周金波
(河北省唐山市陡河水库事务中心,河北 唐山 063021)
渗流观测是土坝观测的关键, 根据坝体观测资料, 对震前坝体浸润线和震后坝体浸润线数据进行计算分析,对大坝坝体渗透稳定与安全做出评价,得出相应结论并提出建议,为水库安全运行、坝体安全稳定提供科学依据。
陡河水库土坝为碾压均质坝, 筑坝材料为砂质黏土,最大坝高25 m,校核水位为44.3 m,相应库容为5.152 亿m3。坝基为第四纪地层,建在河床段和一级台地上,地面高程26~28 m,表层黏性土厚约7~10 m,渗透系数为1×10-5cm/s, 其下为砂层, 渗透系数为1.75~9.75×10-3cm/s, 主坝位于渗透系数相差很大的双层地基上。
陡河水库初建时, 分别在0+100、0+500、1+500 3 个剖面共安装10 根观测管, 其位置位于坝顶及上、下游坝坡上。1977 年震害修复工程中,坝轴线向下游移动16 m,然后重新筑坝。坝体测压管进行重新布设,同时保留原坝中管3 根为震后坝上管,共7 个断面。可分为3 部分:河床段(0+100、0+170)、一级阶地(0+500、0+900、1+300)、淤泥段(1+500、1+700)。
其中河床段220 m 范围内为坝脚堆石棱体排水,一级阶地由坝内暗管排水至排水沟。1988 年,在提高保坝标准工程中,将坝中测压管加长,保证震后资料的连续性,观测设施基本保持完好[1]。
陡河水库于1957 年7 月安设坝体浸润线管,经过40 多年观测,1957—1976 年之间的观测资料具有连续性;
1977 年7 月至今,坝体浸润线观测资料具有连续性。因此本次分析可分为震前和震后两部分。
2.1 震前坝体浸润线分析
陡河水库1958 年正式蓄水,从历年的观测资料整理分析:1959 年汛期水位为最高34.33 m, 最低库水位为27.73 m,坝体浸润线在形成前期最能反映坝体的运行情况, 而1959 年坝体未完全形成浸润线。所以从1960 年以后开始分析。
2.1.1 0+100、0+500、1+500 浸润线水位数据分析
通过震前0+100、0+500、1+500 坝体测压管水位逐年变化数据如表1,可知1970—1976 年的测压管运行正常,坝上浸润线管水位最高,坝中其次,坝下最低。
其中0+100 断面长期低于库水位很多, 说明0+100 断面所处的河床断坝体排水能力比较强。但从总体趋势来看,3 个测压管水位有升高趋势。0+500 断面管水位有一种反常现象,即坝上、坝中测压管高于库水位, 这种现象不符合渗流规律。
分析原因,可能是测压管堵塞或降雨影响。1+500 断面浸润线管水位从总体趋势来看,管水位运行正常,由于管水位与库水位有较长的滞后时间, 随着时间推移3个测压管水位有升高趋势。
表1 震前0+100、0+500、1+500断面测压管水位逐年变化单位:m
2.1.2 实测与设计浸润线计算
陡河水库土坝河床段坝体浸润线设计值按 《苏联水工建筑物渗透计算》中的近似公式进行计算,建立X、Y 轴坐标系, 浸润线可通过将x、y 值代入浸润线方程。坝体渗透系数k=3.32×10-7cm/s,即河床段按透水地基计算, 计算条件是坝体渗透系数较坝基渗透系数小得多,即:坝基透水性大于坝体,其计算公式为:
式中 Y 为浸润线方程将坐标x 点代入后的值(m);
x 为浸润线方程的x 取值(m);
H 为当日库水位与该断面下当日实测管水位的差值(m);
L 为浸润线交上游坝坡交点垂线至交下游坡脚处的水平距离(m)[2]。
台地段坝体浸润线设计值, 近似地取其为裘皮幼抛物线,按不透水地基考虑,计算公式为:
式中 L 为浸润线交上游坝坡交点垂线至交下游坡脚处的水平距离(m);
L′为L 和单位宽度渗径长度之和,即浸润线产生的总的渗径长度(m);
H′为假设的深度即浸润线方程在Y 轴上的截距(m)。qr为坝中化引单位宽度渗透流量 (m3/s·m);
H 为当日库水位与该断面下当日实测管水位的差值(m);
f1与f2是上游边坡系数m 的函数,由关系曲线可查得;
f1为上游边坡系数,f2为下游边坡系数。均质土石坝不透水地基堆石棱体排水情况为例,建立坐标系,经化简得浸润线方程为:
式中 A、B是常数,A不等于0, 当x=L",y=0时,B=H"2,Ax=-B,A=代入后得出A值和B值。其余变量含义同上。
2.1.3 0 +100、0 +500、1+500 断面坝体浸润线计算
自水库运用以来,1959 年库水位为最高34.33 m,但未完全形成浸润线,1962 年以后坝体已完全形成浸润线,且1962 年库水位长期处于32 m 左右, 对浸润线形成有很大好处,为了真实比较实测值与设计值。
选取1962 年1 月17 日水位31.88 m 为计算水位,对0+100、0+500、1+500 3 个断面进行计算如表2。
表2 0+100、0+500、1+500断面坝体浸润线计算(震前) 单位:m
2.1.3.1 库水位与管水位的滞后时间分析
陡河水库是碾压式均匀土坝, 从多年库水位随管水位运行变化来看, 管水位相对于库水位具有相当长的滞后性,很难判断出具体的滞后时间,且坝体的测压管受埋设等多方面因素的影响。
所谓的滞后时间,是一个时间范围,不是一个固定值,同一水位不同的断面有不同的滞后时间。
现对库水位与管水位滞后时间分析如下:
取台地段不透水地基, 计算公式化引单位流量qr值进行计算。该计算公式适应陡河水库坝体渗流特性,化引单位流量qr值与渗透系数k有密切关系,可假设它们之间有一定线性关系, 即渗透系数k越大,单位流量qr值越大,渗透系数k越小,单位流量qr值越小。
计算公式如下:
式中 v为流速(m3/s) ;
Q为流量 (m3);
A为断面面积(m2);
l为渗径长度(m);
t为渗流时间。
可做如下假设:
浸润线是渗流线中最高的一根线,假设Q=qr,A为与qr值相对应的一个单位,那么v=qr,渗流时间近似为t=,所以根据上述渗流时间公式可估算滞后时间。
0+500断面在库水位为31.88m 时坝上测压管的滞后时间t=260d;
坝中测压管:t=536d;
坝下测压管:t=935d。
1+500断面在库水位为31.88m 时坝上测压管:t=238d;
坝中测压管:t=492d;
坝下测压管:t=492d[3]。
2.1.3.2 河床段设计与实测浸润线比较分析
该断面测压管自1958 年正式安装,其后经历了1959—1960 年持续高水位(32~34 m),但0+100 坝上实测浸润线值比计算值低4.65 m, 说明坝体内还未形成稳定渗流。
原因分析, 坝基表层为3 m 的砾石砂,透水性良好,下游设反滤坝址排水,因此坝体周围的排水能力较强,而上游又做有截水槽,截断坝基中渗流,渗入坝体的少量渗流水很快被排走, 因此,所观测到的测压管水位很低,甚至无水。河床段浸润线低于设计值很多, 在平常观测中,看到渗出的水清晰,对土坝稳定有利。在该段土坝上游做的黏土铺盖和截水槽效果较显著。
土坝浸润线位置低于设计值或远远低于设计值对下游坝坡稳定有利。
但由于坝体渗透性极弱。当水库水位降低时,管水位迟迟不能回落,对上游坝坡不利。如1961 年7 月管水位较库水位高出1.6 m 左右,设计会按最不利骤降情况分析。由于浸润线形成有较长的滞后时间,故短历时的洪水位不会形成高的浸润线, 所以不必考虑设计洪水位下的浸润线。
2.1.3.3 一级阶地段设计与实测浸润线比较分析
一级阶地段共计算0+500、1+500 两个断面的浸润线值, 从两断面测压管水位实测值与设计值比较来看基本相符, 实际值仍低于设计值0.5 m 左右。只有0+500 断面坝下管水位相差较大为2.98 m, 该值有观测误差和降雨影响。一级阶地段坝基有8~10 m的不透水层,这些与计算条件相吻合,所以设计和实测浸润线较为接近。
经过对河床段和一级阶地浸润线计算, 分析测压管管水位受降雨影响严重;
测压管管水位和下游水位有着密切关系, 下游水位的高低直接影响着测压管的水位。通过分析可知,所假设的滞后时间计算公式基本符合要求,实测值与计算值相差不多。
2.2 震后浸润线数据分析
2.2.1 浸润线管水位数据分析
通过震后0+100、0+500、1+500 坝体测压管水位逐年变化数据如表3,通过表3 分析:出现几种完全不可信的结果,0+100 断面坝中测压管水位从1981年开始长期高于库水位;
0+500 断面坝中测压管水位从1979 年开始长期高于库水位,0+500 断面坝上测压管水位长期高于库水位;
1+500 断面坝上、坝中浸润线管水位长期高于库水位, 坝中浸润线管水位高于库水位最大差值7.4 m,坝下浸润线管水位处于高水位运行。按照坝基是透水地基的特征,坝中测压管水位应明显低于库水位,坝下应该低于库水位,但实际情况不符合一般渗流规律。
表3 震后0+100、0+500、1+500断面坝体测压管水位逐年变化单位:m
2.2.2 实测与设计浸润线计算(震后)
大坝经震后修复后,查阅整编资料,选用1991 年12 月31 日观测资料为计算第一手资料。选该年为计算年是因为该年平均水位32.47 m 左右波动,且汛期没有太大水位变化。选此日基本无雨水影响,对形成浸润线有利, 理论上对浸润线计算应符合要求。0+100、0+500、1+500 断面坝体浸润线计算结果如表4。
表4 0+100、0+500、1+500断面坝体浸润线计算(震后) 单位:m
3 个断面浸润线理论值低于实测值,各断面坝中浸润线值比计算值大很多,甚至超过库水位值。这说明坝体浸润线不能反映坝体的正常运行,理论上测压管水位值逐渐降低,不会出现类似现象,分析原因:测压管堵死,不受库水位影响,长期管中存水,管中水只会沿水平方向缓慢流动,且受坝面积水或降雨影响严重。
可能安装测压管时周围土层或管周围不密实,有漏水现象。即坝体测压管不能反映大坝的正常运行。
2.3 对震前和震后浸润线分析的总结
陡河水库运行66 年来, 主要可分为震前和震后两大阶段, 从以上分析坝体浸润线在震前运行良好,能正确反映大坝的渗流,只是受降雨影响严重,在浸润线图和各坝段浸润线历时曲线上分析都与库水位关系紧密, 能比较真实地反映大坝主体的渗流情况。震后大坝的浸润线有所变动,虽然各断面浸润线受降雨影响减小,但各断面浸润线不能正确反映坝体的渗流规律,测压管水位值不随库水位变化而变化,并且长期处于高水位运行,违背渗流规律。为确保大坝安全运行,能够经受大水的考验,实时监测坝体渗流状况,2005 年安设大坝安全监测系统。2023 年对大坝安全监测设施进行了改造,对堵塞、异常的测压管在同位置处增设新孔实时监测。
现在仅有少数测压管水位高于库水位,测压管异常情况得到较大改善[4]。
3.1 现象描述
陡河水库自从安设坝体测压管以来, 通过进行观测资料整理得:震前测压管运行正常;
震后测压管运行异常。从震后至今,坝上、坝中测压管长期高于库水位,坝下测压管基本在某一数值范围内波动,与库水位变化无关,例如:1+500 断面坝上测压管水位基本在33.0 m 左右波动, 坝中测压管水位长期在36.0 m 左右波动, 坝下测压管水位长期在32.0 m 左右波动。
3.2 实验目的
为了更准确、 完整地分析测压管长期高于库水位的原因,进行抽水实验,把测压管中水抽出,观察水位变化。
如果管水位保持抽水后的水位或管水位上升缓慢不变,证明测压管进水堵塞;
如果水位变化较快,证明测压管通畅。实验说明,测压管中进水管通畅,排水堵塞,测压管周围坝体内的空隙水阻碍管水位的排出。
雨水对测压管水位的变化影响严重。
(1)震前坝体渗流基本符合均质土石坝的渗流规律,实测浸润线与理论浸润线值基本相符。陡河水库自建成至今,在33.43 m 高水位考验下大坝无异常现象,证明大坝坝体运行良好。
(2)震前坝体渗流基本符合均质土石坝的渗流规律,实测浸润线与理论浸润线值基本相符,震后坝体渗流出现异常现象,管水位长期高于库水位,违背渗流规律,由于浸润线长期处于高水位对坝体不利,建议按要求进行大坝结构安全稳定复核, 确保大坝在高水位情况下安全运行[5]。
(3)现坝体管水位与库水位的滞后时间不明显,应进行抽水或充水实验来验证, 并采取有效措施进行解决。
(4)由于大坝是砂性黏土均质坝,坝体渗透系数过小,相对较稳定,但该坝未经大洪水考验,应时刻注意运行情况,防范于未然;
建议对大坝运行加强监控,建立大坝观测自动化监测系统,对大坝测压管观测资料做准确分析。