龚嘴水电站环境量变化对绕坝渗流的影响分析

罗 正 英， 黄 会 宝， 胡 翰 尹， 柯 虎

(国能大渡河流域库坝管理中心，四川 成都 610000)

0 引 言

渗流是影响大坝安全运行的重要因素，上下游水位、坝区气温、水温及坝区降雨等环境量的变化，将会直接影响大坝的稳定[1]。绕坝渗流是大坝渗流的重要部分，它容易导致地下水位抬高，引起坝肩失稳[2]。绕坝渗流是沿着坝岸结合面或坝端山坡土体的内部向下游渗水, 甚至集中渗流,它能引起坝端部分坝体内浸润线抬高, 岸坡出现阴湿、软化甚至产生滑坡。因此，实时监测库区环境量变化，有助于准确评价绕坝渗流对库坝安全的影响。

1 工程及地质概况

龚嘴水电站位于四川省乐山市沙湾区与峨边县交界处的大渡河上，控制流域面积76 130 km2，占全流域面积77 400 km2的98.3%，是一个以发电为主的水利枢纽工程。水库正常蓄水位528.00 m，相应的总库容实测3.45亿m3，水库属山区河道型，有效库容实测1.018亿m3，具有日、周调节能力。坝址处多年平均流量为1 490 m3/s。

坝址地质构造属于南北向，位于龚嘴宽缓背斜核部东侧，西距二峨山断层2 km，东距白石溪断层2.5 km，坝址内没有大的断层，仅见破碎带宽度小于1～2 m的小断层11条。两岸谷坡及谷底左侧岩体卸荷显著，特征是裂面普遍张开，充填次生夹泥(水平卸荷例外)。岩体的风化深度不一，总的趋势是：左岸较右岸风化强烈，两岸较河床风化强烈，河床左侧又较右侧风化强烈。岩体的透水性主要受构造裂隙及其开度控制，一般随深度增加而减弱。河床部位透水性不强，相对抗水层埋深40～50 m，河谷两岸和谷底左侧透性极不均匀，相对抗水层埋深左岸与谷底左侧60～70 m，右岸50～60 m。地下水可分为第四系孔隙水和基岩裂隙水两种，一般为重碳酸钙镁型，不具任何侵蚀性。坝址所在区域无震源分布，属地震波及区，地震设计烈度为7度。

2 龚嘴水电站绕坝渗流测网布置

龚嘴水电站绕坝渗流在左右两岸坝肩，设计布设22个测点，左右岸各11个(图1)。多年来，因堵塞、周边农民盖房圈占、围墙修建等因素影响个别孔的正常观测。RK8Y于2010年11月因修路被毁坏无法恢复；RK10Y、RK11Z因修建围墙或住宅遮挡，仍然无法监测；除此三孔，2012年对其余孔进行扫孔处理，并更换了孔口装置，目前在测孔数19个。2016年对绕坝渗流测点进行了自动化改造，其中左岸10个，右岸9个。

3 监测资料整理及分析

龚嘴水电站绕坝渗流监测历经20年，监测数据整理后，左右岸地下水位及同期库水位或降雨(高于库水位的监测孔)过程线见图2～5。

(注：图中虚线为灌浆帷幕位置线)图1 绕坝渗流(地下水位孔)布置图

图2 左岸绕渗渗压水位变化过程线(上游水位)

由图2、图3可知，左岸灌浆帷幕后的RK1Z、RK2Z、RK3Z明显受库水位及降雨影响，随着库水位及降雨量的变化而变化。RK1Z、RK2Z受“5·12”地震影响降落约3～5 m，且随后十几年来没有恢复迹象；目前三个孔分别低于库水位24.80 m、23.64 m、6.55 m，说明左岸灌浆起到了较好的阻水作用。位于RK1Z、RK2Z、RK3Z下游侧的RK4Z、RK6Z水位受降雨影响明显，水位变化幅度较大其值分别为3.80 m、16.10 m。下游岸坡测孔RK5Z、 RK7Z～RK10Z水位高于上游部位测孔，也高于水库水位，且很平稳，波动幅度小，主要受两岸地下水位影响。左坝肩未见明显绕坝渗流现象。

图3 左岸绕渗渗压水位变化过程线(降雨)

由图4、图5可知，右岸RK1Y、RK2Y、RK3Y测孔位于幕前，RK1Y、RK2Y基本就反映库水位的波动，RK3Y则高于库水位10 m以上，更多受岸坡地下水位或降雨影响。幕后测孔RK4Y、RK5Y、RK8Y低于同期库水位，未见库水位影响迹象；RK6Y、RK9Y也基本与库水位持平，且受到其影响，同时受降雨影响，疑与上下贯通帷幕的断层构造带有联通。幕后岸坡测孔RK7Y、RK11Y测值分别高于库水位16.99 m 、22.73 m，受到岸坡地下水及降雨影响。

图4 右岸绕渗渗压水位变化过程线(上游库水位)

图5 右岸绕渗渗压水位变化过程线(降雨)

4 监测资料的回归分析

通过数学方法，建立效应量与环境量(库水位、气温、降雨、时间)间的数学关系式，据此分离各种环境因素的影响，了解各环境量对监测量的影响程度和规律，进而揭示可能潜在的不安全因素及发展趋势[3]。基于上述监测资料，采用了易于为工程界所理解和接受的传统统计模型法，对龚嘴水电站近几年的监测资料进行回归分析。

4.1 分析模型[4]

大坝渗流问题很复杂，通常与基础地质条件、库水压力、降雨状况等相关，大坝渗流量可用如下数学模型来描述：

V=VT+Vh+Vt+Vp

(1)

式中 ⅤT为由于坝区温度变化引起的渗漏量变化量；Ⅴh为由于水压变化引起的渗漏量变化量；Ⅴp为由于坝区降雨引起的渗漏量变化量；Ⅴt为渗漏量趋势性变化量，即时效分量。

4.1.1 温度分量ⅤT

温度变化可引起渗透裂隙热胀冷缩从而影响渗流通道的特性，可使水的黏滞性发生改变。但对于这种高坝大库，基础温度通常很稳定，难有显著波动，分量通常也可被忽略。温度分量可采用多段平均气温的线性组合，其表达式为：

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

(2)

式中T、T5、……T120为观测日当天、前5天、……前120天的平均气温。

4.1.2 水压分量Ⅴh

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

(3)

式中Hu、Hd为观测日上、下游水深(水位-建基面高程)，Hu1、Hd1为前一日上、下游水深，Hu2-3、Hd2-3为前2～3天内的上、下游平均水深；依此类推。

基于渗流达西定理，为简化模型，可以用上下游水位差代替上述水压因子。

如果在初蓄期有急剧的渗压升高、渗流量增大的过程，可以考虑纳入初蓄因子，即首高水位减前高水位的水位差。若当日水位超过上个测次之前的最高水位，入选该因子，以便更好地分解水压效应。

4.1.3 时效分量Ⅴt

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

(4)

式中t为从1971年3月1日算起至观测日的累计天数。

4.1.4 降雨分量Ⅴp

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

d5P7-10

(5)

式中P、P1为当日及前一天日降雨量，P2-3为前2至3天内日平均降雨量；依此类推。

4.1.5 突变因素

“5·12”大地震致使大坝渗流复杂化，根据渗流的测值过程线，基本均存在不同程度、不同方向的突变，随后经历了长短不一的调整过程，或回归至原有变动轨迹、或稳定在一个新的平均水平上。对于这种情况，均是大坝运行过程中一种正常、合理的存在，应该从过程中解析出来再去分析评判时效趋势，考虑加入三类突变因子进行数学描述：

(6)

式中t1是从2008年“5·12”地震后首测日(或其他发生线性突变)起始的累计天数；∑t1表示“5·12”地震后首测日(或其他发生线性突变)起始至突变效应中线性部分结束的累积天数，需根据各测点实际情况进行考察。

f2(t1)=1

(7)

式中f2(t1)因子，仅在突变效应的线性部分结束后，测值平均值稳定在不同于突变前平均水平时入选。

A(t1)=原测值t1

(8)

式中t1为测值幅值发生改变的时段内。

4.2 回归结果分析

基于前述渗流与水位(降雨)的实测历史过程线图，采用上述的回归分析方法，选择历史过程数据规律相对较好的代表性测点进行回归分析，回归拟合过程线如图6～7(限于篇幅，仅给出RK6Y测点和RK2Z测点的扬压力拟合回归过程线),回归成果分解统计见表1。

图6 RK6Y测点扬压力拟合回归过程线

图7 RK2Z测点扬压力回归过程线

表1 绕坝渗压测值回归成果分解统计表

由图6～7可知，各测孔实测值与拟合值相关性较好，残差的标准差在0.5～3.784 m之间，平均1.863；回归拟合精度可接受；拟合结果大体上符合本工程的规律和特征，可供参考。

由表1可知，对于突变因素，10个代表测孔样本系列，仅左岸RK2Z、RK3Z、RK4Z入选了“5·12”地震突变因子，分量值在1.59～7.98 m之间，平均4.92 m。且RK2Z、RK3Z在震后十多年来，没有回归原有发展轨道，均维持在新的均值，表明大地震对该两孔渗流形成了持久的效应。

对于上游水压因素，10个代表测孔样本系列中有6个入选了上游水位因子,相对占比15～36%，平均29%，尤其两岸与断层构造带关系紧密的测孔RK2Z、RK3Z、RK6Y、RK9Y其比例均超过30%，构成坝肩绕渗的显著影响因素。对于降雨因素，10个代表测孔样本系列中全部入选降雨因子，占比25～68%，平均38%，成为影响绕坝渗流的最显著因素。

对于时效因素，10个代表测孔样本系列中除RK3Z、RK9Y两孔，其余均入选时效因子，占比7～39%，平均21%，RK4Z、RK5Y、RK10Z三孔的时效趋势是仍在增加，应加强观测，尤其RK4Z是低于库水位的。

5 结 语

经对龚嘴水电站长期受库水位和降雨影响的地下水位实测数据分析可知：左坝肩未见明显绕坝渗流现象；右岸除横穿坝肩帷幕的断层构造带存在一定上下游联系外，其余未见明显绕坝渗流现象。

采用回归分析法对该实测数据进行回归分析可得：在环境量的变化对绕坝渗流的影响分析中，上游水压和降雨构成了绕坝渗流的显著影响因素；地震(突变因素)对渗流可能形成持久效应；绕坝渗流也可能受时效因子的影响，应加强观测。