象山县仓岙水库大坝防渗加固后渗流性态分析

陈孟荣,周小飞

(1.宁波市水利水电规划设计研究院,浙江 宁波,315192;2.宁波市三江河道管理局,浙江 宁波,315192)

1 工程概况

象山县仓岙水库位于浙江东中部、宁波市东南低山丘陵区的象山港南岸,离象山县城 (丹城)6 km。水库于1958年动工,1978年8月全部建成,1981年5月竣工。水库总集雨面积为12.60 km2,总库容1076万m3。

大坝为黏土心墙砂壳坝,最大坝高32.91 m,坝长421 m。坝基为含泥碎块石、砾石,为河床内沉积的近原冲洪积物,含大量黏性土、少量砂,最大层厚约30 m。根据试验,坝基泥砾土层级配不佳,缺少中间颗粒,其渗透系数为1.17×10-4～7.69×10-3cm/s,整体上为1×10-3cm/s量级,并局部存在渗漏通道。针对坝基防渗薄弱环节,2005年开始对大坝基础进行了防渗加固。坝基处理采用硫铝酸盐短凝固水泥、磨细水泥和普通硅酸盐水泥3种材料的帷幕灌浆,沿轴线设A、B共2排帷幕灌浆孔,其中上游B排轴线与坝轴线重合,2排帷幕排距1.5 m,孔距2 m,总共布置灌浆孔321个,设计有效幕厚为3.6 m;帷幕为悬挂式,平均深度为12.8 m。

为检验大坝的加固效果及以后的安全运行管理提供决策依据,水库建立了安全监测系统,并进行自动化监测,其中渗流监测是该工程监测的关键与重点。

2 加固后渗流性态分析

2.1 渗流观测布置

施工时原测压管大部分被堵塞,因而在灌浆结束后重新埋设渗流观测设施。在大坝共选取6个观测断面,每个断面布置3～5个测压管,用于观测坝体浸润线和坝基渗流压力,其中坝体测压管10个,坝基测压管10个。在每个测压管中安装1支渗压计,以实现自动化监测。

典型断面的渗流监测剖面见图1。

图1 坝体和坝基渗流监测典型断面图

2.2 测压管水位变化过程分析

2.2.1 各断面的测压管水位

各断面的测压管水位见图2～7,其变化规律如下:

(1)上游侧防渗墙前的6支测压管水位变化与库水位变化密切相关,其变化幅度与库水位变化幅度基本一致,峰值出现时间也基本一致,滞后时间很短。下游侧距坝轴线5～15m范围内的测压管,水位变幅2～4 m/a,远小于库水位的变幅(11.35 m/a)。其峰值出现时间与库水位相比,滞后2～4 d。下游侧距坝轴线24～29 m范围内的测压管,水位变幅普遍在0.5 m/a以内,库水位的变化对这些测压管影响甚微。

(2)坝后测压管JUP41变化幅度也很小,约为0.5 m,表明坝后地下水位基本没有大的升降,其变化一定程度上受降雨的影响。

图2 0+090 m断面测压管的水位过程线图

图3 0+110 m断面测压管的水位过程线图

图4 0+158 m断面测压管的水位过程线图

图5 0+210 m断面测压管的水位过程线图

图6 0+286 m断面测压管的水位过程线图

图7 0+337 m断面测压管的水位过程线图

2.2.2 各断面测压管水位分布图

为便于比较,绘制观测期内高水位、低水位、中间水位3种工况时各个断面的测压管实测水位分布图 (见图8,其它断面基本相似)。其中高水位选取时间为2007年10月10日,对应库水位70.42m;低水位选取时间为2007年8月19日,对应库水位61.35 m;中间水位选取时间为2007年1月10日,对应库水位64.05 m。

图8 测压管水位分布图

各断面测压管水位分布具有相似的规律,即从上游水面线到上游侧的测压管,沿程水头损失很小,曲线接近水平;从上游侧的测压管到下游方向第1排测压管,沿程水头损失最大,曲线呈快速下降,这是因为防渗墙承担了绝大部分的水头损失,尤其是当库水位较高时,防渗墙部位承担的水头损失更高;再往下游方向,曲线又逐渐平缓。整个观测期间内最下游侧的测压管水位变化甚微。从2007年8月下旬到10月上旬1个多月的时间里,库水位快速上升10余米,各断面坝后的水力坡降都未出现大的变化。这表明在目前运行的水位条件下,库水位的变化对坝下游坡的渗流场影响是很小的。

2.2.3 测压管位势分析

对稳定渗流而言,测压管位势仅仅是空间的函数,而不随时间而变。若渗流场中某点的位势增大,则有可能产生渗透变形。位势可用下式计算:

式中:hi为测压管水位(m),H1、H2为上下游水位(m)。该报告中,下游水位采用0+210 m断面位于坝坡脚的JUP41的实测水位。

测压管透水段位于坝基的有3个断面,以0+158 m断面为例 (见图9)。3支测压管的位势从上游侧到下游侧分别为0.97～1.0,0.30～0.36,0.01～0.04 m。可以看出:①坝基的透水性较强,防渗墙前的测压管位势接近100%,而防渗墙后2个测压管的位势则较低,尤其是最下游侧的测压管,位势接近于0,说明防渗墙在截断渗流水头方面起到了重要作用;②1年多的观测期内各测压管的位势基本保持不变,说明渗流是基本稳定的。位于坝基的另外2个断面0+090,0+286 m与其具有相似的规律。

测压管透水段位于坝体的也有3个断面,以0+210 m断面为例 (见图10)。该断面布置的4个测压管的位势从上游侧到下游侧分别为0.90～0.93,0.52～0.59,0.34～0.45,0.20～0.28 m,其分布也符合渗流的基本规律,但上游侧的测压管位势比坝基测压管相比较要小,显然与测压管的透水段实际上是位于心墙内,而心墙渗透系数较小有关。该断面在1年多的观测期内位势变化也不大,但要比坝基的变化显著些,推测其原因,位于坝体的各测孔位于渗透系数相对较小的心墙或过渡料层内,容易受测压管滞后效应的影响。进一步分析表明,位势变化最大的时段是2007年9月下旬。这个阶段受台风降雨的影响,库水位快速上升10余米,而测压管处于渗透系数较小的地层内,水位有一定的滞后,因此位势就出现不同程度的下降。在库水位快速上升的时候,位势没有上升,也说明坝体的渗流场没有出现不利的变化趋势。位于坝体的其余2个断面0+110,0+352 m与其规律类似。

图9 0+158 m测压管的位势图

图10 0+210 m断面测压管的位势图

2.3 坝体渗流的影响因素分析

影响坝体浸润线形态的因素很多,包括上游库水位、降雨及时效等因素。由于渗流具有一定的滞后效应,因此影响到坝体浸润线的并不仅仅是当前的库水位和当日的降雨量,还包括前一段时间的库水位和降雨量。根据可能的延滞时间,该分析选取了当日库水位以及1～7天前的库水位、当日降雨量以及1～4天前的降雨以及时效分量进行逐步回归计算。

根据渗流的支配方程,上游水位并不与下游水位呈线性相关,但其平方则满足线性关系。因此建立的回归方程模型为:

式中:H为测压管水位 (m);bi(i=0～17)为回归系数;Wi(i=1～8)为当日以及第1～7天前的库水位(m);Ri(i=1～5)为当日及1～4天前的日降雨量 (mm);θ为时效,以观测持续天数除以100计算。

该文以0+210 m断面5支测压管为例进行分析,0+210 m断面共5个测压管。首先利用逐步回归方程,计算回归系数,然后对于建立的回归方程进行有效性检验。对于给定的显著性水平α=0.05,α=0.01,F临界值及F检验值见表1。F检验结果表明,F检验值＞F(0.01,k,n-k-2),表明建立的回归方程是有效的。

回归结果表明,位于最上游侧的TUP21仅仅与当日库水位和时效有关,而与降雨无关,这与该部位的实际情况是吻合的。往下游方向的TUP22与2天前的库水位有一定关系,同时还与降雨和时效有关。再往下游方向的TUP23和TUP24,与库水位虽然也有一定相关性,但相关性已经很弱。而位于下游坡脚的JUP41虽然与当日、2天前的库水位都有一定相关,但系数却1正1负,其量值基本相等,同时考虑到2天内库水位的变化不大,因此基本是抵消的,而该部位与2天前的降雨量有一定相关,这与该测孔埋深较浅,容易受地表水下渗影响有关。

表1 0+210 m断面测压管回归方程F检验值表

从回归分析结果可以得出,坝体渗流的主要因素为:上游库水位、降雨、时效。其中上游库水位占主导地位,但主要是影响防渗墙前的测压管,而对下游坡的测压管影响程度显著减弱,表明防渗心墙及帷幕灌浆发挥了很好的作用。降雨主要是对下游坡的测压管有一定影响,这是由于坝体雨水下渗,会使测压管水位抬高,但降雨对上游坡的测压管无任何影响。时效因素对上下游的测压管都有一定作用,这主要可能是反映测压管随时间推移,灵敏度逐渐下降的过程。时效因素影响程度甚微。

2.4 加固前后测压管水位变化

与加固前埋设的测压管进行比较分析。由于以下2点原因,分析结果只具有参考意义:①原有测压管的孔位、孔深、花管结构和长度、所处地层层位均与新安装的测压管有所区别;②原有的测压管因运行时间久,其灵敏度可能有所下降。

现以0+218 m断面的II2(距离坝轴线7.5 m)为例,从1999—2003年,该孔测压管水位在62～58 m变化。而0+210 m断面的TUP22(距离坝轴线7 m),2007年最高测压管水位约为56 m,与前期相比,下降了4 m左右。

以位于0+163 m断面的V2(距离坝轴线3.5 m)为例。2003年测压管最高水位在51 m左右。而0+158 m断面的JUP22,2007年度最高水位为48 m,下降了3 m左右。

从以上的比较结果可以看出,防渗墙的实施,使得坝体和坝基的测压管水位均有了一定程度的下降,说明防渗墙起到了比较明显的作用。

3 结 论

通过对测压管水位分析、位势分析、渗透坡降计算以及与原测压管水位观测资料的比较后认为,坝基帷幕灌浆的实施,对于改善大坝的渗流状况,起到了较好的作用。