某混凝土面板堆石坝渗流监测资料分析

陈 松，宋志荣，宁 聪，王 岩

(1.重庆交通大学 河海学院， 重庆 400074； 2.中建水务环保有限公司， 广东 深圳 518118；3.重庆同望水利水电设计有限公司， 重庆 401120)

在我国水库大坝中，面板堆石坝是较为普遍的坝型，然而在水库大坝失事中渗流破坏最为突出。据水利部统计调查表明，由于渗流问题导致水库大坝失事占25%左右[1]，因此，需要加强对大坝渗流监测分析，预防大坝发生渗流破坏。相关学者在水库大坝渗流领域做了大量研究工作，如彭正权等[2]根据万安水电站的渗流监测资料，对坝体的渗流特性进行了分析，分析表明坝体的渗压变化规律合理，坝体渗流特性正常。赵迪等[3]以金佛山面板堆石坝为例，进行了二维渗流计算分析，分析表明混凝土面板及防渗帷幕起主要阻水作用。姜建芳等[4]根据白水坑水库混凝土面板堆石坝的监测，分析了防渗体及面板应力等监测资料，分析表明坝体渗流量较小，坝体及面板施工质量及运行良好，未发现异常。然而涵盖完整连续的水库工程渗流监测资料的分析较少，且贯穿施工期、蓄水期及运行期连续监测资料的分析更少。本文基于某水库大坝从施工期到运行期整个连续十几年的渗流监测资料，对大坝渗流监测开展分析工作，并建立多因子回归统计模型，可及时掌握大坝的运行性态和对大坝渗流状况进行评价，为保证水库大坝安全运行提供科学依据，对其它类似工程的监测资料分析具有参考价值。

1 工程概况

某水库位于重庆市开县境内，坝址处于长江支流小江的二级支流桃溪河流域，控制集水面积235 km2，该水库工程是以农业灌溉和城镇供水为主，兼有发电防洪等综合效益的综合性水利枢纽工程。大坝为混凝土面板堆石坝，坝顶高程453.80 m，最大坝高103.80 m，坝顶长243 m，坝顶宽8 m。水库正常蓄水位为450.00 m，总库容为10 240万m3，属于大(2)型水利枢纽工程。该枢纽工程主要由拦河大坝、溢洪道、排沙防空洞、发电引水洞、灌溉和城镇供水引水渠道等建筑物组成。

根据大坝安全监测设计规范要求[5]，该水库布置了比较全面的大坝原型监测系统，此监测系统由变形监测、渗流监测、应力监测及环境量(降雨量、库水位)监测等项组成。其中大坝渗流监测项主要包括：F4断层渗流监测、防渗帷幕防渗效果监测、坝体坝基渗流监测、绕坝渗流监测及渗流量监测等。渗流监测采用的手段为埋设安装渗压计，在施工期通过人工观测采取数据，大坝竣工后接入自动化观测系统自动采集监测数据，通过对大坝渗透压力的监测，获取大坝的渗流状况。桩号为0+097.50最大横向监测断面坝体填筑分区和渗流监测仪器布置情况见图1。

图1坝0+097.50断面坝体填料分区和渗流监测仪器布置(单位：m)

2 渗流监测资料定性分析

渗流监测[6]是为了掌握大坝渗流规律，判断大坝渗流状态。该水库工程渗流监测包括F4断层、防渗帷幕、绕坝渗流、坝体及坝基等监测项，以下对其监测资料进行定性分析。

2.1 F4断层渗流监测分析

根据地勘资料发现，坝址区断裂发育存在对水库工程安全影响的F4断层(距趾板线70 m)。为监测F4断层渗透压力的变化情况，在F4断层灌浆帷幕后布设2支渗压计(G1、G2)监测F4断层灌浆防渗效果，布设在两个横断面分别为0+049.5 m、0+097.5 m，且纵断面均为0-020.0 m，高程均为345.00 m处。监测成果绘制的F4断层渗压计测值变化曲线如图2所示。

图2 F4断层渗流监测渗压计G1和G2渗透压力与库水位变化曲线图

由F4断层渗透压力与库水位变化曲线图2可以看出，两支渗压计的渗透压力变化趋势基本一致。在施工期过程中，由于水雨情监测不完善，只是通过人工观测记录，发现其渗透压力受降雨量的影响。在2007年6月18日强降雨后，G1渗透压力保持在40 kPa左右，而G2渗透压力保持在20 kPa左右。随着降雨的结束，渗透压力相应减小，说明降雨量对其渗透压力存在影响。从2008年4月开始试蓄水后，渗透压力明显增大，持续一段时间后，渗透压力趋向稳定。水库运行过程中，G1和G2渗透压力基本保持稳定，在2011年7月水库水位首次蓄水至最高水位450.32 m，渗压计测值有明显的增大变化，库水位的迅速增加导致渗压计出现测值不稳定情况，从而在监测数据中出现突变值。高水位时期，渗透压力处于最大，随着库水位降低，渗透压力逐渐回归正常值，之后基本呈较小的变化，说明断层F4帷幕防渗效果较好，断层渗透性态正常。

2.2 防渗帷幕防渗效果监测分析

防渗帷幕是混凝土面板堆石坝一道较为重要的阻水屏障，对于大坝安全运行有着至关重要的作用。为监测混凝土趾板下防渗帷幕的防渗效果，共埋设了5支渗压计HF1至HF5，分别在桩号0+049.50 m、0+073.50 m、0+097.50 m、0+133.50 m和0+157.50 m五个横断面的防渗帷幕后各布置1支渗压计，安装高程均为348.00 m。由于施工等因素导致部分渗压计出现测值故障，目前运行良好且具有代表性的渗压计有HF1、HF2和HF5，将其监测值绘制渗透压力变化曲线如图3所示。

图3帷幕后渗流监测渗压计HF1、HF2和HF5渗透压力与库水位变化曲线图

由帷幕灌渗压计测值与库水位变化曲线图3可看出，渗压计HF1和HF5测值变化波动相对较小，而靠上游侧的渗压计HF2测值与波动较大。在2006年12月与2007年2月对比，HF2渗透压力增大了70 kPa左右，最大达到了100 kPa。根据大坝监测资料记载，主要是因为基坑回填，导致水位上升，从而造成渗透压力大幅度增大。而渗压计HF1与HF5测值变化相对稳定，受基坑回填的影响较小。在2007年6月18日强降雨后，渗压计HF1和HF5受影响较小，但靠上游侧的渗压计HF2测值增大40 kPa左右，说明在施工期帷幕后渗透压力受降雨等因素影响。水库从2008年4月开始首次蓄水，蓄水期间渗压计测值均出现增大现象，但由于渗压计HF2安装位置靠上游侧且接近坝体中间，受库水位影响较大导致其测值明显大于渗压计HF2与HF5两个测点测值，该渗透压力最大值达到260 kPa。根据监测资料记载，由于导流洞封堵，造成库水位迅速上涨，从而导致测值呈现增大趋势。截止至同年7月底，HF2测值未出现大幅度的增加，后期维持相对稳定，渗透压力维持在250 kPa左右。结合图中库水位变化曲线分析，帷幕后的渗压计渗透压力测值受库水位等因素影响。在2014年11月开始渗压计出现测值不稳定导致所测渗透压力出现波动较大现象，而后期渗透压力波动变小，逐渐趋于稳定。结合人工巡视检查情况分析表明，未发现异常现象，帷幕阻水正常。

2.3 坝体坝基监测分析

为监测坝体、坝基渗流性态分布情况[7-8]，确保大坝安全运行，在坝体建基面上埋设渗压计进行渗流监测[9]。为使监测更具代表性，共埋设了8支渗压计，在桩号0+097.50 m横断面共布置4支编号为U1-1至U1-4(在纵断面0-142 m、0-043 m、0-000 m、0+048 m各布置1支)，对应安装高程分别为350.00 m、355.00 m、355.00 m、355.00 m；在桩号0+157.50 m横断面共布置4支编号为U2-1至U2-4渗压计(在纵断面0-114 m、0-043 m、0-000 m、0+048 m各布置1支)，对应安装高程均为392.00 m，将各渗压计监测值绘制渗透压力变化曲线如图4所示。

由坝体、坝基渗透压力变化曲线图4可看出，两个横断面的渗压计的渗透压力变化趋势基本一致，且符合混凝土面板堆石坝的渗流变化规律。根据监测资料记载分析，在2007年7月底，靠近上游的渗压计U1-1的测值在降雨前后相对变化较大，渗透压力变化值达30 kPa左右，说明在施工期坝体、坝基渗透压力受降雨的影响。从2008年4月开始首次蓄水以来，两个横断面出现明显的上升趋势，坝横0+097.50 m断面建基面上游的渗压计U1-1处测值达90 kPa，其它测值均在50 kPa下，但从同年7月中旬开始，渗压计测值趋于稳定，并没有随水位上升呈现上升趋势。在水库运行过程中，安装在坝横0+097.50 m断面最上游侧的渗压计U1-1测值变化相对较大，但该断面上其余渗压计测值变化较稳定且人工巡视检查未发现异常情况，说明该断面的渗流稳定，且符合渗流变化规律。而坝横0+157.50 m断面上的渗压计U2-2到U2-4测值基本为负值，为无压状态，说明坝体坝基渗流较小且稳定。自2009年7月水库布设自动化水雨情监测来，库水位和降雨量得到更好地记录，结合水库水位及降雨量变化曲线图5分析，该断面上渗透压力的变化主要受库水位及降雨等因素的影响。

图4 不同横断面各测点渗透压力变化曲线图

图5水库水位和降雨量变化曲线图

2.4 渗流量监测分析

渗流量监测在混凝土面板堆石坝中是极其重要的监测项，通过渗流量的大小及渗流水的浑浊度为判断水库大坝的安全提供重要的依据[10]。该水库工程在下游坝脚设置直角三角形量水堰进行渗流量监测，将观测所得的堰上水头代入堰流量公式计算得到渗流量，绘制得到渗流量过程线如图6所示。由渗流量与库水位过程线图6可看出，渗流量与库水位有较好的相关性，库水位升高，渗流量增大，而库水位降低，渗流量减小。当库水位升高至正常蓄水位450.00 m左右时，对应的渗流量约为6.33 L/s，当库水位降低至440.48 m时，渗流量约为4.25 L/s，渗流量均在允许范围之内，说明大坝防渗效果良好，大坝渗流处于正常状态。

图6渗流量与库水位过程线

3 渗流监测资料定量分析

渗流监测作为面板堆石坝的重要监测项目，大坝的渗流状况关系到大坝的安全，而对大坝的渗流而言，各渗流测点渗压水位主要受库水位、降雨量及时效等因素的影响[11]。当水库水位变化时，其变化传递到各个区域的时间不统一，存在一定的滞后时间，因此将时效也作为影响因子，而筑坝材料受温度影响较小[12]，故一般不考虑温度因素的作用。根据面板堆石坝的渗流理论[13]，将水库水位、降雨量与时效作为影响因子，建立渗压水位的多因子统计模型[14-15]如下：

(1)

式中：H为渗压水位；a0为常数项；ai为水库水位因子回归系数；h1为水库水位；bi为降雨量因子回归系数；P为降雨量；c1、c2为时效因子回归系数；t为时效，从观测日至时效计算日的间隔天数。

根据渗流监测数据随机选取样本，通过建立的多因子统计回归模型进行回归分析，得到如表1所示的回归分析成果，回归分析结果表明F4断层、防渗帷幕及所选取两个横断面的监测点统计模型的相关系数R2均大于0.900，说明统计模型的拟合效果良好，回归方程精度较高，更加充分地反应了大坝实际的渗流状况。断层F4渗流监测、防渗帷幕防渗效果监测及选取的两个横断面渗流监测统计分析表明，水库水位因子对渗压水位的影响最大，降雨量因子次之，时效因子最小，且大坝渗压水位与水库水位及降雨呈正相关关系。结合实际监测情况分析，统计模型分析结果与监测情况基本吻合，说明该回归统计模型能够较好的分析大坝的渗流监测情况，并能够较好地对渗流水头做出合理预测。

表1 渗流监测统计模型回归分析结果表

4 结 语

根据从施工期、首次蓄水期和运行期连续的监测资料分析有以下主要结论：

(1) 大坝渗流性态正常，F4断层和帷幕灌浆防渗效果较好，坝体坝基渗流未发现异常现象。

(2) 水库目前处于安全运行状态，在施工期大坝渗透压力主要降雨的影响，而蓄水后受库水位与降雨的影响显著，受时效影响较小。

(3) 水库管理单位应加强对监测仪器的维护和及时对监测资料进行整理分析，完善监测系统并充分发挥监测作用。