柏坑水库除险加固后大坝渗流观测分析

章泽宏

（韩江南北堤潮安管理处,广东 潮州 521000）

1 工程概况

柏坑水库位于潮州市北面潮安区文祠镇竹园村内,距潮州市区15 km,1971 年3 月建成,水库设计集雨面积4.5 km2,总库容为161 万m3。水库负责文祠镇自来水厂的水源供应,供水人口1.11 万人,此外还担负着0.7 万亩农田的灌溉任务。大坝分为主、副坝,为均质土坝,主坝最大坝高25 m,坝顶高程97.1 m,坝长120 m,坝顶宽6 m。副坝坝顶长度54 m,坝顶宽度4 m。溢洪道为单孔WES实用堰,净宽9.0 m,挑流消能。输水涵管为钢筋砼圆管,管内径0.66 m,管壁厚度0.22 m,总长100 m,进口设斜拉闸门控制。水库正常蓄水位93.5 m,相应库容129.5 万m3。柏坑水库自建成以来,因存在着安全隐患,使工程效益没能发挥,因工程质量差,近年来已暴露出一定安全隐患。2005 年对柏坑水库主坝大坝充填粘土灌浆,加宽培厚,维修加固防浪墙,背水坡铺设草皮；副坝加宽培厚,迎水坡铺设干砌石护坡,背水坡加设排水沟、排水棱体；溢洪道拆除重建,并将堰顶高程由原来的92 m提高到93.5 m。重建输水涵管操作室。新建管理房,增设雨量、水位等观测设施。

2014 年经水利部工作小组及潮州市水务局安全鉴定,水库大坝评价为“三类坝”,并决定于2016 年进行水库大坝除险加固处理,具体建设内容包括主副坝坝体及坝基进行灌浆处理；主坝迎水坡破损护坡修复,加固排水棱体；副坝坝顶铺设泥结石路面；采用顶管方式新建供水管道；更换输水闸门和启闭设备；加固溢洪道挑鼻后山体,对溢洪道边墙破损勾缝进行修复；增设渗流、变形、沉降等观测设施。

2 渗流观测布置

考虑到柏坑水库除险加固处理前测压管大多处于失效弃用状态,除险加固处理时在大坝坝体和两岸岸坡处均按观测要求重新埋设了测压管,并利用除险加固处理前大坝坝脚三角堰进行坝体渗流量观测。除险加固处理后通过埋设在大坝三个横断面内的测压管监测坝体浸润线,测压管分别在桩号K+053 m、桩号K0+116 m、及桩号K0+114 m处埋设。同时在下游两岸岸坡埋设6支检测管监测主坝绕渗情况。

3 观测结果分析

3.1 测压管水位位势分析

结合渗流理论及柏坑水库除险加固后运行实际,通过测压管水头在大坝渗流场内总渗流水头中的占比换算可得出具体的水位位势,可按下式计算：

式中：Fi为第i个测压管水头在大坝渗流场内总渗流水头中的占比,%；hi为第i个测压管水头,m；H1为上游水位,m；H2为下游水位,m。

下游水位高程选择水库大坝坝脚处测压管G8 的水位高程,并根据最高库水位及稳定期库水位进行测压管水位位势计算,分析结果见表1。根据表中计算结果,位于套井下游的水库大坝最大断面K0+110 m的G4、G5、G6 测压管两次观测结果的位势降低幅度均较大,表明坝体心墙具有良好的防渗性能。

表1 水库大坝最大断面K0+110 m测压管水位位势计算结果

3.2 坝体渗流量分析

针对所取得的水库大坝K0+110 m最大断面的测压管数据进行渗流量过程线分析,根据大坝除险加固后正常运行实测水位过程线（图1）,当库水位在2019-01-01～2019-03-01观测期间位于极低水平时,孔隙水压力消散过程缓慢,其中G4 测压管水位比库水位高,且滞后性显著。当库水位升高后,全部测压管的水位均比库水位低,仅G4 测压管水位与库水位具有较好的同步性,坝下测压管水位受库水位的影响均较小,位于所在流域下游一二级马道的测压管水位则处于基本稳定状态。表明柏坑水库除险加固处理后大坝渗流稳定。

图1 大坝除险加固后正常运行实测水位过程线

从图2 实测绕坝测压管水位过程线可以看出,左岸L2 和L3 测压管水位处于相对稳定状态,且与库水位相关性不大；而L1测压管水位随库水位的变化表现出明显的变动趋势,即库水位在2019-11-01～2020-03-30 观测期间位于较低水平时L1测压管水位基本稳定在89.0 m,此后在2020-03-30之后随着库水位的持续升高,L1 测压管水位开始与库水位同步升高和变动,并与库水位基本持平。通过分析L1 测压管水位异常变动的原因发现,该测孔设计孔深6.5 m～8.5 m,对应的高程89.5 m～98.0 m,测孔处存在小规模隐伏断层,且断层内岩体受到强烈蚀变,属于导水性较强的断层。右岸R1 测压管在2020-05-30 观测时间后且库水位≥95.0 m后存在微小幅度的波动；其余右岸测压管水位均较为稳定,不随库水位的增大而改变。

图2 绕坝测压管实测水位过程线

3.3 大坝渗流量计算

3.3.1 坝体渗流量计算

根据水利水电工程设计计算程序集所规定的土石坝渗流稳定程序[1],取心墙渗透系数K0=1.24×10-6cm/s,坝体渗流系数K1=0.028,心墙厚度均值取0=24.5 m,上游坝坡厚度取M1=2.0 m,下游坝坡厚度取M2=1.6 m,将相关设计参数输入土石坝渗流稳定计算程序后所得出的柏坑水库除险加固后坝体渗流量结果见表1,考虑到坝体实际单宽后所计算得各桩号坝体总渗漏量分别为0.54 m3/d、1.16 m3/d、6.20 m3/d、2.51 m3/d、6.18 m3/d,合计为16.59 m3/d。

3.3.2 坝基渗流量计算

采用水库碾压式土石大坝设计手册所规定的方法[2]进行柏坑水库大坝坝基渗流量计算,考虑到该水库坝体渗透系数为坝基渗透系数的0.4～0.5 倍,故坝体渗流量可忽略不计,直接采用下式：

式中：q为柏坑水库坝基单宽渗流量,m3/（d·m）；k为水库坝基渗透系数,取0.144 m/d；H为坝前实际水深,m；T为透水性坝基实际厚度,m；n为系数,根据碾压式土石坝设计手册规定取值；L为坝前后趾间距,m。

结合柏坑水库地勘报告和基岩压水试验结果,坝基基岩渗透性分为严重～中等透水带和微透水带两类,中间隐伏断层,上下盘严重～中等透水带厚度均为40 m左右,则坝基渗漏量计算结果汇总见表2。考虑到坝基实际宽度后所计算得各桩号坝基总渗漏量分别为33.19 m3/d、31.35 m3/d、75.76m3/d、25.64 m3/d、166.48 m3/d,合计为332.42 m3/d。

表2 柏坑水库除险加固后坝体渗流量结果

表3 坝基渗漏量计算结果汇总

3.3.3 绕坝渗流量计算

根据碾压式土石坝设计手册,水库大坝绕坝渗流量按照下式计算：

式中：q为绕坝单宽渗流量,m3/（d·m）；k为水库大坝岸坡渗透系数,k=5 Lv,即k=7.2 m/d；H为坝前水深,为48 m；h为坝后水深,0.20 m；L为透水性坝基实际厚度,L左=250 m,L右=80 m。

将柏坑水库相关数据代入式（3）可得左坝绕坝单宽渗流量q左=33.177 m3/d·m；q右=103.678 m3/d·m；左坝渗流总量Q左=100 q左=3317.7 m3/d；右坝渗流总量Q右=45×q右=4665.51 m3/d；Q总=Q左+Q右=7983.21 m3/d。

3.3.4 渗流总量计算

综合考虑后,柏坑水库大坝除险加固后渗流总量由坝体渗流量、坝基渗流量、左右坝肩渗流量等构成,即：

根据以上分析和计算结果,在水库大坝总渗流量中大坝坝肩绕渗量较大,在总渗流量中占比95.81%,其中左坝肩渗流量在水库大坝总渗流量中占比39.82%,右坝肩渗流量在水库大坝总渗流量中占比55.99%。以上渗流结果均按照水库大坝帷幕灌浆后的情况考虑,且渗流系数取值5 Lv,大坝除险加固后最高蓄水位时包括坝体渗流、坝基渗流、坝肩绕渗等渗流量在内的渗流观测值为37.6 L/s,而计算复核所得出的大坝渗流量为97.16 L/s,可见,实际观测值比理论计算值小。

4 结论

柏坑水库除险加固后1年的坝体渗流观测结果显示,其测压管水位变动与碾压式土石坝渗流规律基本吻合,心墙防渗体浸润线也表现出十分明显的降幅,表明该水库大坝除险加固后整体防渗效果良好。除大坝坝体左岸L1 测压管因受到山体发育隐伏导水断层的影响而水位表现为异常外,其余坝基岩体总体具有较好的防渗性,且测压管水位均处于相对稳定状态,均与库水位变动无明显的相关性。坝后部分观测点渗流量在相同库水位条件下虽存在上下波动,但随历时的延长波动量总体呈下降趋势,说明大坝渗流形态朝有利方向发展。在柏坑水库运行过程中应加强坝体左岸L1 测压管监测频次。