王英水库大坝坝体渗流监测资料分析

张 峰 唐 威 姜丽萍

(1.湖北省水利厅，湖北 武汉 430071；2.湖北省王英水库管理局，湖北 黄石 435236)

王英水库位于湖北省黄石市阳新县境内富河支流三溪河上，集雨面积287.7km2，总库容6.23亿m3，是一座以防洪、灌溉为主，兼有灭螺、发电、养殖等综合利用的大(2)型水利工程。王英大坝为黏土心墙代料组合坝，坝长225.0m、坝顶宽8.0m，最大坝高53.6m，坝顶高程75.00m，正常蓄水位70.00m。大坝坝基出露志留系上统茅山群长石石英砂岩夹泥质砂岩，多为弱风化状态，心墙填土为含5%碎石的黏土，局部碎石含量为20%，代料为碎石土，碎石含量约60%。

王英水库枢纽工程建成至今，先后完成了3次除险加固，其中第3次加固对王英大坝心墙采用充填灌浆；坝基、左右坝肩和F1断层采用帷幕灌浆处理，但实际运行中发现部分监测数据变化异常。为了解王英大坝渗流状况，结合2006—2016年的测压管监测数据(2017年之后，大部分测点有损坏，数据不全)，探索心墙土坝坝体渗压水位变化规律，揭示渗流安全隐患，为王英水库第4次除险加固提供监测数据支撑。

1 渗流原型观测布置

王英水库设有巡视检查、坝体表面变形监测、渗流监测及环境量监测等设施，无渗流量监测设施。渗流监测多年来共安装了31根测压管，主要采用电测水位计人工观测。本次主要对位于桩号0+060、0+120、0+130等3个重点坝体监测断面附近15根测压管进行分析，各断面测压管分别布置在监测大坝心墙前、心墙内、心墙后、下游一级平台、下游二级平台处，用于监测坝体浸润线、心墙防渗效果、代料的排水效果等情况，测压管平面布置及典型断面见图1、图2。

图1 王英水库大坝测压管平面布置图

图2 王英水库大坝0+120断面图布置图

2 坝体渗流监测资料分析

2.1 过程线分析

王英大坝2006—2016年期间各监测横断面测压管实测渗压水位与库水位的对比过程线见图3～图5。

由图3～图5可知：位于防渗心墙上游侧的测压管A2和A4实测水位较高，与库水位较接近，变化过程与库水位基本一致。各监测断面心墙后测压管水位明显低于上游水位，反映坝体防渗心墙防渗效果较好，消弱水头作用明显，且越往下游，测压管实测渗压水位越低，坝体渗流未见异常。上述规律符合心墙土坝横断面渗流压力的基本规律。

图3 坝体0+060断面测压管水位变化过程线

图4 坝体0+120断面测压管水位变化过程线

图5 坝体0+130断面测压管水位变化过程线

2.2 特征值分析

王英水库大坝各测压管2006—2016年实测渗压水位特征值统计情况见表1。

由表1可知：各监测断面上的各测压管实测最高渗压水位均表现为从上游向下游逐渐减小，各监测横断面防渗心墙后的测压管实测最大渗压水位在44.76～45.64m，总变幅在2.63～6.33m，低于上游水位最大年变幅7.76m，较防渗心墙上游测的测压管有所下降，说明坝体防渗心墙效果较好。不同监测横断面上对应位置的测压管，实测最高渗压水位、总变幅特征值分别较为接近，差异不大，表明各监测横断面渗流特性基本一致，符合心墙土坝横断面渗流的基本特点，未见异常。

表1 各测压管实测渗压水位特征值统计表(2006—2016年)

2.3 相关性分析

王英水库大坝各测压管渗压水位与上、下游水位的相关系数见表2。

表2 王英水库大坝测压管渗压水位与上、下游水位相关性统计

由表2可知：位于防渗心墙上游侧的测压管A2、A4实测渗压水位与上游库水位之间的相关系数均较大，说明渗压水位受上游水位影响十分明显，与过程线分析结论基本一致；位于防渗心墙内的测压管实测渗压水位与库水位有一定相关性；位于防渗心墙后的测压管，实测渗压水位与上游水位之间的相关系数均很小，说明上游水位对防渗心墙后的坝体渗流影响较小，且存在一定的滞后效应，或测压管存在不同程度的淤堵；坝体测压管渗压水位与下游水位之间相关性均很小，但A120-2新、C120新测压管渗压水位与下游水位相关性强，但其与下游水位距离较远，经分析可能是降雨等因素影响所致。

2.4 防渗性分析

根据实测值统计2006—2016年防渗心墙处测点与心墙后测压渗压水位差占上下游水位差的比率，分析防渗心墙特性。现根据断面的测压管观测资料，取每年测值的平均值对防渗心墙前后水位差进行分析，见表3。

表3 王英水库大坝心墙前后测压管部位水位差占上下游水位差比率统计

由表3可知：0+060和0+130断面防渗心墙削减水头的比率为0.41～0.50，0+120断面防渗心墙削减水头的比率从之前的40%降至31%左右，呈下降趋势，无收敛迹象。该断面的防渗心墙存在纵、横向及垂直向裂缝的可能，造成心墙消减水头的能力减弱。

2.5 渗透特性分析

根据王英水库大坝埋设的测压管布置及实测资料，按式(1)计算各测压管位置之间的渗透坡降。

(1)

式中：hi和hi+1分别为测压管i和测压管i+1的实测渗压水位,m；Li,i+1为测压管i和测压管i+1之间的距离,m；Ji,i+1为测压管i和测压管i+1之间的渗透坡降。

各断面渗透坡降特征值统计见表4。

表4 王英水库大坝坝体渗透坡降特征值

根据《王英水库枢纽除险加固工程初步设计报告》，大坝心墙允许渗透坡降[J]=1.5，坝体坝壳料允许渗透坡降[J]=0.20。由于心墙后无实测渗压水位监测资料，采用心墙处测压管与心墙后第一根测压管渗压水位试算，三个断面心墙最大渗透坡降分别为1.06、1.52、1.13，均未超过坝体黏土心墙允许渗透坡降值。防渗心墙后，渗透坡降最大值为0.06～0.55，平均渗透坡降在0.01～0.44，部分超过允许值，但由于大坝下游有排水棱体保护，目前大坝河床段没有发生渗透破坏现象。但实际心墙处渗透坡降值约为平均值的1～2倍，则各断面处心墙渗透坡降值介于心墙填土允许比降与临界比降之间，心墙虽未出现渗透破坏，但存在一定的安全隐患，心墙渗透特性一般。

2.6 统计模型分析

土石坝浸润线的测压管水位的实测资料表明，土坝渗流的变化主要受上游水位Hu，下游水位Hd、坝址降雨R，坝体及坝基温度T以及时效θ等因素变化的影响。渗流统计模型一般表达式见式(2)：

(2)

本次对王英水库大坝监测成果相对连续的6根测压管建立统计模型，建模时段为2006—2016年；考虑到水位对坝体渗流的滞后效应，水位因子取5个，分别为观测日当天、前期1天、前期2～4天、前期5～15天、前期16～30天水位平均值；考虑到降雨对坝体渗流的滞后效应，降雨因子分别为观测日当天、前期1天、前期2～4天、前期5～8天坝址降雨量的累计值。其中，t1=(t-t0)/365=(观测日序值-基准日序值)/365。基准日期取2006年1月1日为首测日期。

在建立监测统计模型时，可根据具体情况预置一个或多个时效因子参与回归分析，见式(3)：

I1=t1,I2=ln(t1+1),I3=1-e-t1,I4=t1/(t1+1),

(3)

因此，时效分量的构成形式可表示为式(4):

(4)

式中：s为时效因子个数，视具体情况而定；di为回归系数。

显著性水平取α=0.05。在建模之前，先对监测效应量进行真伪性分析，对各监测测量加以鉴别并剔除了明显的粗差，选择监测成果相对连续的6根测压管建立统计模型，大坝渗压水位统计模型方程组成见表5，大坝渗压水位统计模型拟合情况及各分量比重见表6。

表5 王英水库大坝渗压水位统计模型方程组成(建模时间：2006—2016年)

表6 王英水库大坝渗压水位统计模型拟合情况及各分量比重(建模时间：2006—2016年)

由表6可知：6根测压管的统计模型中，4根统计模型的复相关系数R超过0.6，但数值均不大，模型质量不高，只能基本反映坝体渗压水位的变化情况；另两根测压管统计模型复相关系数R仅0.4左右，模型质量较差，反映测压管渗压水位测值精度较差。上游水位分量所占比重为19.2%～35.3%，比重不大，且比较接近；从上游水位入选因子情况来看，测压管渗压水位与上游水位之间存在较明显的滞后效应。降雨分量所占比重差异较大。C2新测压管降雨分量比重为67.3%；其他断面坝体渗压计降雨分量比重较接近，从降雨入选因子情况来看，测压管渗压水位与降雨之间存在较明显的滞后效应。时效分量所占比重的差别也较大，为4.3%～32.3%；从时效分量的过程线来看，测值基本已趋于稳定，结合测值过程线分析，未见异常。由于测值序列较短，且缺乏气温、下游水位连续资料，还难以判断其发展趋势，从目前成果看测值基本稳定。

3 结 语

通过上述分析，王英水库大坝坝体各测压管实测渗压水位精度一般，渗压水位基本为自上游至下游逐渐降低，心墙后各测压管渗压水位不高，实测渗压水位与上游水位之间的相关系数均较小，变化规律基本符合心墙土坝坝体渗流的一般规律。防渗心墙削减水头的比率呈下降趋势，无收敛迹象，说明防渗心墙存在纵、横向及垂直向裂缝的可能。坝体心墙渗透坡降允许值较小，在高水位运行时存在破坏风险，坝体渗流特性一般。fffff9