某粘土斜心墙坝渗压计测值异常与渗流稳定分析

吕高峰，王玉洁，周建波，朱锦杰，郭玉嵘

（国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，311122）

某粘土斜心墙坝渗压计测值异常与渗流稳定分析

吕高峰，王玉洁，周建波，朱锦杰，郭玉嵘

（国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，311122）

针对某粘土斜心墙坝内渗压计测值异常增大的现象，结合仪器埋设情况，综合分析测值异常增大原因。利用有限元分别计算测值异常增大前后的渗流场，并进行对比分析，以掌握异常增大对粘土斜心墙及渗流稳定的影响，为工程后期运行提供参考性意见。

粘土；斜心墙；渗压计；渗流；稳定

1 工程概况

某水电站枢纽工程由土石坝、泄洪闸、厂房、混凝土重力坝等主要建筑物组成。最大坝高37.6 m，总长465 m，呈一字形拦河布置。河床式厂房布置在河床右岸河滩上，通过重力坝与右岸岸坡相连，泄洪闸布置在右岸河滩厂房的左侧，土石坝紧靠泄洪闸布置在主河床上，通过混凝土挡土墙与左岸岸坡相连。

左岸土石坝总长208.29 m，坝顶高程2 052.00 m，坝顶宽10.0 m。坝体上游坡比1∶2.5，下游坡比1∶2.0。防渗采用粘土斜心墙防渗体，防渗体上游坡比1∶2.0，下游坡比1∶1.5，顶宽4.0 m。坝体结构自上游至下游分别为：砂砾石坝壳层、砂砾过渡料层、粘土防渗体、砂砾过渡料层、卵砾石层、砂砾石坝壳层和块石防护层。

左岸土石坝基础为砂砾石，厚4～8 m，其下为岩石。基础采用C25混凝土防渗墙防渗，设计防渗墙长约168 m，厚0.8 m，底部深入基岩弱风化层下线以下0.5 m，顶部嵌入坝体粘土斜墙内以形成封闭的防渗体。左岸土石坝典型断面见图1。

2 渗压计布置情况

为监测粘土斜心墙坝内的浸润线和渗透压力，在土石坝典型断面上布置渗压计4支，编号为UP1～UP4，分别位于坝体（坝上0-005.00，高程2 045 m）及坝基（坝下0+000.00、高程2 030 m，坝下0+030.00、高程2 030 m，坝下0+048.00、高程2 029 m），渗压计布置见图1。渗压计采用测压管式安装埋设法，测压管花管段长为1 m，钢护管不透水段竖直往上大致延伸到坝体坝壳料内，钢护管口由钢盖板覆盖，管内渗压计电缆从管口盖板引出沿着土坝坝壳料往上延伸到坝顶，见图2。

3 渗压计数据异常分析

渗压计UP1和上游水位的测值过程线见图3，由图可知：2006～2010年期间，UP1的测值存在明显的跳跃，上升过程基本都是突变，下降过程普遍存在渐变的过程，且异常增大后的峰值与库水位多年平均值2 049.64 m相差很小。

图1 左岸土石坝典型断面及渗压计布置图Fig.1 Typicalcross section of the earth rockfill dam dam on the left bank and the distribution of osmometers

图2 渗压计UP1电缆埋设示意图Fig.2 The cable embedded for the osmometer UP 1

图3 UP1渗压计测值与上游水位典型时间段过程线Fig.3 Graph of the monitored value by osmometer UP1 and the upstream water level

图4 是渗压计UP2～UP4和下游水位的测值过程线，由图可知：UP2～UP4的测值都接近下游水位的多年平均值2 035.77 m，且变化规律与下游水位类似，没有像UP1那样有明显的突变。说明UP2～UP4主要受下游水位影响，粘土斜心墙和防渗墙防渗作用总体良好。

渗压计UP1埋设位置到粘土斜心墙下边缘的距离很近，若UP1的异常增大测值可靠，库水有可能穿透粘土斜心墙，对坝体渗流产生影响，但UP2～UP4的测值在UP1异常增大的时候没有发生相应变化，说明UP1测得的异常增大的峰值不能代表粘土斜心墙相应区域的水头实际值。

综合测值变化规律和仪器埋设情况得出：由于渗压计钢护管与盖板之间焊缝损坏或者电缆引出部位密封存在问题，当库水位超过管口高程后，库水直接从管口进入钢护管，导致管内渗压计测值突然增大。当库水降落至管口高程以下，钢护管内水体慢慢从透水段渗走，渗压计测值逐步减小。

2010年下半年开始，库水位基本保持高水位运行，渗压计UP1测值也基本维持在较高水位，而且测值波动幅度较前三年明显减小，尤其是近一年多库水位较为稳定，UP1的高水位也基本稳定。

图4 渗压计UP2～UP4和下游水位测值过程线Fig.4 Graph of the monitored value by osmometers UP2～UP4 and the downstream water level

4 渗流稳定分析

近三年来，渗压计UP1通过钢护管与库水相通，使UPI测值处于高水位情况。由于UP1埋设的位置距粘土斜心墙下边缘较近，高水位对防渗不利，因此有必要分析钢护管被水填充后的渗流场，为工程运行提供参考性意见。根据土坝渗压计埋设典型断面建立三维有限元模型，分别模拟管口产生渗漏通道前后的渗流场并进行对比分析，以了解管口产生渗漏通道对渗流场的影响。

建模区域包括坝轴线上游300 m到坝轴线下游260 m，坝顶高程2 052 m到基岩高程2 018 m，包括了表层覆盖层和强弱风化基岩，坝轴向宽为40 m，单元总数11 550个，节点总数13 618个。有限元网格模型见图5。为模拟管口产生渗漏通道后的渗流场，钢护管的网格在水平向剖分成0.1 m的正方形，网格尺寸往外递增。

图5 粘土斜心墙坝渗压计埋设断面三维有限元网格Fig.5 3D FEM grid of the osmometer embedment section of the clay sloping core dam

为分析钢护管产生渗漏通道前后的情况，计算考虑两种方案。

方案一：钢护管和钢盖板完好，上游表面节点作为已知水头边界。上游水位采用上游多年平均水位2 049.64 m，下游水位采用下游多年平均水位2 035.77 m。

方案二：管口产生渗漏通道，库水进入钢护管，上游表面和渗压计周边1 m的花管段作为已知水头边界。上游水位采用上游多年平均水位2 049.64 m，下游水位采用下游多年平均水位2 035.77 m。

按照坝体设计和地质资料将模型分为13种材料。材料参数参考该工程蓄水和竣工安全报告所提供的参数，防渗墙渗透系数为2.50×10-9cm/s，粘土斜心墙为4.1×10-7cm/s，覆盖层内的砂卵砾石为7.14×10-2cm/s。其他材料参数按照其他工程选取。

图6和图7分别为方案一和方案二坝体内部水头等值线和浸润线分布图，由图可知：

图6 方案一浸润线和水头等值线分布图Fig.6 Distribution of phreatic line and the water head contour lines in scheme 1

图7 方案二浸润线和水头等值线分布图Fig.7 Distribution of phreatic line and the water head contour lines in scheme 2

（1）方案一计算得到的UP1、UP2、UP3和UP4值与假设管口产生渗漏通道前的实测值较为接近，说明计算参数的选取与实际情况比较吻合。

（2）方案二计算得到的UP1、UP2、UP3和UP4值与假设管口产生渗漏通道后的实测值较为接近。说明UP1异常增大的原因是管口产生了渗漏通道。

（3）管口产生渗漏通道前后，浸润线与水头等值线总体情况基本一致，但管口产生渗漏通道后，渗压计UP1附近水头等值线变得非常密集，浸润线下凹。

管口产生渗漏通道前，渗压计UP1附近的最大渗透坡降在0.5左右，管口产生渗漏通道后，渗压计UP1附近个别网格节点的渗透坡降达到了6左右，管口产生渗漏通道后，库水的进入使粘土斜心墙局部承受的水力坡降增大。以上计算是假定渗压计UP1实际埋设位置在设计位置进行的，假如渗压计UP1埋设位置在粘土斜心墙和过渡料之间，计算得到的浸润线在渗压计UP1埋设位置更加下凹，渗压计UP1埋设位置附近的渗透坡降将达到11左右。在左右岸方向，管口产生渗漏通道库水进入钢护管影响的区域也在1～2 m之间，影响范围较小。

2010年下半年开始，库水位和UP1的测值基本处于高水位，没有跌落到2 046.5 m左右，库水与渗压计长期相通。覆盖层内渗压计UP2的测值在2006年到2009年底有一定的减小趋势，近三年有一定的增大趋势，但没有像UP1那样产生突变，UP3和UP4处于稳定变化状态，没有趋势性或者突变，说明粘土斜心墙暂时没有发生渗透破坏，坝体内部渗流处于稳定状态。需要密切关注各渗压计的测值，以防斜心墙粘土在库水的重复作用下产生破坏。

5 结语

根据坝体内部渗压计测值异常，综合测值变化规律和仪器埋设情况，初步判断渗流异常原因为渗压计UP1外钢护管管口产生渗漏通道，库水经管口破损处流入钢护管，到达渗压计附近。为了解钢护管充满库水后对坝体的影响，利用有限元模拟了管口产生渗漏通道前后土坝的渗流场并进行对比分析，得出钢护管产生渗漏通道后渗压计UP1附近的渗透坡降明显增大，对粘土斜心墙不利。近几年渗压计UP1始终保持较高的测值，护管与库水已经长期连通，对渗流稳定不利。计算分析同时得出UP1附近的渗透坡降增大范围不大，粘土斜心墙下游侧的渗压计实测值也没有明显趋势性变化或突变，说明当前粘土斜心墙的局部缺陷对整体渗流无明显影响。电站运行过程中需密切关注坝体坝基的渗压变化。 ■

[1]毛昶熙.渗流计算分析与控制（第二版）[M].北京：中国水利水电出版社,2003.

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[3]丛蔼森.多层地基深基坑的渗流稳定问题探讨[J].岩石力学与工程学报,2009(10)：2018-2023.

[4]张慧,赵坚,盛宏.面板砂砾石坝三维渗流敏感性分析[J].水电能源科学,2012(9)：73-76.

作者邮箱：lv_gf2@ecidi.com

Analysis on abnormal measured value by osmometer and seepage stability in clay sloping core

dam

by LV Gao-feng,WANG Yu-jie,ZHOU Jian-bo,ZHU Jin-jie and GUO Yu-rong Large Dam Safe⁃ty Supervision Center,National Energy Administration

Aiming atthe abnormalincrease ofmeasured seepage pressure in clay sloping core dam,the reason for abnormal increase is comprehensively analyzed combining with the instrument embedment. In order to know the effectofabnormalincrease on the seepage stability and clay sloping core and pro⁃vide reference forengineering operation,the FEM to calculate the seepage field before and after the ab⁃normalincrease is carried out.

clay;sloping core;osmometer;seepage;stable

TV698.1

B

1671-1092（2017）01-0047-04

2014-06-23

吕高峰（1987-），男，浙江临安人，工程师，硕士，主要从事大坝安全监测和土石坝及岩土工程数值计算工作。