基于实测资料土石坝渗流稳定分析

李雨洁，郑汉种，黄锦来

(1.东阳市思源供水有限公司,浙江 金华 322100; 2.浙江广川工程咨询有限公司,浙江 杭州 310020; 3.金华市九峰水库管理中心，浙江 金华 321000)

1 工程概况

东方红水库位于东阳市虎鹿镇溪口村之北1 km处,地处钱塘江流域金华江水系东阳江支流白溪上游河段,是一座以灌溉为主,并结合防洪、供水、发电、养殖等综合利用的中型水库,其工程等别为Ⅲ,主要建筑物级别为3级,次要建筑物级别为4级。水库按50 a一遇洪水设计(198.06 m)、200 a一遇洪水校核(201.0 m)。水库枢纽主体工程有拦河坝、溢洪道、泄洪洞等建筑物。加固前主要靠原黏土心墙进行大坝防渗,2008年除险加固在原黏土心墙的中间部位设置一道混凝土防渗墙进行防渗。

为观测大坝坝体的防渗效果,选取3个观测断面(坝0+060 m、坝0+100 m、坝0+140 m),其中坝0+060 m断面坝上钻孔埋设6只渗压计;坝0+100 m断面坝上钻孔埋设4只渗压计;坝0+140 m断面钻孔埋设9只渗压计。为观测大坝坝基的防渗效果,选取2个观测断面(坝0+060 m、坝0+100 m),其中坝0+060 m断面坝上钻孔埋设3只渗压计;坝0+100 m断面钻孔埋设5只渗压计。

2 渗流监测资料分析

土石坝在竣工蓄水后的运行期间,均会受到水的渗流作用,这可能对大坝结构安全产生不利的影响,而当渗流要素超过某个允许值时,其坝体结构就会产生破坏[1]。本工程为观测大坝坝体的防渗效果,布置了3个观测断面(坝0+060 m、坝0+100 m、坝0+140 m),本次渗流分析选取典型断面坝0+060 m进行分析,坝0+060 m断面渗流观测图如图1所示。渗压计安装采用钻孔埋入法。其中渗压计UP1-4，UP1-6，UP1-9埋入坝基中。

2.1 渗流过程线分析

渗压计水位和库水位随时间变化的过程线见图2。

由图2可知,UP1-1水位低于库水位10 m～15 m左右,与库水位有着一定的相关性;上游侧UP1-2,UP1-3水位与库水位相关性较好,且与库水位相近;防渗墙后UP1-5 水位与库水位有着一定的相关性,与墙前同一高程UP1-3相比,水位降低约3 m～5 m。下游侧UP7,UP8和坝基渗压计UP1-4,UP1-6,UP1-9水位与库水位相关性较小,水位走势平稳基本无变化。

2.2 位势分析

选取近5年来稳定高水位工况计算位势,计算结果如表1所示。

表1 坝0+060 m断面坝体渗压计位势计算表

由表1可知,各工况下位势计算结果规律性一致,无异常变化;墙前位势依据埋设高程自上而下逐步降低,同一断面从上游至下游位势逐步降低,符合渗流一般规律;UP1-3与UP1-5分别位于防渗墙墙前和墙后同一高程,墙体前后位势削减10.93%～18.07%;下游坡UP1-7和一级马道UP1-8水位均接近于地下水位,位势接近于0.00%;综上分析可知该断面大坝防渗效果较好。

3 渗流水位统计模型分析

3.1 回归模型的选择

由土石坝的渗压计水位的实测资料以及相关研究资料可知,渗压计水位主要受上下游水位、降雨以及坝体材料的渗透时变特征等影响。坝体渗压计水位与库水位的一次方成正比,然而随着上游水位的变化,存在一个渗流的过程,使坝体的渗压计水位滞后于库水位[2]。降雨在入渗坝体内引起渗压计水位变化也存在一个滞后的过程[3]。土石坝竣工蓄水后,土体结构颗粒会发生一定的变化,坝前也会逐渐淤积形成自然铺盖,这些因素对渗压计水位的影响有一个时效过程[4-5]。

根据前文分析结果,坝体渗压计水位受库水位影响显著,但是坝体渗压计水位变化一般要滞后7 d左右,因本工程下游无水,故hd=0。而降雨量对坝体渗压计水位也有一定的影响,与此同时,渗压计水位有明显的时效过程。

综上分析,坝体渗压计水位的统计模型为：

3.2 成果分析

根据前面的实测资料,本次对坝体渗压计UP1-2,UP1-3,UP1-5，UP1-7，UP1-8的水位建立回归模型并进行分析,分析成果见表2，表3。

表2 渗压水位回归分析成果详细表

表3 渗压计最高水位影响因子占比表 %

由表2可知,UP1-2，UP1-3，UP1-5回归模型的复相关系数R在0.94以上,标准差S在0.53 m以下,说明回归的精度较高;而UP1-7,UP1-8回归模型的复相关系数R均较低,根据前文的资料分析可知,其主要受地下水位的影响,与库水位及降雨量的相关性不大。

UP1-2,UP1-3，UP1-5测点未选当日库水位和前1天、前2天库水位,说明库水位对测点的影响具有滞后性。UP1-2,UP1-3,UP1-5测点均仅选取了前2天的降雨量平均值,说明降雨量对测点的影响也具有滞后性。

由表3可知,UP1-2,UP1-3,UP1-5测点渗压水位中,水位分量所占比重最高,在63.78%～80.24%之间;降雨分量占比均接近于0,对渗压水位未产生影响;时效分量所占比重在19.76%～36.22%之间。

综上,UP1-2,UP1-3，UP1-5测点渗压水位受库水位和时效共同影响,且主要受上游库水位影响;UP1-7，UP1-8测点渗压水位主要受地下水位的影响,与库水位及降雨量的相关性不大。

4 结论

基于东阳市东方红水库,通过对水库大坝渗流的实测资料,建立统计模型进行分析,得出以下结论:

1)上游侧测点水位与库水位相关性较好,防渗墙后UP1-5水位与库水位有着一定的相关性,下游侧和坝基渗压计水位与库水位相关性较小。

2)位于防渗墙墙前和墙后同一高程,墙体前后位势削减显著;下游坡和一级马道水位均接近于地下水位,综上分析可知该断面大坝防渗效果较好。

3)由统计模型分析可知,UP1-2,UP1-3,UP1-5测点渗压水位受库水位和时效共同影响,且主要受上游库水位影响;UP1-7,UP1-8测点渗压水位主要受地下水位的影响,与库水位及降雨量的相关性不大。