基于原型观测的黑河黏土心墙土石坝渗流场评价

高焕焕,齐小斌,高文静,何 敏,张 群

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065；2.西安水务集团黑河金盆水库管理公司，西安 710401；3.西安理工大学，西安 710082)

0 前 言

土石坝因其就地取材、经济可靠、施工设计快捷等特点，在中国已成为首要选择或主流比选的坝型。我国已建的水库大坝中，土石坝占90%以上[1]。国内已有大量的学者针对我国土石坝的安全观测资料分析以及大坝稳定性评价问题进行了丰富的研究。汝乃华等人[2]认为对土石坝的安全观测资料分析和稳定性评价极其重要，尤其是渗流对土石坝的安全运行具有重要影响。周恒、曲传勇等人对土石坝安全性和渗流稳定性进行了分析[3-6]。因此，渗流分析的结果往往能为土石坝的稳定分析提供重要依据。

由于水库蓄水的原因，库水水压力沿着土石坝坝体、地基及坝端两岸作用于河岸下游,在水压力的作用下，可能引发下游坝体、坝基及岸坡的渗漏。土石坝内部渗流条件十分复杂，是因为构筑坝体本身材料的多样性及复杂性，此外水位的频繁变化也是重要的原因之一[7]。大坝内部渗流条件直接关系到大坝上下游的稳定性(如管涌、流土)，因此，如何结合原型观测资料对大坝渗流安全状况进行准确评估始终是工程师面临的一大难题，目前尚无统一成熟的方法。本文通过渗压计压力水头、位势时空变化规律、心墙下游可能的溢出点、心墙孔隙水压力等值线分布等分析黑河黏土心墙土石坝全过程渗流场变化规律，利用相关模型与判别准则揭示其演化的控制要素，提出黏土心墙土石坝渗流场稳定判别方法，实现对黑河黏土心墙土石坝渗流全方位评价。

1 工程概况

何敏等[8]针对截止2005年12月的监测数据，对黑河心墙土石坝进行监测资料分析与稳定性评价。本文观测资料来源于2019年黑河金盆水库大坝安全鉴定项目，观测资料截止日期为2015年底。

大坝主体于2001年12月19日完成，2003年6月25日，逐步进行蓄水作业，2003年11月24日达到当年最高水位590.90 m，之后随时间推移库水位在小幅度范围内波动[9]。大坝填筑及大坝上游水位过程线见图1。

图1 大坝填筑及大坝上游水位过程线图

结合土石坝填筑及蓄水运行过程，针对施工期、初蓄期、运行期3个关键时段对大坝观测资料分阶段进行分析，黑河大坝关键时段划分见表1。

表1 黑河大坝关键时段划分表

施工阶段自监测测量装置开始进场施工之日起，至水库首次蓄水完成，其中包括两年半的低水位阶段(2000年11月—2003年6月)。初蓄时间是指从水库首次蓄水到接近正常蓄水位后再持续3 a，其中包含了因蓄水高度逐渐增加而出现的非稳定性水位阶段(2003年6月—2006年11月)。初蓄期以后称之为运行期，其中包含了稳定水位阶段。

2 渗流监测设计

大坝渗流监测仪器采用渗压计和量水堰。渗流监测剖面共设置3个，分别位于桩号0+088.00 m、0+225.00 m、0+316.00 m处，其中0+225.00 m剖面位于大坝最高坝段，0+088.00 m、0+316.00 m剖面分别位于大坝左、右岸[9]。大坝心墙剖面监测仪器布置见图2。

图2 大坝心墙剖面监测仪器布置图 单位：m

坝体和坝基渗流压力采用渗压计监测。

坝体：将测量点分高程布设在3个监测剖面，0+088.00 m、0+316.00 m剖面共布置13个测量点，0+225.00 m剖面共布置18个测量点。其中各个渗压计测量点布设于心墙、上游反滤层中。

坝基：在3个监测断面的心墙与混凝土垫层之间分别布设5、7、5个渗压计测量点。在桩号0+225.00 m心墙混凝土垫层与基岩之间的帷幕上、下游，各布置2个渗压计测量点。

渗流量监测采用量水堰，共布置3个量水堰。分别在下游左、右两岸及河床段各设1个。

3 大坝渗流时空演化规律与控制要素

3.1 分析方法

第一步，从数据的可靠性程度及其趋势变化对采集得到的观测数据进行处理分析；第二步，利用相关判别标准及相关模型对第一步的观测数据进行检查分析；第三步，通过推理模型的判断对实测数据值的准确性进行综合推理分析。通过以上步骤，进而得到影响土石坝渗流演化的相关控制要素。详细的分析方法如下：

(1) 综合过程线图。想要判断各项测试值是否正常，需要将各个观测数据与库水位过程线进行对比分析，其中观测数据包括了3项，分别为：水压力值、渗压计位势和渗流量，得到各个渗压计测量值自身的变化水平及其随水位变化的趋势。

(2) 渗压计等值线图。通过孔隙水压力测量值和渗压等值线图具体分析坝体内部时空演化规律，从而识别出坝体渗流演化的关键控制要素。

3.2 坝体渗流规律

3.2.1渗压计压力水头时空变化规律

通过分析对比渗压计和库水位的测量数据，得到二者之间的关系曲线主要有3种表现类型。

类型1：渗压计的测量值和库水位呈现出较好的线性相关性，两变量的数据差距较小，如图3所示曲线几乎重合。有上述表现特征是由于测量点主要设置在防渗心墙上游，砂壳渗透系数高，因此，渗压计水位会随上游水位的变化而变化。

图3 渗压计与库水位关系第1种类型图

类型2：渗压计测量值基本与库水位相关性不明显，不同于类型1，类型2的测量点主要集中在坝体防渗心墙内部，如图4所示。2003年大坝投入蓄水后，心墙内部测量点压力水头不断上升，心墙内渗透系数相对较低，并且多数水被心墙阻挡在上游坝壳料中，心墙内部孔隙水压力值处于逐步上升过程中；2006年之后至2015年底，心墙内部渗透压力值才维持在一个相对平稳的状况；基于上述分析，表明了坝体本身蓄水后渗流状态已经由起初的非稳定状态渐渐地变化成稳定的状态，并保持在稳定状态。

图4 渗压计与库水位关系第2种类型图

类型3：二者关系曲线表现特征为无关，如图5所示，主要是因为测量点靠近下游反滤层，由于心墙防渗作用明显，透水性弱，所以渗压计测量值基本与库水位无关。

图5 渗压计与库水位关系第3种类型图

3.2.2渗压计位势时空变化规律

从时间的角度分析，蓄水行为的全过程，多数测量点位势变化基本平稳，变化幅度不超过9.8%；但是从空间的角度分析来看，从上游到下游各测量点位势依次减小，与时间角度的平稳状态不同，空间视角下的位势变化，表明心墙防渗作用明显。如图6所示，根据由高至低的高程变化，从心墙上游面至下游面，渗压计位势的减小幅度越来越大：

图6 0+225.00 m剖面高程500.00 m渗压计位势图

(1) 首先，桩号0+225.00 m剖面高程570.00 m渗压计位势减小了16%左右，高程550.00 m渗压计位势减少了30%，埋在高程525.00 m渗压计位势减小了58%，埋在高程500.00 m渗压计位势减少了82%；

(2) 其次，桩号0+088.00 m剖面高程570.00 m渗压计位势减少15%，高程550.00 m渗压计位势减少了37%，高程530.00 m渗压计位势减少了50%，高程505.00 m减少了75%；

(3) 最后，0+316.00 m剖面高程570.00 m渗压计位势减少了16%，高程550.00 m渗压计位势减少了40%；高程530.00 m渗压计位势减少了48%；高程505.00 m渗压计位势减少了75%。

在上述数据的支撑下能够明显地看出3个监测剖面位势的变化规律较为一致。

3.2.3心墙下游可能的溢出点分析

将渗压计P2-5、P1-11、P1-16、P3-5布设于心墙下游测量渗压水位，溢出点可能位于：左岸桩号0+88.00 m剖面P2-5(高程505.20 m)实测水位在高程508.00 m以下；大坝中间桩号0+225.00 m剖面P1-11(高程475.60 m)实测水位在高程489.00 m以下，基本与下游水位接近(高程485.00 m)，P1-16(高程500.00 m)在高程504.00 m以下；右岸桩号0+316.00 m剖面P3-5(高程508.60 m)的水位在高程512.00 m以下。通过实测数据可以清楚的看出与同一高程的大坝中部剖面相比，左、右岸心墙下游水位相应的渗压计水位较大，这一现象之所以出现可能是因为左、右岸绕坝渗流作用造成了影响。综上，心墙下游可能溢出点在高程489.00～512.00 m之间。

3.2.4心墙孔隙水压力等值线分布规律

图7给出了0+225.00 m剖面蓄水3个月时、初蓄期及稳定渗流形成后实测渗透压力等值线图。图中纵坐标代表高程，数字代表渗压水头值，二者单位均为m。

图7 0+225.00 m剖面心墙渗压等值线 单位：m

如图7所示，大坝蓄水3个月之内，因心墙渗透系数较低，从而影响孔隙水压力逐步上升，渗透等压线的特征表现为下凹。蓄水初期，心墙底部的各测量点数据逐步表现为上凸特征，由下凹至上凸这一变化表明心墙正逐步向稳定渗流过渡。至运行期时，心墙渗压等值线在之前的基础上进一步上凸。

3.3 坝基渗流规律

帷幕前P1-1、P1-2两个测量点接近上游水位，二者的位势分别在95%、88%左右；位于帷幕后P1-5、P1-10两个测量点位势分别下降9%和7%。自蓄水后，帷幕后方渗压计位势，表现稳定且有降低的趋势，分析帷幕前后渗压计测量值及位势变化后，表明坝基帷幕防渗作用明显，说明心墙底部垫层与坝基接触良好，坝基渗流情况较好。

0+225.00 m剖面坝基心墙垫层下的典型渗压计位势图与库水位变化见图8所示。

图8 0+225.00 m剖面坝基典型渗压计位势图

通过上述对渗压计位势、库水位等变化因素的分析可以发现，影响黑河黏土心墙土石坝渗流演化规律的关键控制要素为：坝体材料的渗透系数、库水位、空间位置。由于上游坝壳料透性强，水头与上上游库水位一致；随着蓄水位的上升，由于心墙渗透系数低，有较强的防渗作用，心墙水头水位上升存在一个长历时的过程，并且水头从上游至下游显著降低；下游坝壳料的渗流基本不受库水位影响；帷幕对坝基渗流规律有影响，帷幕前水头同上游水位，帷幕后衰减明显。

4 大坝渗流稳定评估方法

判断黑河大坝渗流是否趋于稳定，可以从以下3个角度进行分析：

(1) 渗压水头与库水位关系曲线特征；

(2) 渗透压力等值线变化特征；

(3) 水位不变化时渗流量测量值变化。

基于前文第3.2.1、3.2.2节的数据分析，可以得到自蓄水期至运行期的大坝内部渗压水头整体变化趋势。通过第3.2.4节的分析结果可知，刚蓄水时，心墙内部渗压计等值线呈上凹式，后期则表现为与稳定渗流类似的上凸式。除此之外，以水位基本不变为前提，选大坝水位变化在±4 m范围之间的时段，分析心墙各渗压计与下游渗流量的变动幅度。由此得出，除上游反滤料中的渗压计数值变化幅度较大，达1.5 m外，大坝下游渗流量和大坝心墙内部各测量点渗压水头几乎无变化，可以推断大坝渗流趋于稳定。

5 结 论

(1) 渗压计压力水头与库水位相关性较好的位置主要靠近心墙上游，心墙中部渗压计压力水头持续上升，但目前已基本稳定；至于心墙上游面到下游面这一区间，对于渗压计位势来说，位势逐步减小，表明心墙抗渗能力良好。根据心墙内部渗压等值线的变化，可以看出大坝在蓄水时，其渗流状态的变化过程为非稳定渗流到稳定渗流，主要体现为蓄水初期，大坝渗压等值线呈现上凹趋势，而在蓄水后逐渐呈现上凸趋势；基于以上分析，可得出土石坝心墙渗压计测量值变化呈分区特征。

(2) 坝基帷幕前，渗压计位势大约为0.98，帷幕后迅速降到0.1以下，同时多年来该位势未发生变化，基于对坝基渗压计位势的分析，表明坝基帷幕的抗渗性能效果良好，在坝基处发生渗透破坏的可能性较小。

(3) 当库水位未发生变化时，测定出来的各渗压压力水头基本不变，表明黑河大坝渗流场整体稳定。