湖北富水水库大坝渗流监测资料分析

胡焕发，庞 琼，王 宏，胡 良

（1.湖北省富水水库管理局，435299，黄石；2.南京水利科学研究院，210029，南京；3.水利部大坝安全管理中心，210029，南京；4.湖北省王英水库管理局，437100，咸宁）

富水水库位于长江水系富水流域中下游的湖北省阳新县富水镇，水库集水面积2 450 km2，总库容16.65亿m3，是一座以防洪发电为主，兼有灌溉、养殖等综合利用的大（1）型水利工程。水库大坝在28.00 m高程以下为均质坝，28.00 m高程以上为黏土心墙坝。上游坝壳料为砂质黏土，下游坝壳料用溢洪道开挖的页岩填筑。坝顶轴线长941 m，宽6.5 m，最大坝高46.8 m，坝顶高程65.50 m，心墙顶高程65.00 m，防浪墙顶高程66.70 m。发电输水管位于大坝左坝肩，为钢筋混凝土压力圆管，断面直径为6.5 m，进口底高程38.25 m。

根据《湖北省富水水库整险加固工程补充——工程地质勘察报告》，以上游坝坡52.65 m高程平台为轴线进行地质勘探：①左岸坝肩（桩号0-080～0+100）表层为残坡积层，桩号0-22.69处为厚1.7 m的碎石夹土，结构松散，透水性强。基岩为页岩，强风化带厚1.4～12.1 m，裂隙发育，呈中等透水性，弱风化带厚0～1.2 m，向下为微新岩石，呈弱～微透水性，透水性均由上向下减小。②左岸阶地（桩号0+100～0+500）上部为厚 1～4 m 的壤土，弱～微透水性，为相对隔水层；下部为砂、砂砾石层，砂层厚 1～6 m，砂砾石层一般厚4～5 m，最厚达12.4 m。③河床部位（桩号 0+500～0+670）砂砾石层厚2～4 m。砂、砂砾石顺河连续分布，中等～强透水性，为透水层。④右岸阶地（桩号 0+670～0+941），覆盖层主要为粉质黏土、壤土，厚5～10 m，仅桩号0+769.22处基岩面呈凹形，在黏性土与基岩面接触部位分布厚0.7 m的砂层。坝基基岩为志留系页岩，强风化带厚0.1～4.0 m， 弱风化带厚 0.4～0.6 m，以下为微新岩石。

大坝于2003—2006年进行除险加固：①桩号 0+086～0+884，大坝上游坡55.00 m高程处设60 cm厚混凝土防渗墙；②左岸 0-050～0+086、右岸 0＋884至溢洪道防渗体采用帷幕灌浆处理。根据后期填筑质量评价发现，左坝肩帷幕灌浆效果不如右坝肩的理想。

一、大坝渗流监测点布置

富水水库渗流监测主要包括坝体、坝基、绕坝渗流压力监测以及发电管周围渗流压力监测、减压井水位监测和渗流量监测。其中，坝体、坝基渗 流 压 力 监 测 在 0+099、0+210、0+340、0+500、0+602 和 0+700 断面上共钻孔36个，安装埋设54只孔隙水压力计；绕坝渗流压力监测共钻8孔，左岸埋设 3个测点（L1—L3），右岸埋设5个测点（R1—R5）；发电管周围渗流压力监测在发电管左右侧各安装埋设 3 个，共 6 个测点（S1—S6）；减压井水位监测共安装了5个测点，编号分别为 G1、G11、G31、G34 和 G48；渗流量监测点2个，在减压井廊道内的坝体和坝基排水沟出水口处各建1个三角量水堰，各安装堰上水位计1支。

二、渗流监测资料分析

1.坝体、坝基渗流压力

（1）坝体渗流及心墙防渗效果分析

绘制坝体各测点水位过程线和水位相关线，并通过回归分析计算相关系数。以部分典型断面为例对坝体渗流及心墙防渗效果进行分析：①0+340断面测点渗压水位从上游到下游逐渐下降，且心墙后水位明显降低，符合心墙坝内渗流一般规律，其中D15A测点渗压水位与库水位相关系数为0.29，相关性较差；②0+210断面D11A、D12A测点和0+700断面D33A测点渗压水位与库水位有一定相关性，相关性系数达到0.65以上，其余各测点渗压水位均较稳定，与库水位相关性差，相关性系数最小仅0.04。

选择稳定高库水位53.97 m，对各断面位于心墙部位（坝轴距-8.0 m）和心墙下游侧（坝轴距2.5 m）的坝体测点位势进行对比分析。可知：①心墙下游侧测点位势变化不大，且均在35%以下，说明各断面心墙降低位势均在65%以上；②0+602断面心墙内测点位势小于其余断面同部位测点位势，这是由于该断面上游水下抛填铺盖的作用降低了一部分位势；③0+700断面心墙内测点位势大于其余断面同部位测点位势。

对稳定高库水位53.97 m下的坝体典型横断面浸润线进行分析，可知：①各断面心墙后坝体渗流水位明显降低，符合心墙坝渗流场的一般规律；②0+099、0+210和0+340断面背水面浸润线略高，是由于0+000～0+400段大坝背水面坝壳料为黏性土夹碎石，呈微透水性，不利于坝体水的排出；③0+602断面坝体上游侧浸润线低于其他断面，可能与该断面上游水下抛填铺盖有关。

选择高中低三个典型库水位53.97 m、50.84 m、48.17 m， 对位于心墙部位（坝轴距-8.0 m）和心墙下游侧（坝轴距2.5 m）的纵剖面渗流水位分布进行分析。在高中低三个典型库水位情况下，位于心墙下游侧的纵断面各测点水位较低且变化不大，较心墙部位测点水位有明显降低；位于心墙部位的纵断面各测点中，0+700断面D33A测点水位均高于其余断面2～6m。

对高库水位53.97 m下坝体渗流压力分布进行分析可知：①心墙下游各测点水位均较低，符合心墙坝内渗流一般规律；②坝体左端渗流压力水位高于右端，是受左坝端发电厂房尾水及绕坝渗流影响。

（2）坝基渗流及混凝土防渗墙防渗效果分析

以部分典型断面为例对坝基渗流及混凝土防渗墙防渗效果进行分析：①0+340断面坝基测点渗压水位从上游到下游逐渐降低，符合坝基渗流的一般规律，下游库水位受电站尾水影响显著；坝基测点渗压水位与库水位相关性整体比坝体明显，混凝土防渗墙前各测点与库水位相关性显著，相关性系数最高为0.99。②0+099断面坝基混凝土防渗墙前后测点水位与库水位的相关性较其他断面明显，且墙后测点水位较高，这是由于0-080～0+100段坝基存在透水强的残坡积层及页岩强风化带，而左岸帷幕灌浆处理效果不理想，存在绕坝渗流影响。 ③0+340、0+500、0+602 断面混凝土防渗墙后水位明显降低，而左、右两端渗流压力水位高于大坝中段。④防渗墙后大部分测点与库水位有一定相关性，相关性系数大于0.5。

选择高库水位53.97 m，分别对各断面位于坝基混凝土防渗墙上游侧（坝轴距-31 m）和下游侧（坝轴距-27 m）的坝基测点位势进行对比分析。可知： ①0+340、0+500、0+602 断面混凝土防渗墙对位势的降低作用明显，分别为56%、35%和33%，说明断面混凝土防渗墙防渗效果明显；②左、右两端混凝土防渗墙对位势的降低作用小于大坝中段。

对高库水位53.97 m下的坝基渗流压力分布进行分析，可知坝基左端0+000、0+099断面和右端0+700断面渗流压力水位高于大坝中部，左岸主要是受绕渗影响。

对坝基各断面相邻测点间渗透坡降进行计算，轴距-31～-27 m两测点间计算混凝土防渗墙的平均坡降，坝基渗透坡降汇总见表1。各断面混凝土防渗墙平均渗透坡降最大值为32.417，小于规范规定的混凝土防渗墙允许坡降；混凝土防渗墙后坝基渗透坡降计算结果中，0+099、0+700断面轴距-27～31 m段渗透坡降较大，分别为0.305和0.407，但仍小于规范规定的岸坡坝段坝基土体允许坡降。

表1 各断面坝基渗透坡降汇总

综上可知，坝体各测点渗流水位较为稳定，与库水位相关性较差；各断面心墙防渗效果显著；坝基各断面测点水位与库水位相关性整体比坝体测点明显；坝基混凝土防渗墙防渗效果比两岸帷幕灌浆效果明显。

2.绕坝渗流压力

以部分典型断面为例对坝基渗流及混凝土防渗墙防渗效果进行分析：①左岸0+000断面L1测点水位常年略高于库水位且与库水位相关性明显，相关性系数为0.91，L2与L3测点水位较为接近且与库水位有一定相关性，相关性系数分别为0.77、0.66，3个绕坝渗流测点水位受降雨影响较为明显；②右岸0+800断面R1、R2、R3 测点水位基本相同，0+870断面R4、R5测点水位基本相同，5个绕坝渗流测点均较低且变化幅度小，与库水位相关性差，相关性系数最大为0.36，受降雨影响不明显。

选择稳定高库水位53.97 m，对绕坝渗流测点位势进行对比分析。可知：①左岸0+000断面总体渗流压力位势较高，其中L1测点位势常年高于100%；②右岸0+800和0+870断面各测点位势较低，均在20%～25%左右，并随着时间推移有小幅度下降。

对左岸0+000断面相邻测点间横向渗透坡降及0+000～0+099断面间纵向渗透坡降进行计算，并对右岸0+800和0+870断面相邻测点间横向渗透坡降及0+800～0+870断面间纵向渗透坡降进行计算分析。可知：左岸渗透坡降整体明显大于右岸，左岸渗透坡降最大值为0.424，右岸渗透坡降最大值为0.040。

综上分析，说明左坝肩存在明显绕渗，右坝肩无明显绕渗。

3.发电管周围渗流压力

绘制发电管周围各测点水位过程线和水位相关线，并计算相关系数及位势。得出如下结果：①发电管左侧S1、S2测点水位与库水位相关性较为明显，相关性系数分别为0.95和0.86，S3测点水位与库水位相关性差；②发电管右侧S4、S5、S6测点水位较为稳定，其中S4测点水位与库水位有一定相关性，相关性系数为0.59，S5、S6测点水位与库水位相关性差； ③S1、S2、S4 测点靠近上游，水位较高，位势分别在90%、70%、80%左右，S5测点位势在55%左右，S3、S6测点位于下游，位势均为30%左右，总体符合土石坝内渗流一般规律。

对发电管周围土体渗透坡降进行计算分析。首先,计算允许坡降[J]，由临界渗透坡降 [Jc]确定：[J]=Jc/K，K为安全系数，取2。其中，Jc根据太沙基公式计算，Jc（垂直向上）=（γs/γ-1）(1-n)，Jc（水平）=0.667×Jc（垂直向上），γs为 土 粒 容重（g/cm3），γ 为水容重（g/cm3），n 为土体孔隙率，根据文献γs取2.72 g/cm3，n取0.52，计算[J]为0.413。由太沙基公式求得的Jc由于未考虑土体抗剪强度影响，一般约小于试验值的15%～25%，故由其计算得出的允许坡降是偏安全的。其次,计算发电管周围土体平均渗透坡降，经计算最大值为0.402，发生在左侧S2～S3测点之间；发电管周围土体渗透坡降均小于允许坡降，发生接触冲刷可能性较小，但应加强观测。

4.减压井水位

绘制减压井水位过程线和水位相关线，并计算相关系数及位势。得出如下结果：①G01、G11、G31、G34 和G48各测点水位均较低，且变化幅度较小，基本在22.00～26.00 m范围内；②测点水位与库水位有一定相关性，相关性系数最大为0.70，相关性系数最小为0.53；③各测点位势均较低，分别在 5%、3%、0%、-4%、-6%左右，位势出现负值是由于受左岸下游电站尾水影响。

对减压井上、下游土体渗透坡降进行计算分析。 计算允许坡降，[J]=Jc/K，K 取 2，Jc=（γs/γ-1）(1-n)， 根据《渗流计算分析与控制 （第二版）》，n取0.4，计算允许坡降为0.5。经计算，减压井上游坝基测点到减压井测点间平均渗透坡降最大值为0.051，发生在D18B～G34测点之间，接近允许坡降；减压井到下游水位测点间平均渗透坡降最大值为0.494，发生在G48测点到下游水位测点间，小于压渗体计算允许坡降，不会发生顶托破坏。根据分析结果，应加强大坝下游坝脚的巡视检查。

5.渗流量

通过对渗流量过程线的分析可知：①坝体、坝基渗流量受降雨影响十分显著，与库水位有一定相关性；②0+177断面W1坝基渗流量整体较小，但于2011年6月20日和2014年7月18日分别出现大值12.11 L/s和9.10 L/s，这是因为降雨作用对渗流量的增加具有直接影响；③0+277断面W2坝体渗流量整体大于0+177断面W1坝基渗流量。

三、结 语

①坝体各测点渗流水位较为稳定，与库水位相关性较差；坝体各断面心墙降低位势均在65%以上，心墙防渗效果显著。

②坝基各断面测点水位与库水位相关性整体比坝体测点明显；坝基左、右两端渗流压力水位高于大坝中部，坝基混凝土防渗墙比两岸帷幕灌浆防渗效果明显；混凝土防渗墙及墙后坝基渗透坡降均小于相应允许坡降。

③左岸绕坝渗流测点渗流压力位势和渗透坡降整体明显大于右岸，说明左坝肩存在明显绕渗，右坝肩无明显绕渗。

④发电管周围渗流水位受库水位影响相对较小，渗透坡降均小于计算允许坡降，发生接触冲刷可能性较小，但应加强观测。

⑤减压井各测点水位和位势均较低，与库水位有一定相关性，且受下游电站尾水影响；减压井到上游坝基测点间平均渗透坡降小于设计允许坡降，减压井到下游水位测点间平均渗透坡降小于压渗体计算允许坡降，不会发生顶托破坏，但应加强巡视检查。

⑥坝体、坝基渗流量受降雨影响显著，与库水位有一定相关性；坝基渗流量整体较小，小于坝体渗流量。