大西沟粘土心墙坝运行期渗流及沉降监测分析

曲传勇

(新疆水利水电科学研究院,乌鲁木齐 830049)

0 引 言

大西沟水库大坝是一座建设在复杂地质(碎裂镶嵌结构)基础上的以防洪为主的粘土心墙坝，最大坝高90 m,水库总库容6 990万m3，坝址区地震基本烈度为Ⅷ度。大坝的监测重点为渗流监测、变形监测，分别在大坝的0+093.00 m、0+160.00 m、0+220.00 m、0+300.00 m横断面布置了渗流、沉降及土压力计等监测仪器。

1 渗流监测资料分析

1.1 渗流监测布置

坝体0+093.00 m、0+160.00 m、0+220.00 m断面灌浆帷幕前后各埋设了1支渗压计(共6支)，监测灌浆帷幕防渗效果。坝体0+131.00 m、0+148.00 m、0+171.00 m断面混凝土盖板与基岩接触面各安装了1支渗压计(共3支)，监测混凝土盖板与基岩接触面的渗流情况。

粘土心墙内在0+093.00 m断面(1 904.50 m、1 937.00 m、1 962.00 m)、0+160.00 m断面(1 290.40 m、1 932.00 m、1 957.00 m)、0+220.00 m断面(1 900.40 m、1 927.00 m、1 952.00 m)分3个高程各埋设9支渗压计(共27支)，0+300.00 m断面1 962.00 m高程埋设了3支渗压计监测粘土心墙的渗流情况。典型监测仪器布置见图1。

图1 0+220.00 m断面仪器布置图 单位：高程，m

1.2 渗透水位监测

运行7 a来，最高库水位1 970.00 m，最低库水位(死水位)1 935.00 m，下游导流洞出口尾水位在1 917.40 m左右。各测点监测成果表明：各测点的渗透水位的变化都与库水位的变化较为密切，库水位升高渗透水位上升，库水位降低渗透水位下降。

1.2.1帷幕前后渗透水位监测

3个断面帷幕前后渗透水位变化趋势基本相同，都与库水位的变化较为密切。0+160.00m、0+220.00 m断面帷幕前后渗压计渗透水位变化比较正常；0+093.00 m断面帷幕前后的渗压计渗透水位比较异常，水库蓄水初期帷幕前后渗压计水位相差不大。2016年10月后，帷幕后渗压计P30渗透水位缓慢高于帷幕前渗压计P29渗透水位；2020年11月2日，上游库水位1 957.90 m时，其差值为2.3 m,结合左岸坝肩测压管水位较高分析，可能是左岸绕坝渗流引起帷幕后渗透水位高于帷幕前渗透水位；当最高库水位为1961.00 m时，0+093.00 m、0+160.00 m、0+220.00 m断面帷幕折减上游水头分别为40%、84%、84%，且0+093.00 m断面帷幕前后渗压计水位从水库蓄水初期就基本一致，表明0+093.00 m断面帷幕灌浆效果较差，0+160.00 m、0+220.00 m断面帷幕灌浆效果较好。其渗透水位过程线见图2、3。

图2 0+220.00 m断面帷幕前后P1、P2渗透水位过程线图

图3 0+093.00 m断面帷幕前后P29、P30渗透水位过程线图

1.2.2心墙底板渗透水位监测

在0+093.00 m、0+160.00 m、0+220.00 m断面坝轴线上28.00 m、1.50 m和坝轴线下25.00 m心墙底板与粘土接触面上分别布置了1支渗压计，其渗透水位的变化都与库水位的变化比较为密切，且3个断面渗压计变化趋势基本相同。2020年最高库水位1 961.00 m时，3个断面渗压计的位势分别在0.9(轴上28.00 m)、0.5(轴上1.50 m)、0.04(轴下25.00 m)左右。0+220.00 m断面心墙底板渗透水位过程线见图4～6，结合0+220.00 m断面1 927.00 m高程渗压计P9、P10、P11，1 952.00 m高程渗压计P12、P13及下游坝壳料渗压计P6、P7渗透水位画出该断面浸润线见图7。通过渗压计监测资料分析，0+093.00 m、0+160.00 m断面心墙浸润线也已经形成。

图4 0+220.00 m断面P3、P4、P5渗透水位过程线图

图5 0+220.00 m断面P9、P10、P11渗透水位过程线图

图6 0+220.00 m断面P6、P7渗透水位过程线图

图7 0+220.00 m断面浸润线图 单位：m

1.2.3混凝土盖板与基岩接触面渗流监测

0+131.00 m、0+148.00 m、0+171.00 m桩号混凝土盖板与基岩接触面渗压计渗透水位与库水位关系密切，其相关系数在0.9以上，属于显著相关。0+148.00m 桩号P49、0+171.00 m桩号P50渗透水位与库水位相关过程线显示，渗压有逐年减小的趋势；0+131.00 m桩号P48渗压不稳定，结合0+093.00 m断面帷幕前后渗压计渗透水位基本一致，说明此处可能存在渗水，但变化不大。

图8 P50相关过程线图

图9 P48相关过程线图

1.2.4渗流统计模型分析

渗流是土石坝重点监测项目之一。为了解大西沟水库渗流运行性态，对0+093.00 m、0+160.00 m、0+220.00 m,3个断面部分渗压计的渗透水位与库水位建立渗流统计模型进行分析。

土石坝渗流模型主要与水位、降雨、时效有关，鉴于水库无雨情数据，且工程所在地处西北高纬度地区，干旱少雨，因此仅将水位与时效作为大西沟水库渗流效应量进行建模，模型公式可表达为：

δ=δH+δθ

+c1(θ-θ0)+c2(lnθ-lnθ0)

(1)

以0+093.00 m、0+160.00 m、0+220.00 m断面帷幕后、心墙底板轴上1.5.00 m及轴下25.00 m处渗压计为例，通过建立回归模型，对模型精度较高的9个测点分离效应量，计算结果见表1，0+220.00 m断面帷幕后渗压计P2拟合及分解过程线见图10。

表1 渗压水位分解结果表

如表1所示，模型复相关系数均在0.94以上，标准差占总变幅的比例为1.96%～6.97%，表明因子选取合理，模型精度高。水位分量变幅为4.98～39.3 m，占总变幅的78.76%～97.84%，说明库水位是引起渗透水位变化的主要因素；其次是时效分量，变幅0.28～2.00 m,占总变幅的2.16%～21.24%。

虽然时效分量整体占总变幅的比例不大，但其中P2测点的时效分量占变幅的21.24%。以该测点为例，如图10～11所示，虽然时效分量前期变幅较大，但后期逐渐收敛，说明该测点渗压水位逐年降低并趋向稳定。其它测点时效分量占总变幅在10%以内，且时效分量趋于收敛，因此，表明心墙内渗压已趋向稳定。

图10 P2渗压计拟合过程线图

2 心墙沉降监测

在0+093.00 m、0+160.00 m、0+220.00 m、0+300.00 m断面粘土心墙轴线上每5 m安装了沉降磁环，用于监测心墙的沉降。

图11 P2渗压计分解过程线图

大西沟水库大坝于2012年4月25日开始填筑，2013年6月28日填筑至设计高程1 987.40 m，2013年10月18日水库下闸蓄水。施工期监测成果表明，粘土心墙最大沉降量发生在填坝高度的0.3～0.5之间,并随坝体填筑高度的增加，最大沉降量的位置也逐步上移，各断面单点最大沉降量过程线如图12。心墙最大单点沉降量发生在主河床断面，即0+160.00 m～0+220.00 m断面之间，施工期心墙最大单点沉降量为531.5 mm(ES1-7),占坝高的0.61%；蓄水1 a后，0+160.00 m断面单点最大沉降量为552.4 mm(ES2-8),占坝高的0.63%，沉降量增加了28 mm,占坝高的0.032%；蓄水7 a后，心墙单点最大沉降量为603.5 mm(ES2-8),占坝高的0.69%，最大沉降量增加79 mm ,占坝高的0.091%。由此可知，蓄水对大坝心墙的沉降量影响不大，沉降量主要发生在施工期。

图12 心墙单点最大沉降量过程线图

图13 粘土心墙沉降分布图 单位：桩号，m;沉降量：mm

0+093.00 m～0+160.00 m断面、0+160.00 m～0+220.00 m断面之间倾度值在0.01%～0.13%之间，其中，ES2-2～ES3-1之间的倾度值最大为0.13%，说明心墙沉降量不大且比较均匀。

由图12～13各断面心墙最大单点沉降量过程线及心墙沉降分布可知，3个断面最大单点沉降都发生在坝高的1/3～1/2高程之间，心墙沉降符合一般粘土心墙大坝的沉降规律。

3 结 论

(1) 水库高水位运行后，渗透水位与库水位密切相关，心墙内各测点的渗透水位随库水位的升高而上升，随库水位的降低而下降。

(2) 2020年最高库水位1 961.00 m时，0+093.00 m断面帷幕折减上游水头40%，0+160.00 m、0+220.00 m断面帷幕折减上游水头84%,表明0+093.00 m断面帷幕防渗效果较差，0+160.00 m、0+220.00 m断面帷幕防渗效果较好。

(3) 运行期心墙单点最大沉降量为603.5 mm,占坝高的0.69%，说明心墙沉降量较小，施工质量良好。运行期心墙单点最大沉降量加79 mm，占坝高0.023%，说明心墙的沉降量主要发生在施工期，水库蓄水对大坝的沉降量有影响但影响不大。

(4) 各断面的倾度为0.01%～0.13%之间，远小于1%，说明心墙沉降相对均匀。

(5) 监测数据表明，大西沟水库大坝渗流、沉降变形基本稳定，大坝工作状态基本正常。