楼子桩水库运行沉降及水位监测分析

周晓浩

（新疆白杨河流域管理局，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 概述

水库的建造对防洪、蓄水、供水具有重要意义，然而由于受材料和地质活动的影响，水库的运行有破坏或溃坝风险，会对下游人民生命财产安全造成严重威胁，因此及时展开水库监测工作十分重要。

近年来，国内学者在对水库的监测分析工作上做出了重要研究。黄红日 等[1]采用EXECL 统计高程成果并按测次绘制沉降变化折线图，通过CASS9.0 绘制水平位移监测点变化量折线图；汪国霞[2]从变形、渗流两个方面收集水库低水位运行期间的监测数据，对水库安全性进行评价；包成兵[3]针对脉冲响应函数热分析（IRFTA）模型及其在堤坝渗漏检测中的应用进行了介绍，该方法基于用于水热耦合描述的格林函数理论；张龙[4]结合大坝安全监测布置特点，对水库大坝变形监测和渗流监测进行了分析；徐子满 等[5]结合现场地质勘察成果，通过安全监测资料分析以及二维和三维渗流有限元计算分析，对大坝渗流安全进行了系统性研究；周邦辉 等[6]通过对2016—2021 年大坝安全监测数据资料的分析，对数据异常波动的测压管UP1—2 建立了渗流统计模型；董柏琪 等[7]对碧流河水库大坝安全监测设备雷击发生原因进行了分析；张红忠 等[8]采用SBAS-InSAR 技术获取WLL 水库及周边区域地表沉降信息；代桥亨[9]对龙头石水电站大坝渗流渗压监测布置情况进行了阐述,对包括坝体坝基渗压水位、绕坝渗流和坝基渗漏量等监测成果进行了分析;熊越鹏 等[10]针对安全监测单测点模型无法反映部位整体的问题，使用主成分分析法提取出主成分，得到互不相关的指标，减少噪声的同时使用更少的效应量来反映整体。

本文以楼庄子水库工程为例，选取了0+258 断面、0+415 断面、0+503 断面和纵断面作为主监测断面，在大坝基础和黏土心墙中布置渗压计和测压管，同时埋设3 套磁环沉降仪对大坝的渗流和沉降进行分析，研究结果可为相关工程提供参考。

1 工程概况

楼庄子水库工程位于头屯河上游中低山区，该水库的建设,能够新增5 943 万m3兴利库容,水库已基本具备多年调节能力,能够全年以稳定流量向八钢和头屯河工业园区供水,可以显著提高头屯河水资源利用率,配合工业供水管道工程的建设,极大提高城市和工业供水的保证率。水库周边山体雄厚封闭条件好,地形封闭条件较好,一般分水岭高程1 471.6～1 554.1 m,高于正常高水位,无邻谷渗漏。组成水库的地层属相对不透水层,虽然库内有板房沟断裂尾段通过,但其规模不大且为逆冲挤压性质,渗水性有限,水库无永久渗漏问题。

水库正常高蓄水位1 394.5 m 时,库区回水长4.5 km。水库中段及库尾段水库正常蓄水位高于两岸Ⅲ、Ⅳ级阶地面上至阶地后缘山坡坡角处,地形坡度17°～45°,库岸稳定条件好。近坝库岸两岸山体坡度较陡,为32°～45°,一般存在库岸失稳问题。左岸堆积阶地发育,受垂直于河道的冲沟发育,冲沟切割高阶地后形成一些近直立的陡面,水库蓄水后,在库水的冲刷、淘蚀下易垮塌,存在库岸再造问题。由于边坡高度不大,塌岸规模较小,因此不会造成水库淤积问题。

2 大坝监测仪器布置

楼庄子水库安全监测选取了0+258 断面、0+415断面、0+503 断面和纵断面作为主监测断面，在大坝基础、黏土心墙中布置了44 支渗压计，在黏土心墙中布置了6 根测压管，在两岸坡也布置了6 根测压管。在防渗墙中布置了6 组二向应变计和6 支无应力计。在黏土心墙中布置了3 套（48 支）固定测斜仪，15 组二向土压力计，3 支单向土压力计。在黏土心墙与岸坡结合处布置了3 支土体位移计。在大坝3个断面和3 个高程上布置了9 套（24 支）水管式沉降计和9 套（24 支）钢丝水平位移计。部分布置示意图见图1 和图2。

图1 大坝0+258 断面监测仪器布置图

图2 大坝0+415 断面监测仪器布置图

3 监测结果分析

3.1 大坝渗流监测

图3-图5 给出了0+415 断面监测结果。在水库基础安装埋设了46 支渗压计。其中0+258 断面安装埋设了3 支渗压计P34～P36，0+415 断面安装埋设了8 支渗压计P01～P08，0+503 断面安装埋设了8 支渗压计P15～P22，在纵断面（0+450 断面）安装埋设了1 支渗压计P44。在0+157 断面防渗墙前后钻孔安装埋设了3 支渗压计，在0+180 断面防渗墙前后钻孔安装埋设了3 支渗压计，在0+379 断面防渗墙前后钻孔安装埋设了3 支渗压计。图3 给出了0+415 断面监测结果。根据监测结果，目前（2022年3 月31 日），钻孔安装埋设的13 支渗压计和心墙与趾板结合处安装埋设的渗压计，大部分测点测值都有所变化，0+415 断面心墙与趾板结合处安装埋设的P03、P04 和0+503 断面的（钻孔埋设）P15、P16渗压计测值也有所上升，心墙后基础安装埋设的渗压计的测值变化不大。0+415 断面钻孔安装埋设P01、P02 渗压计，安装后帷幕前渗透水位为1 317.60 m，帷幕后渗透水位为1 318.54 m，帷幕前渗透水位为1 331.06 m，帷幕后渗透水位为1 327.86 m，帷幕前后水位差偏小。0+415 断面心墙与趾板结合处安装埋设P03、P04、P05 渗压计，安装后渗透水位为：上游1 317.85 m、坝轴线1 317.76 m、下游1 317.82。目前，渗透水位为：上游1 327.80 m、坝轴线1 328.41 m、下游1 323.96 m,渗透水位变化不大。

图3 P01、P02 渗透水位过程线

图4 P03～P05 渗透水位过程线

图5 P06～P08 渗透水位过程线

图6～图8给出了0+503断面监测结果。0+503 断面钻孔安装埋设P15、P16 渗压计，安装后帷幕前渗透水位为1 314.26 m，帷幕后渗透水位为1 317.83 m。帷幕前渗透水位为1 331.62 m，帷幕后渗透水位为1 326.10 m，帷幕前后水位差偏小。0+503 断面心墙与趾板结合处安装埋设P17、P18、P19 渗压计，安装后渗透水位为上游1 318.15 m、坝轴线1 318.16 m、下游1 318.15 m。目前，渗透水位为：心墙上游1 335.18 m、坝轴线1 318.94 m、心墙下游为1 322.43 m,坝轴线处的P18 渗透水位上升较小。

图6 P15、P16 渗透水位过程线

图7 P17～P19 渗透水位过程线

图8 P20～P22 渗透水位过程线

图9～图11给出了0+157、0+180 和0+379 断面监测结果。新增钻孔（钻孔深度30 m）安装埋设的6 支渗压计，分别距坝轴线上游5 m、下游5 m、下游15 m。目前（2022 年3 月31 日），0+157 断面的渗透水位分别为（P50）1 333.36 m、（P51）1 322.03 m、（P52）1 321.58 m。心墙上游和下游渗透水位相差11.09 m，渗透水位正常。目前，0+180 的渗透水位分别为（P45）1 334.16 m、（P46）1 322.92 m、（P53）1 319.77 m，渗透水位正常。最后，在0+379 断面、大坝基础新增了3支渗压计，分别距心墙上游5 m、下游5 m、下游 15 m。目前，渗透水位分别为（P47）1 334.19 m、（P48）1 329.78 m、（P49）1 327.38 m。

图9 P45、P46、P53 渗透水位过程线

图10 P47～P49 渗透水位过程线

图11 P50～P52 渗透水位过程线

3.2 大坝沉降监测

在水库0+415 断面、0+508 断面、0+258 断面安装埋设3 套磁环沉降仪。到目前0+415 断面已安装了11 个沉降磁环，0+508 断面安装了12 个沉降磁环，0+258 断面安装了9 个沉降磁环，监测结果如图12～图14 所示。目前（2022 年3 月31 日），0+415 断面坝体（黏土心墙）累计沉降量为761.5 mm，0+508 断面坝体（黏土心墙）累计沉降量为724.5 mm，0+258 断面坝体（黏土心墙）累计沉降量为494.5 mm，最大累计沉降量占坝高的0.89%，累计沉降量正常。目前（2022年3 月31 日）坝体（黏土心墙）的累计沉降量比2021年12 月中旬增加了0～2.5 mm，2022 年1 月底至2022年3 月底，累计沉降量没有增大，处于稳定状态。

图12 ES1 坝体（黏土心墙）沉降过程线

图13 ES2 坝体（黏土心墙）沉降过程线

图14 ES3 坝体（黏土心墙）沉降过程线

4 水库防渗建议

水库出现渗漏问题通常表现为大坝下游出现湿润区。一般来说，所有修建的水库都存在一些渗漏问题，因为蓄水需要在大坝及其地基中寻找阻力最小的路径。如果在渗流中发现水流携带土颗粒材料，此时应该采取控制措施，以防止路地基的侵蚀，或混凝土结构的损坏。

大坝渗流可能出现在下游面、趾部以外的任何地方，或低于正常水位高度的下游桥台上。如果渗流力足够大，土壤会从地基上被侵蚀，并在出口周围形成锥形沉积。泥泞和携带沉积物（土壤颗粒）的渗流是“管涌”的证据，并且是一种严重渗流情况，如果不加以处理，可能会有溃坝风险。随着内部侵蚀的发生，路堤表面可能会形成天坑，水库水面可能会出现漩涡，然后大坝可能会迅速而彻底地倒塌。如果发现任何以上情况，应立即执行紧急程序，包括下游疏散。

另一方面，渗流也可能在混凝土结构的后面或下面发展，例如溢洪道或端墙。如果混凝土结构没有排水孔或泄压排水管等措施来释放水压，则混凝土结构可能会隆起、旋转或开裂。此外，正常水库水位的持续或突然下降是渗漏发生的另一个迹象。这种情况本身可能不是一个严重的大坝渗流问题，但需要进行密切监测防止出现严重渗流。

5 结论

（1）目前（2022 年3 月31 日），上游水位为1 336.39 m 左右，水库基础0+258 断面、0+415 断面、0+503 断面心墙前渗透水位为1 330.06～1 331.62 m，心墙后渗透水位为1 326.10～1 327.86 m，心墙前后渗透水位相差3.76～3.96 m，心墙前后渗透水位相差偏小。

（2）新增钻孔安装渗压计的0+157 断面和0+180 断面2 个断面，帷幕上游的渗透水位为1 333.36～1 334.61 m，帷幕下游的渗透水位为1 321.58～1 319.77 m，上游、下游渗透水位相差11.78～14.84 m，帷幕前后渗透水位正常。

（3）目前（2022 年3 月31 日），最大坝体（黏土心墙）累计沉降量为761.5 mm，占坝高的0.89%，累计沉降量正常。坝体（黏土心墙）的累计沉降量比2021 年12 月中旬增加了0～2.5 mm，2022 年1 月底至2022 年3 月底，累计沉降量没有增大。