大,因此,可以初步推斷壩后量水堰的滲流量受到降雨和外部水滲入等因素的影響較大。相比之下,其他各層灌漿孔的滲水量與蓄水前后變化很小[5-7]。

可見,不同地質條件和帷幕布置方式對壩基滲流情況影響顯著。監測結果表明,壩址區的封閉條件和全斷面滲漏量截取率是滲流量的主要決定因素。據監測數據顯示,建于深厚覆蓋層的壩基總滲漏量最小值為25.32 L/s,而壩基建于基巖上的總滲漏量最小值為36.1 L/s。總體而言,帷幕灌漿處理后壩基滲漏量較小,控制效果顯著。

圖6 帷幕后測壓管蓄水前后水位分布

壩后滲流量受到降雨和外部水滲入的影響。為此,可以采用時間序列分析、水文模型等方法對降雨量和滲流量數據進一步分析,以更好地探明這些因素對滲流量變化的影響。此外,需要加強對外部水滲入來源的調查和研究,進一步確定壩后滲流量變化的影響。

4 結論

本文以某水庫大壩為研究對象,通過物探分析,確定了壩基滲漏位置,采用灌漿技術對壩基滲漏進行堵漏處理。得到結論如下：

（1）壩體滲透壓的變化隨庫水位升高而增大,水頭的作用能夠放大滲透壓與水位之間的關系。

（2）不同地質條件和帷幕布置方式對壩基滲流情況影響顯著,壩址區的封閉條件和全斷面滲漏量截取率是滲流量的主要決定因素。

（3）壩后量水堰滲流量受到降雨和外部水滲入的影響。為此,可以采用時間序列分析、水文模型等方法對降雨量和滲流量數據進行分析,更好地理解滲流量變化的影響因數。