板桥水库南刺墙段渗流异常性态分析

马福恒 张湛 俞杨峰

摘要：板桥水库混凝土溢流坝位于“75.8洪水”垮坝时的最大冲坑处，溢流坝与两侧土石坝采用混凝土重力式刺墙连接，2011年冬季南刺墙段下游边坡高程102.08m处出现射水现象，严重影响到大坝安全运行。针对该坝段渗流异常现状，首先对南刺墙及裹头内渗流监测资料进行时空分析，并利用等效原理反演分析了混凝土刺墙、裹头及坝基的渗流场，分不同工况计算了南刺墙段坝基扬压力、渗流量、渗透压力，着重分析了刺墙端部的接触渗透坡降。结果表明，该坝段基础透水性和混凝土刺墙等效渗透性均较强，尤其是刺墙端部的接触渗透坡降远大于刺墙平均接触渗透坡降，是造成南刺墙下游出逸点高的内在因素。

关键词：混凝土刺墙；渗流异常；等效渗透性；接触渗透坡降；板桥水库

中图分类号：P339 文献标志码：A doi：10.3969/ j.issn.1000-1379.2018.01.021

板桥水库位于淮河支流汝河上游，坝址位于河南省驻马店市西40km的驿城区板桥镇境内，是一座以防洪、灌溉为主，结合发电和养殖等综合利用的大（2）型水利枢纽工程。工程始建于1951年，是新中国成立后最早兴建的大型水库之一。“75·8洪水”溃坝后，1987年复建工程开工，1991年12月主体工程基本竣工，1993年6月通过国家竣工验收，并交付管理单位投入运行。建筑物由土石坝、混凝土溢流坝及输水洞等组成，大坝全长3720m，混凝土溢流坝位于原水庫垮坝时的最大冲坑处（即河床段），溢流坝与两侧的北主坝、南主坝由混凝土重力式刺墙连接，各长65.0m，分别插入土石坝黏土心墙15.0m，心墙外侧设有砾质粗砂（下游）或块石（上游），在心墙壤土与块石之间、砾质粗砂与块石之间分别设置了三层反滤层（裹头）。板桥水库复建运行以来在防洪、灌溉、供水方面取得了重大效益，但近年来，混凝土溢流坝低温时廊道内局部位置渗流严重，渗流量及析出物有所增加。尤其是2011年冬季南刺墙段下游边坡高程102.08m处出现射水现象，严重影响到大坝安全[1]。为掌握该坝段渗流异常性态，有必要根据工程实际采用多种方法对渗流“疑点”进行解析，指导板桥水库安全运行。

1 南刺墙段渗流现状分析

1.1 渗流监测结果分析

为监测南刺墙段渗流性态，在南刺墙廊道内布置1排4只测压管监测坝基扬压力，另外在南裹头内安装14只测压管监测裹头渗流性态[2]。南刺墙坝基扬压力水位过程线见图1，南裹头测压管水位过程线见图2（部分监测结果）。

由图1可以看出：南刺1坝段扬1测压管测值较高，但测值基本不变，测压管敏感性差，受库水位变化的影响很小，建议检查其有效性[3]。南刺3坝段扬1测压管测值一般在79.20～94.08 m之间变化，测值变幅偏大，且近年来有逐渐增大趋势，表明该坝段基础透水率稍大，并有向不利方向发展的趋势。

由图2可以看出：1+587-85测压管水位骤升骤降，估计是管口封口不严受雨水灌人所致。其他测压管水位与库水位相关系数在0.86～0.89之间，测值在90.38～103.20m之间。目前南裹头渗流尚处于安全状态。

1.2 渗流场空间分布

考察南裹头1+555-81、1+555-82、1+538-83和1+517-84四只测压管水位与库水位的相关性，根据1998年后测值计算其与库水位相关系数分别为0.46、0.58、0.73、0.69，可见位于最上游侧的1+555-81测压管水位与库水位相关性较弱，随着渗径的延长，测压管水位与库水位的相关性大体上逐渐增大，这不符合接触渗流压力随渗径延长逐渐减小的一般变化规律。因此，刺墙坝基存在局部渗流薄弱环节的可能性较大。靠下游侧的1+582-87、1+582-88两只测压管基本处于无水状态。从1+555-81、1+555-82、1+538-83、1+517-84四只测压管位势变化过程线来看，1+555-82测点位势有缓慢增大趋势，应对该断面加强观测分析。另外，从南裹头典型日测压管水位等势线可以看出，1+538-83与1+517-84测压管附近存在渗漏薄弱环节。两者在低水位时测值基本一致，但水位升高时测值差别明显，尤其是1+517-84测压管在高水位时测值高出1+538-83的3～4m，说明该测压管位置处存在渗漏薄弱环节[4]。

2 渗流异常性态分析

为分析南刺墙渗流异常性态及危害程度，有必要反演该坝段渗透系统、评估渗流性态，以解析异常原因。

2.1 等效渗透系数反演分析

（1）模型构建。根据刺墙实际情况，按三维渗流问题考虑混凝土刺墙、裹头及坝基的渗流场。根据分区材料特性，划分坝体（混凝土刺墙、裹头材料等）、基岩、防渗帷幕等区域。混凝土刺墙、基岩以及裹头材料作为连续介质考虑；坝基防渗帷幕、刺墙廊道按实际尺寸计算；排水孔作为等效介质考虑。

根据渗流计算分析特点并结合大坝实际，确定计算模型范围和边界：上游边界至坝轴线上游约185.0m，下游边界至下游坝脚以外约155.0m；左边界取至溢流坝段以左约100.0m，右边界取至南刺墙防渗帷幕端部以右约100.0m；基岩底边界取至坝基防渗帷幕以下约50.0m，至高程0.00m。该模型沿顺河流方向（X方向，由上游指向下游为正）最长约340m，垂直河流方向（Y方向，由右岸指向左岸为正）宽约420m，铅直方向（z方向，与高程一致）约122m。

建立三维有限元模型时，在综合分析计算区域内地形、岩层等特征及坝体、防渗帷幕和廊道等结构特征的基础上，首先选取并生成控制剖面，据此在计算区域内形成超单元结构，超单元总数为1322个，节点总数为1261个；然后进一步离散形成有限元网格，生成的有限元网格节点总数为33409个，单元总数为32318个。

（2）参数反演分析。由于大坝已运行20多年，刺墙存在裂缝、孔洞等缺陷，其实际渗透情况与设计情况并不一致，因此通过反演分析确定各材料分区平均渗透系数。首先根据设计参数、已有的部分材料压水试验资料以及坝体渗流量观测资料，对各种材料的渗透参数进行反演估计；然后采用反演分析的分区平均渗透系数计算刺墙段及坝基渗流场，评价刺墙段及坝基的渗流性态[5]。

为了尽可能消除渗流滞后效应的影响，反演分析时，选取上下游水位相对稳定时间足够长、距离当前最近的时间段的监测资料进行分析[6]。自2011年9月1日—2012年2月16日库水位一直在108.02～108.34m之间变动，变幅为0.32m，库水位较为稳定，且持续时间5个月有余，因此选择这一时段作为准稳定渗流场反演分析工况，并选择库水位108.21m作为上游水位（下游水位为88.90m），该水位对应的渗流量最大值为1.239L/s。

反演得到的各分区渗透系数见表1，反演分析工况下南刺墙防渗帷幕的最大平均渗透坡降为2.59，计算域内南刺墙段的渗透流量为 0.379L/s。反演分析工况下南刺墙段典型剖面扬压力分布见图3。

根据反演分析得到的南刺墙扬压力分布，可以计算得到坝基扬压力系数。由于坝基灌浆廊道设置了坝基抽排水系统，因此计算得到的扬压力系数均小于零，也小于设计值0.25。从扬压力分布来看，反演的坝基扬压力分布基本上可以表征坝基渗流实际情况[7]，模拟的渗流场基本符合实际情况。

2.2 渗流性态计算

（1）分析工况。根据大坝实际情况，对刺墙进行渗流性态安全评价选取的计算工况为：①正常蓄水位111.50m，下游相应水位90.00m，坝体形成稳定渗流；100a一遇设计洪水位117.58m，下游相应水位95.90m，坝体形成稳定渗流；③5000a一遇校核洪水位118.83m，下游相应水位97.40m，坝体形成稳定渗流；④可能最大洪水位119.49m，下游相应水位97.70m，坝体形成稳定渗流。

（2）計算结果。采用上述计算模型和反演参数，在可能最大洪水位工况下计算南刺墙段的扬压力分布，典型剖面的计算结果见图4。南刺墙坝基防渗帷幕的最大平均渗透坡降、各工况下计算区域内各部分的渗流量、扬压力系数及单位长度总扬压力见表2。

2.3 渗流异常成因分析

基于上述计算结果，结合渗流异常表现，从南刺墙渗流场和渗流量、裹头渗透坡降等几个要素评价南刺墙段渗流性态，揭示渗流异常成因[8]。

（1）渗流场性态分析。在正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位及可能最大洪水位工况下，南刺墙段和基础的渗流场位势分布规律一致，与反演分析工况的计算结果也一致。

从南刺墙段坝基地下水位等值线来看，坝基渗流场的位势分布和变化规律明确，库水通过坝体、坝基防渗帷幕渗向下游；南刺墙段下游坝体内浸润面平缓，其最低位置出现在纵向排水廊道部位。浸润面在防渗帷幕位置前后形成了突降，该部位有刺墙基础灌浆廊道，其阻渗和排水作用是显著的，南刺墙段存在库水绕过和透过刺墙及防渗帷幕向坝体及下游浸渗的现象[9]。

（2）渗透坡降。正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位工况下南刺墙段坝基防渗帷幕的最大平均渗透坡降见表2。各工况下坝基防渗帷幕的渗透坡降均较大，均出现在南刺墙防渗帷幕起始部位附近。由此可见，随着上下游水头差的增大，坝基防渗帷幕处的渗透坡降也增大。

（3）渗透流量分析。在正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位、可能最大洪水位工况下，计算区域内通过南刺墙的渗流量分别为0.481、0.605、0.642、0.663L/s。

2011年冬季发现，溢流坝表8孔边墩与南刺1坝段接缝102.08m高程处有渗流出现，低温时渗流明显。根据计算分析，在正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位及可能最大洪水位4种工况下，南刺墙下游、溢流坝挡墙土坝侧渗漏高程分别为90.00、93.90、97.40、97.70m，均低于渗漏点出水高程，亦可说明此渗漏点为坝内局部渗漏通道所致。

（4）接触渗透坡降。根据设计资料，南刺墙沿坝轴线向长65m（自导墙土坝侧起算），端部厚8m（顺水流向），则可由i=△h/L计算南刺墙平均接触渗透坡降。4种工况下，可能最大洪水位工况的上下游水头差最大，平均接触渗透坡降也最大。

实际情况下，沿刺墙的接触渗透坡降是不均匀的。由于刺墙混凝土的渗透系数远小于其周围土石坝材料的渗透系数，因此刺墙的“阻渗”作用将导致南刺墙上游侧地下水位抬高。该部位的接触渗透坡降小于平均接触渗透坡降。刺墙与土石坝连接段的接触渗透坡降最大值部位位于刺墙端部及其下游附近[10]。

由南刺墙位势等值线（见图5）可知，南刺墙端部土石坝坝体的等值线较密，该部位渗透坡降最大。由图5可计算得到最大接触渗透坡降为3.60。可见，刺墙端部的接触渗透坡降远大于刺墙平均接触渗透坡降。

3 结论

（1）南刺墙及裹头段渗流监测资料表明，该坝段基础透水性强，并有向不利方向发展的趋势，坝体渗透压力也有缓慢增加趋势，影响到大坝安全运行。

（2）利用等效原理反演分析了混凝土刺墙、裹头及坝基的渗流场，结果表明坝体混凝土综合等效渗透系数较大，验证了该坝段下游出逸点较高现象。

（3）渗流计算表明，南刺墙段渗流性态与监测资料表现一致，坝基防渗帷幕的渗透坡降均较大，尤其是南刺墙端部的接触渗透坡降远大于刺墙平均接触渗透坡降，这是造成南刺墙渗流异常的内在因素。

参考文献：

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[2]俞扬峰，李子阳，马福恒.河南省驻马店市板桥水库大坝原型观测资料分析报告[R].南京：南京水利科学研究院，2012：58.

[3]张楠，马福恒，张帅，等.大坝实测性态的灰色马尔科夫链预测方法研究[J].水电能源科学，2012，30（8）：70-73.

[4]李子阳，马福恒，华伟南.多源信息融合诊断大坝安全监测资料合理性[J].水利水运工程学报，2013（1）：41-46.

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[7]王媛，刘杰.基于敏感性分析的裂隙岩体渗流与应力静态全耦合参数反演[J].岩土力学，2009，30（2）：311-317.

[8]袁自立，马福恒，李子阳.石漫滩碾压混凝土重力坝渗流异常成因分析[J].水电能源科学，2013，31（5）42-45.

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[10]王力，张健，胡广明.板桥水库复建工程土坝及南北裹头施工及质量控制[J].河南水利与南水北调，2013（10）：42.