水位变化对土坝渗流的影响分析

彭丹凤

（安福县河湖灌溉服务中心,江西 安福 343200）

0 引言

均质土坝是我国常见的一种坝型。然而,由于坝体内渗流场的存在,均质土坝常常存在渗漏问题,严重影响了其安全稳定性和水资源利用效率[1]。因此,研究均质土坝渗流场的分布规律和影响因素,探讨水位变化对渗流场的影响,对于均质土坝的管理和维护具有重要的现实意义。

水库大坝渗漏会降低水库的效益和安全性,造成坝体和坝基的渗透变形和滑动,影响下游的地下水位和农田生态[2]。加强水库的管理和监测,采用合理的防渗和堵漏技术,根据不同的渗漏部位和渗漏形式,选择适合的方法和材料,进行有效的防渗和堵漏处理[3-4]。

本文以某水库大坝为研究对象,通过物探分析,确定了坝基渗漏形式,采用灌浆加固技术对坝基渗漏进处理,分析蓄水期坝基渗对水坝的影响,为类似工程提供参考。

1 工程概况

水坝正常蓄水位是2865 m,总库容是107.67 亿m3,调节库容是65.6 亿m3。大坝为砾石土心墙坝。坝顶高程是2875 m,最大坝高是295 m,水库的蓄水分为三个阶段进行：第一个阶段,关闭初期导流洞,转用导流洞泄水,库水位从2608 m 升至2675 m；第二个阶段,控制导流洞的泄水量,库水位升至2785 m（死水位）,为机组的调试和发电做准备。第三个阶段,根据工程的监测情况、防洪要求、来水情况和下游水电站的联合调度,选择合适的时机,蓄水至 2865 m（正常蓄水位）。

2 渗控及监测设计

为了在坝基地基上构建不透水的防渗面,使用了灌浆帷幕的方法。帷幕的不透水层的边界是根据基岩的透水率q ≤3 Lu 来确定的,深入到相对不透水层的5 m 以下,以保证防渗的效果。防渗帷幕置见图1。考虑到长时间的高水头对坝基帷幕的影响,河床的防渗帷幕的底部选定为2420.00 m。左岸的防渗帷幕深入山体150 m～280 m 之间。右岸的防渗帷幕是由每一层的灌浆孔和位于厂房的灌浆孔连接而成的,覆盖整个厂房区域,并和大坝轴线处的防渗帷幕相连,以提高防渗的可靠性。

图1 防渗帷幕布置

在最大坝高的横截面上,结合大坝结构的设计和计算,设置一个监测断面,在两侧岸坡上各设置了两个监测断面,共有五个监测断面（见图2）。在监测断面建基面附近安装渗压计,用来观察坝基的渗透压力如何变化,以及评估坝基的防渗能力和排水设备的工作效果。

图2 渗压计布置图

根据工程地质和水文地质条件,在左右坝肩基础高程上各设六个高程点,从高到低为分别是2820 m、2875 m、2760 m、2700 m、2640 m、2575 m。每个高程点上布设一层帷幕灌浆孔,各层孔轴线基本与竖直断面重合。河床灌浆廊道与两侧河岸高程2575 m 处的孔连通。为了防止坝基渗水,控制渗流量,设置了主防渗帷幕和幕后排水系统。帷幕灌浆的施工是通过河床灌浆廊道对各层孔实施灌浆。

测压孔位于防渗帷幕之后,其孔深10 m～15 m。监测主防渗帷幕的防渗效果是否达到预期。此外,在两岸灌浆廊道以及交通洞处,布置绕渗孔用于以监测绕坝渗流现象,了解灌浆帷幕在两岸山体内防渗效果是否满足要求。量水堰安装在集水井和排水沟两侧,顺水流方向安装,用于监测坝区的渗漏量是否符合规范。

3 成果分析与讨论

在水库蓄水第二阶段后,水位为2785 m,下游水位上涨小2607 m,水位抬升了110 m。帷幕前的渗压变化情况见图3和图4。由图可知,在帷幕前,坝体渗透压的变化随库水位升高而增大。这一现象在蓄水第一阶段并不明显,在蓄水第二阶段则表现出较为明显的相关性。这说明水头的作用能够放大渗透压与水位之间的关系。但也有部分区域的渗透压在水位抬升后1～2 个月的现象在表现相出上升的趋势,这一情况的出现可能与坝体的地质环境、和水的渗流路径密切相关。比较水库在蓄水后的第一、二阶段渗透压变化情况,发现渗透压的变化相关性和滞后特征基本一致。在帷幕后的坝体渗透压并未表现出与水位抬升的关联。

图3 坝基渗压水位变化曲线

图4 坝基渗压水位分布

最大坝高断面建基面渗压计成果比较,帷幕前：坝基最高渗压水头 143.5 m,折算水位 2723.4 m,第一阶段蓄水后水头增幅 29.5 m,第二阶段蓄水后水头增幅 72.1 m；该水位是指相应的水压力所对应的水深,并非实际的水位高度。

根据深部渗压计监测数据显示,在帷幕后最大坝高监测断面后方,蓄水第二阶段深部渗压明显增加,增加范围为-0.008 MPa～0.246 MPa。其他断面帷幕后渗压变化幅度较小。此外,根据地质条件、勘察结果以及基底表面和大坝基础渗压监测数据的比较分析,推断坝基深部渗透压与高水压的基岩裂隙传递的压力有关。深部渗压可能不会在监测点水位反映,可侧面推断防渗弱点位置。

图5 帷幕后深部渗压分布

在高程为2575 m、2640 m、2700 m 和2760 m 的灌浆孔内坝区主帷幕后,剔除粗差和异常数据,监测到的地下水位在第一阶段蓄水结束后变化幅度较小,第二阶段蓄水结束后水位略有升高但变化幅度总体不显著,两阶段蓄水累计最大水位增幅为25.5 m。在高程为2575 m 的灌浆孔内,帷幕后地下水位低于2590.29 m,折减了194.71 m～222.75 m 的水头,折减率为84.0%～95.2%。总体而言,蓄水后地下水位变化趋势相对平缓,与库水位变化的相关性不显著。

据表1 所示,左岸大坝绕渗孔的折算水位相当于2620.63 m～2811 m 的水头,而右岸大坝绕渗孔当前折算水位相当于2610 m～2686 m 的水头。自蓄水以来,左右两岸绕大坝渗孔水位变化在-9 m～8 m。各绕渗孔蓄水后的水位的变化似乎与库水位变化无明显规律。

表1 绕渗孔监测 单位：m

蓄水前各层灌浆孔与坝后的渗水量极低,仅为0.59 L/s。在蓄水第一阶段结束后,总渗流量相比蓄水前增加了6.7 L/s；蓄水第二阶段结束后,总渗流量比蓄水前增加了4.1 L/s。监测到的坝后渗流量处于波动状态,通过与坝区降雨量分析,发现量水堰在坝后渗流量随降雨量的增大而增大,因此,可以初步推断坝后量水堰的渗流量受到降雨和外部水渗入等因素的影响较大。相比之下,其他各层灌浆孔的渗水量与蓄水前后变化很小[5-7]。

可见,不同地质条件和帷幕布置方式对坝基渗流情况影响显著。监测结果表明,坝址区的封闭条件和全断面渗漏量截取率是渗流量的主要决定因素。据监测数据显示,建于深厚覆盖层的坝基总渗漏量最小值为25.32 L/s,而坝基建于基岩上的总渗漏量最小值为36.1 L/s。总体而言,帷幕灌浆处理后坝基渗漏量较小,控制效果显著。

图6 帷幕后测压管蓄水前后水位分布

坝后渗流量受到降雨和外部水渗入的影响。为此,可以采用时间序列分析、水文模型等方法对降雨量和渗流量数据进一步分析,以更好地探明这些因素对渗流量变化的影响。此外,需要加强对外部水渗入来源的调查和研究,进一步确定坝后渗流量变化的影响。

4 结论

本文以某水库大坝为研究对象,通过物探分析,确定了坝基渗漏位置,采用灌浆技术对坝基渗漏进行堵漏处理。得到结论如下：

（1）坝体渗透压的变化随库水位升高而增大,水头的作用能够放大渗透压与水位之间的关系。

（2）不同地质条件和帷幕布置方式对坝基渗流情况影响显著,坝址区的封闭条件和全断面渗漏量截取率是渗流量的主要决定因素。

（3）坝后量水堰渗流量受到降雨和外部水渗入的影响。为此,可以采用时间序列分析、水文模型等方法对降雨量和渗流量数据进行分析,更好地理解渗流量变化的影响因数。