白龟山水库拦河坝渗流分析

□ 郭延峰 □王新涛（河南省白龟山水库管理局）

1 基本情况

1.1 水库工程概况

白龟山水库位于淮河流域沙河干流之上，水库坝址在河南省平顶山市的西南郊，距离市中心9 km，和上游的昭平台水库形成梯级水库，是一座集防洪、灌溉和供水为一体的大（2）型综合利用水库。水库兴建于1958年12月，于1966年竣工。水库总库容9.22亿m3，控制流域面积2740 km2，按100年一遇防洪标准设计，2000年一遇校核。

1.2 拦河坝工程地质概况

拦河坝建于白龟山与九里山之间，横跨沙河河谷和一级阶地，0+130～1+000为一级阶地，地面高程92～94m，1+000～1+530为河床及漫滩，河谷最低高程86m。

冲积层地层分布以0+580为界，一级阶地上覆土壤成分为：0+200～0+580为中重粉质壤土，厚度7～15m；0+580～1+000为中轻粉质壤土，厚度4～7m；0+200以北阶地表面及基岩山坡上分布坡积土及块石。阶地下部为砂卵石层，厚度15～17m，颗粒组成有上细下粗规律。

河床及漫滩，75m高程以上为中粗砂及砾质粗砂，以下为砂卵石层，冲积层总厚度为17～20m。70m高程以下伏基岩，上部为新第三系粘土岩夹粉砂岩，下部为元古界石英砂岩夹页岩。

1.3 坝体防渗措施

拦坝坝体上游部分采用天然粘土铺盖与人工铺盖相结合，并与坝脚相接，铺盖长度按5倍水头；厚度分布为：河槽段3.50～1.00m，台地段为0.50～1.00m。坝体采用粘土防渗，下游有导渗降压井22眼，坝下游坡脚设有排水沟和导渗暗函，用来排除坝面雨水和坝基渗水。河床段1+150～1+470段，下游坝脚设贴坡排水，坝基设有水平垫层排水。

1.4 坝基渗流观测点布置

坝体共布置了6个坝基承压观测断面：0+500断面、0+800断面、0+900断面、1+000断面、1+200断面、1+350断面。共计设有29根测压管及浸润线管，坝下共设有20根井间压力管，并设有一处坝基渗流量观测点。

2 拦坝测压管水位动态分析

以拦河坝断面1+000处测压管水位和坝下井间压力管水位为例，测压管水位线分布情况如图1所示。

图1 测压管水位线分布图

从拦河坝地下水位线（库水位102.00m）可以看出，拦坝地下水动态与各段地基的水文地质条件关系密切，上游的地下水位高，下游的地下水位低，左端的地下水位高，右端的地下水位低，两端地下水位不对称。

河床部分，上下游地下水位一般相差2～3m；右边的地下水位低，左边的地下水位高，左右两边的水位差一般在1m以内。从历年的测压管水位与库水位过程线可以看出，管水位的变化与库水位关系密切，随库水位的升降十分明显。滞后时间一般是2 d左右或不足1 d，且管水位的升降幅度变化不大。一般情况下，靠上游的测压管水位升降值在3m以内，靠下游的测压管水位升降值在1m以内。

左岸1+000以北的一级阶地，其地下水位与河床部分有较大差别，地下水位向两侧左升右降。如1+000断面处的测压管，在坝轴线下游56m处，当库水位达到102m，管水位达到90.50m时，河床相同轴线上的管水位仅为92m。两管水位相差接近2m。测压管滞后时间大多超过2 d。总的看来，一级阶地地下水位相比库水位的变化反应迟缓一些，这符合基础层透水性弱的地质条件。

右岸在桩号1+350处坝基为河床段，地下水位低于左岸。如库水位在102.00m时，井间压力管21#管水位为90.30m，较左岸相同位置的管水位低4m左右。

3 拦河坝坝基测压管水位与库水位的相关性分析

3.1 库水位的选取要具有代表性

要求库水位要稳定3 d以上才认为稳定在此水位。不同库水位情况下的测压管水位选取，应选取同一断面同一天测得的管水位值，不考虑轴距影响造成的滞后时间。历年最高、最低库水位时的管水位，取与之相对应的最高、最低管水位值。其它管水位值应选取库水位上升的情况，这样滞后时间才较为一致，应用中应采取库水位上升的过程。

3.2 依据相关性分析为基础计算预测库水位时各断面的测压管水位值

将预测库水位值代入回归公式：

式中：h—预测测压管水位值，a—常数项，b—回归系数，H—库水位。

可得出相应的预测管水位值，通过回归分析计算，相关系数在0.75左右，显著相关。通过相关性计算，当库水位为105.38m和105.90m时，各管水位平均上升0.80m左右。

4 拦河坝渗流计算分析

对于建筑在强透水性基础上的土坝，由于坝体填料的渗透系数与强透水层的渗透系数相差很大，故坝基地下水为渗流分析的主要考虑因素，坝体可视为相对弱透水部分，人工铺盖因其厚度小且较长，可视为透水部分。为确定各段坝基的透水压力分布情况，及透水压力对坝基和坝体的影响，渗流分析时采用实测资料进行分析计算。坝体和坝基分开计算渗流量，坝体采用分段法计算。主要内容有：库水位102.00m及103.00m和预测库水位105.38m(20年一遇)、105.90m(50年一遇)时，各断面坝基水平渗透坡降及出逸比降。坝基渗透流量估算，均质土坝渗透系数相差在5倍以内的相邻薄土层可按照一层来计算，采用加权平均所得的渗透系数作为计算依据。坝体渗透系数采用经验值10-4cm/s，坝基渗透系数采用经验值2×10-1cm/s。

4.1 坝基的水平渗透坡降和出逸比降

拦河坝河床段的坝基地层分布情况是：自上而下分别为细砂、砂砾、砂卵石层，设计坝基的允许渗透坡降值为0.11。坝基渗透坡降采用经验公式为：

式中：H—上游水位，h—下游水位，L—坝基渗径。

当库水位在103.00m和超过103.00m时，利用实测资料计算可得出，河床段最大水平渗透坡降是0.08，小于设计允许值。预测库水位105.38m的最大坝基水平坡降也仅为0.09，能满足工程安全运行要求。拦河坝河床段在高水位运行下，地基岩层层间发生接触冲刷和流失的可能性还需要进一步的分析计算。

拦河坝的左端，坝基渗透性及入渗条件都比较差，下游排泄条件正常。在实测资料计算中，坝基的水平渗透比降最大为0.07，比河床段平均高出0.01～0.02，即使在预测库水位为105.90m时，水平渗透坡降最大为0.08，亦能满足要求。

4.2 渗流量计算

渗流计算应考虑坝体和坝基渗透系数的各向异性，渗流量的计算宜采用土层渗透系数大值的平均值。拦河坝主要的透水层为坝基部分的砂、砂卵石、砂砾石。利用实测资料计算渗流量，渗流计算采用经验公式：

坝体渗流量：

坝基渗流量按承压渗流计算：

公式（3）和（4）中：q1—坝体渗流量，q2—坝基渗流量，H1—上游水位，H2—下游水位，h0—坝体渗出点水位，L—上游水位与坝坡交点到下游坝脚的水平宽度，L1=△L+L（△L—上游坝体虚拟宽度，△L=m1H1/（2m1+1）），m1、m2—上下游坡度，k、k0—坝体、坝基渗透系数，T—坝基透水深度。

从实测资料计算看，当库水位在102.00m或103.00m时，渗流量理论计算结果为0.38m3/s，而渗流量实际测值均<0.12m3/s，远小于理论计算值。分析原因是：上游铺盖的防渗效果未考虑；随着时间推移，水库淤积增加，坝体与坝基沉降固结，还有导渗降压效果衰减也减小了渗流量。

由此可知，经过50年的运行，泥砂的淤积，对水平铺盖自然形成了良好的补强，因此拦河坝渗流量一直比较稳定。

由观测资料计算的渗流分析各项成果得出，主坝坝基各项渗流稳定计算成果均能满足兴利要求，即使在库水位为105.38m和105.90m时，各项渗流计算成果亦能满足或接近要求。

5 结论

通过对拦坝坝基测压管观测资料的分析，可以看出拦坝工程经过多年的运行，坝体防渗性能仍然有效；坝基渗流稳定。但在高水位情况下，坝基是否会发生冲刷、流失等破坏现象，仍需进一步分析计算。考虑到右端河床处的地下水位较高，上游水平铺盖需要采取加固补强的防渗措施。