梅山连拱坝右岸13号拱渗流量增大效应分析

陈 波 何明明 何 启 卢万友 赵庆国

(1. 河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室， 南京 210098； 2. 河海大学 水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心， 南京 210098； 3. 河海大学 水利水电学院， 南京 210098； 4. 安徽省梅山水库管理处，安徽 金寨 237300)

梅山水库拦河坝主体为钢筋混凝土连拱坝，由15个垛和16个拱组成，两端各连接一段重力坝．最大坝高88.24 m，正常蓄水位128 m．1962年11月发现右岸大面积漏水，总漏量70 L/s左右，同时右岸各拱垛位移增大，垛基上抬，右岸坝基、坝体许多部位出现了裂缝，最严重的15号拱拱冠拉开了一条长28 m、宽2 mm的大裂缝[1-2]．采用上游拱面混凝土盖面，14～16号拱内支撑墙，12～13号拱内重力墩及扶壁撑墙，右岸山坡预应力钢丝锚固等措施后，大坝渗漏量减少且观测孔水位明显降低，工程运行正常[3]．

梅山大坝右岸坝肩、坝基仍是影响大坝长期稳定安全的隐患环节．张启琛等[4]结合1993年大坝首次安全定检开展坝基渗流状况分析，建议增加右坝肩防渗和排水补强措施，保证大坝长期稳定安全性．高正夏等[5]开展了渗流水质分析，表明13号拱廊道内渗流水主要来自库水，但存在较多基岩矿物迁移，部分软弱岩石受到侵蚀．2008年，大坝右岸基础新增帷幕补强孔和水平排水孔，并在12～15号垛重力墩的新老混凝土结合面布置接缝灌浆，以增加右岸垛墙底部的完整性[6]．本文结合2010年水库大坝除险加固完成前后的安全监测成果，分析右岸13号拱的坝基渗流量增大的成因，对工程安全的影响及相关对策．

1 13号拱坝基渗流量增大现象

大坝右岸13号拱廊道内和13号加强拱内分别布置31个和3个在测渗流量测孔；13～16号拱廊道内分别布置水位监测孔4个、2个、2个和3个，扬压力测孔各2个；大坝右岸未布置绕坝渗流压力测孔．大坝右岸坝基渗流监测资料分析表明：2013年以后，13号廊道内1号孔、10号孔和13号孔等10个测孔渗流量增大，如图1所示，其它测孔渗流量总体不变．

图1 典型测孔人工监测渗流量实测过程线(单位：mL/min)

绘制13号廊道内总渗流量和左右侧排水孔总渗流量的变化过程线，如图2所示．

图2 13号廊道总渗流量和左右侧排水孔渗流量变化过程线

由图2可以看出：2013年以后，13号廊道总渗流量呈增加趋势，但未超过历史最大值，与库水位上升有一定相关性．1999年至2002年6月，左右两岸排水孔渗流量相差不大；2002年6月以后，右岸排水孔渗流量整体大于左侧排水孔渗流量；2008年补强加固前后，左右两侧排水孔渗流量变化趋势大体相同，但左侧排水孔渗流量波动相对较大；2013年以后，右岸排水孔渗流量有明显增加趋势，而左岸排水孔渗流量稍有增加，但增幅相对较小．

2 13号拱渗流量增大的影响效应分析

2.1 2013年前后渗流量与库水位相关性分析

选取13号拱的1号测孔和13号测孔为典型测孔，2013年前后总渗流量和典型测孔渗流量与库水位相关性图如图3～5所示．可以看出：总体上，13号拱排水孔总渗流量增大现象与库水位总体抬升具有较大相关性．2013年前后，总渗流量与库水位的简单相关系数由0.69增加到0.82；但各排水孔与库水位的相关性变化也有差异，靠近上游侧的1号测孔渗流量与库水位的简单相关系数基本保持不变，但拱中部13号测孔渗流量与库水位的简单相关系数明显增加，由0.23增加到0.82．

图3 2013年前后总渗流量与库水位相关性

图4 2013年前后13号拱1号测孔渗流量与库水位相关性

图5 2013年前后13号拱13号测孔渗流量与库水位相关性

2.2 相同环境因素下的渗流量对比分析

由于环境温度也是影响连拱坝的坝基渗流量变化的重要因素，因此选取相似环境量下(库水位124 m左右，温度8℃左右)典型测孔(13号廊道1号孔、13号孔)的渗流量，分析补强加固前后渗流量变化情况．相似环境量下补强加固前后右岸总渗流量特征值见表1．相似环境量下补强加固前后右岸人工监测13号廊道1号孔、13号孔渗流量变化示意图如图6～7所示．

表1 补强加固前后右岸总渗流量变化统计

图6 1号孔渗流量变化示意图

图7 13号孔渗流量变化示意图

由图表可以看出：补强加固完工初期，右岸总渗流量、13号廊道1号孔和13号孔渗流量均有一定减小；补强加固若干年后，右岸总渗流量和13号孔渗流量有所增加，1号孔渗流量变化不大．总体上，补强加固完工初期，坝基防渗加固效果明显，但近几年以来，右岸坝基通透性有所增加．

2.3 2013年前后扬压力折减系数变化分析

选取相似环境量下(库水位124 m左右，温度8℃左右)13号拱的UP10、UP11扬压力测孔，分析2013年前后扬压力折减系数变化情况，见表2．

表2 2013年前后右岸扬压力折减系数α变化统计表

由表2可以看出：相似环境量下，13号拱扬压力折减系数由2013年前的0.11增加到2013年后的0.17，基础防渗体系出现了一定的弱化；但扬压力折减系数远小于规范阈值，基础的渗控体系能够满足规范要求．

2.4 渗流量增加对变形的影响分析

补强加固前后12～13号垛人工正垂线测点上下游向位移特征值变化统计表见表3．由实测过程线(如图8所示)和特征值(见表3)可知，补强加固后，坝顶水平位移的变幅和量值均有所减小，大坝的整体性增加，渗流量的增加对大坝变形没有明显影响．

表3 补强加固前后大坝变形特征值变化统计表

图8 人工正垂线测点上下游向位移实测过程线(单位：mm)

3 13号拱渗流量监控指标拟定

前面的分析可知，梅山水库2010年补强加固完工初期，坝基防渗加固效果明显．2013年以来，13号拱排水孔总渗流量有一定增大，该现象与库水位总体抬升具有较大相关性，很可能是水库增蓄和库水绕渗联合作用的效果，目前右岸坝基工作性态总体正常．由于右岸一直是该大坝地质薄弱区，因此，下面根据梅山大坝监测布置和历年监测资料，采用置信区间估计法[7-8]拟定13号拱渗流量监控指标，以便针对性关注并及时发现渗漏量监测异常．

1)基本原理

(1)

2)13号拱13号测孔渗流量监控指标

由于置信区间拟定监控指标与模型精度有关，为确保大坝安全，取复相关系数R大于0.8的测点计算监控指标．以13号测孔为例，该测孔渗流量的标准差σ=6.69 ml/min，取显著性水平α=5%，则i=2，置信区为Δ=±2σ=±13.38 ml/min．于是，该测孔渗流量安全监控指标可用下式估计：

7.08P1-5.67P3-5.01P4+2.43P5+

1.73P6+1.46θ-2.53lnθ+384±13.38

(2)

式中，H1为监测日的上游水深；H2为监测日的下游水深；t为观测日至各测点第一次测值日的累计天数；Pi分别为监测日当天，监测日前第1天，前第2天，前第3～4天，前第5～15天，前第16～30天的平均降雨量均指(i=1～6)；θ为位移监测日至始测日的累计天数t除以100；θ0为建模资料系列第一个测值日到始测日的累计天数t0除以100．

4 结论和建议

1)梅山水库2010年补强加固完工初期，坝基防渗加固效果明显．2013年以来，13号拱排水孔总渗流量有一定增大现象，该现象与库水位总体抬升具有较大相关性，很可能是水库增蓄和库水绕渗联合作用的效果．

2)2013年前后，靠近上游侧的1号测孔渗流量与库水位的相关性基本保持不变；相应部位扬压力折减系数均在规范阈值以内；坝顶水平位移的变幅和量值均有所减小，大坝的整体性增加，渗流量的增加对大坝变形没有明显影响．因此，目前右岸坝基工作性态总体正常．

3)1962年右岸垛基上抬，右岸坝基、坝体许多部位出现了裂缝，造成大面积漏水事故，说明右岸属地质薄弱区，存在安全隐患．建议结合本文提出的安全监控指标，重点关注右岸渗流量等效应量的变化情况，发现异常及时上报并分析成因．

4)建议考虑增设右岸绕坝渗流地下水位监测孔，以反映右岸地质情况及库水和山坡地下水分布情况；建议对右岸渗流水和渗水析出物进行水质检测和矿物检测，并联合帷幕灌浆和右岸基础地质分布等资料，综合分析13号垛排水孔渗流水的渗透路径及其影响；同时，对13号垛两排排水孔渗流水分别进行汇集，增设两个量水堰，便于监控13号垛排水孔总渗流量的变化．

参考文献：

[1] 丁仕群．安徽省梅山水库62年事故原因及处理后的稳定分析[J]．资源环境与工程，2008，22(Z1)：83-85．

[2] 吴中如，顾冲时，李雪红，等．佛子岭、梅山两座连拱坝的工作性态研究[J]．大坝与安全，1999(4)：35-40．

[3] 杨光中，彭汉兴，张百川等．梅山水电站右坝肩渗流特征分析[J]．河海大学学报(自然科学版)，2002，30(5)：107-109．

[4] 张启琛，林永亮．梅山连拱坝右岸坝基渗流状况分析[J]．水利水电技术，1993(11)：52-56+19．

[5] 高正夏，成小锋，徐军海，等．梅山连拱坝两岸坝基水质特性及评价[J]．水利水电科技进展，2003，23(5)：31-33．

[6] 张艳红，胡 晓，乔耀伟．梅山连拱坝抗震加固效果的分析[J]．水利学报，2009，40(10)：1240-1247．

[7] 顾冲时，吴中如，等．大坝与坝基安全监控理论和方法及其应用[M]．南京：河海大学出版社，2006．

[8] 吴中如，等．水工建筑物安全监控理论及其应用[M]．南京：河海大学出版社，2003．