唐素娟，周劍雄

（1．碗窯水庫(kù)管理局大壩管理站，浙江江山324100；2．水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江杭州310012）

碗窯水庫(kù)大壩滲流分析

唐素娟1，周劍雄2

（1．碗窯水庫(kù)管理局大壩管理站，浙江江山324100；2．水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江杭州310012）

在滲流監(jiān)測(cè)資料分析的基礎(chǔ)上，分析了碗窯水庫(kù)大壩滲流的安全狀況。分析結(jié)果表明：碗窯水庫(kù)大壩壩基揚(yáng)壓力小于設(shè)計(jì)值；局部存在一定滲流異常，但目前尚不影響大壩安全，大壩滲流安全性態(tài)總體良好。建議加強(qiáng)大壩巡視檢查，尤其是在高水位下的滲流觀測(cè)，及時(shí)對(duì)觀測(cè)資料進(jìn)行整編分析，保障工程安全。圖5幅，表1個(gè)。

水庫(kù)；滲流觀測(cè)；滲流分析；計(jì)算

1 工程概況

碗窯水庫(kù)位于浙江省江山市碗窯鄉(xiāng)碗窯村，主要由碾壓混凝土重力壩、引水壓力鋼管、發(fā)電廠房、漿砌塊石副壩和灌溉渠系等建筑物組成。壩體采用“金包銀”式碾壓混凝土結(jié)構(gòu)，主壩壩頂高程196.24m，最大壩高79.00m，壩頂長(zhǎng)390.0m，寬8.5m，壩頂上游側(cè)設(shè)有鋼筋混凝土防浪墻。總庫(kù)容2.23×108m3，正常高水位194.24m，相應(yīng)庫(kù)容2.08×108m3，是1座以灌溉為主，結(jié)合供水、發(fā)電、防洪等綜合利用的大（2）型水利工程。

水庫(kù)自蓄水投入運(yùn)行以來(lái)，蓄水位逐年抬高，2010年5月23日庫(kù)水位達(dá)194.79m，為歷史最高水位，經(jīng)檢查觀察，無(wú)變形異常情況出現(xiàn)，但滲流狀況存在缺陷。大壩的滲流性態(tài)一度引起了上級(jí)主管部門(mén)和專家的重視，曾經(jīng)多次處理，雖然取得了一定的成效，但并未最終解決。

2 大壩滲流觀測(cè)資料分析

2.1 壩基揚(yáng)壓力觀測(cè)資料分析

通過(guò)對(duì)布設(shè)在不同位置的壩基揚(yáng)壓力測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)資料來(lái)看，縱向上各測(cè)孔水位分布都呈兩岸坡高、中間低的形狀。其主要原因是兩岸坡的地下水位較高，另外，在雨水季節(jié)降水入滲也使得岸坡地下水位抬高，從而岸坡的揚(yáng)壓力孔水位也相應(yīng)升高。橫向上，由于隨著滲徑的延長(zhǎng)，滲透壓力逐漸減小，基本呈上游向下游逐步降低的變化規(guī)律。

根據(jù)揚(yáng)壓力孔水位資料計(jì)算在各壩塊壩基揚(yáng)壓力測(cè)孔的最大揚(yáng)壓力系數(shù)，并進(jìn)行特征值（最大值、最小值、均值、變幅）統(tǒng)計(jì)，然后繪制揚(yáng)壓力系數(shù)縱向分布圖（見(jiàn)圖1）。由此可見(jiàn)，兩岸U2、U3、U8、U9、U10尤其是低溫季節(jié)，揚(yáng)壓力系數(shù)比較大，其原因主要是兩岸坡的揚(yáng)壓力系數(shù)受兩岸地下水的影響較大；再者該部位的地質(zhì)條件較差，存在大的裂隙，對(duì)大壩的穩(wěn)定不利；建議加強(qiáng)觀測(cè)和及時(shí)分析，必要時(shí)采取工程措施。其他壩段測(cè)孔的揚(yáng)壓力系數(shù)相對(duì)較小，均小于規(guī)范允許值，這表明河床壩段現(xiàn)有的防滲帷幕和排水設(shè)施運(yùn)行情況良好。

2.2 大壩滲漏量觀測(cè)

壩體、壩基的滲漏量觀測(cè)結(jié)果如下所示（見(jiàn)圖2）。一方面，上游庫(kù)水位是影響壩體滲漏量變化的主要因素，與庫(kù)水位相關(guān)系數(shù)為0.469，當(dāng)庫(kù)水位超過(guò)180.00m時(shí)壩體滲漏量增加較大。壩體最大滲漏量為1.158L／s。壩體滲漏量偏大，與庫(kù)水位的相關(guān)性較好，其原因主要與大壩上游防滲面板的抗?jié)B等級(jí)較低、碾壓混凝土層面膠結(jié)差等有關(guān)。同時(shí)，也反映出壩體上游防滲體系和壩體排水系統(tǒng)存在缺陷。壩體滲漏量時(shí)效分量有逐漸上升趨勢(shì)，且長(zhǎng)期滲漏對(duì)碾壓混凝土層面的抗滑穩(wěn)定非常不利；另一方面，壩基滲漏量主要受上游庫(kù)水位影響（與庫(kù)水位相關(guān)系數(shù)為0.616，相關(guān)性較高），其次受溫度和降雨量的影響。其中，在低溫且降雨量較多的季節(jié)，庫(kù)水位又較高的工況下，往往壩基滲漏量達(dá)到年內(nèi)最大，為3.219L／s。

圖1 壩基揚(yáng)壓力系數(shù)縱向分布

時(shí)效對(duì)壩基滲漏量影響雖較小，但壩基滲漏量時(shí)效分量有逐漸上升趨勢(shì)，影響大壩穩(wěn)定。

圖2 大壩滲漏測(cè)值過(guò)程線

2.3 繞壩滲流觀測(cè)

為監(jiān)測(cè)大壩兩壩肩的繞壩滲流，本工程共布置繞壩滲流觀測(cè)孔14只。左右岸各7只，其中左、右岸帷幕前各布置1只，繞壩滲流孔于1998年12月完成安裝，1999年2月開(kāi)始觀測(cè)（見(jiàn)圖3）。

圖3 繞壩滲流測(cè)點(diǎn)SA8過(guò)程線

對(duì)繞壩滲流觀測(cè)資料進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

（1）降雨量變化對(duì)繞壩滲流測(cè)孔水位有重要影響。降雨量增大，地下水位升高，測(cè)孔水位隨之升高；降雨量減小，地下水位降低，測(cè)孔水位也隨之降低。測(cè)孔水位的變化較降雨量有滯后過(guò)程。

（2）庫(kù)水位變化對(duì)繞壩測(cè)孔水位有一定的影響。庫(kù)水位上升，測(cè)孔水位升高，反之，庫(kù)水位下降，測(cè)孔水位也下降。

（3）左、右岸兩壩頭的測(cè)孔SA1、SA2和SA15的孔水位普遍超過(guò)上游水位。這主要是這些測(cè)孔的孔水位除了受上游庫(kù)水位和降雨的影響外，還受兩岸地下水位的控制。

（4）相對(duì)接近大壩的右岸SA11、SA8和左岸的SA5水位與庫(kù)水位相關(guān)密切，且接近庫(kù)水位。這主要是兩岸多組節(jié)理（左岸主要有6組，右岸有4組）發(fā)育，以及右岸F7、F10張性斷層橫穿壩頭，斷層膠結(jié)差，下游山體單薄等因素造成壩肩繞滲。

3 壩體滲流計(jì)算分析

計(jì)算建模采用Darcy各向異性等效連續(xù)體模型，建模計(jì)算范圍為：X方向以壩軸線為坐標(biāo)原點(diǎn)，上游和下游分別截取約1.5倍壩高；Z方向以高程為坐標(biāo)，參考防滲帷幕的深度，壩基截取約1.5倍壩高。5號(hào)溢流壩段離散后共劃分了3180個(gè)節(jié)點(diǎn)，2117個(gè)六面體八節(jié)點(diǎn)單元。6號(hào)非溢流壩段離散后共劃分了3278個(gè)節(jié)點(diǎn)，2181個(gè)六面體八節(jié)點(diǎn)單元（見(jiàn)圖4、圖5）。根據(jù)材料特性，將6號(hào)非溢流壩段以及5號(hào)溢流壩段與壩基共劃分為壩體、上游防滲面板、基巖以及防滲帷幕等4個(gè)材料區(qū)域。排水帷幕作為等效介質(zhì)考慮；排水孔布置在單元的節(jié)點(diǎn)上，采用以點(diǎn)代井的方法，作為給定水頭（運(yùn)行水位193.25m）的第一類邊界點(diǎn)處理。

圖4 6號(hào)非溢流壩段的有限元網(wǎng)格

圖5 5號(hào)溢流壩段的有限元網(wǎng)格

具體計(jì)算分反演和正演兩個(gè)過(guò)程，首先基于壩體實(shí)測(cè)的測(cè)壓管水位和相應(yīng)的滲流量，反演分析了大壩193.25m水位時(shí)的壩體與壩基滲流場(chǎng)，得到了壩體碾壓混凝土、防滲面板、基巖以及防滲帷幕等材料的滲流參數(shù)。然后利用反演得到的參數(shù)正分析了6號(hào)非溢流壩段和5號(hào)溢流壩段在正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位時(shí)的壩體與壩基滲流場(chǎng)。經(jīng)計(jì)算，6號(hào)非溢流壩段與5號(hào)溢流壩段在正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位以及校核洪水位3種工況下的揚(yáng)壓力系數(shù)如下所示（見(jiàn)表1）。

表1 計(jì)算得到的各斷面的揚(yáng)壓力系數(shù)

計(jì)算結(jié)果表明，非溢流壩段壩體的滲流逸出點(diǎn)高程高于溢流壩段的滲流逸出部位，其中溢流壩段的滲流逸出部位較低，位于挑流鼻坎附近。2個(gè)壩段的滲流逸出點(diǎn)與現(xiàn)場(chǎng)檢查的情況較吻合。

本工程壩基處理時(shí)在軸下2.5m設(shè)置了防滲帷幕以及排水孔，并在軸下23.0m處設(shè)置了基礎(chǔ)排水廊道，在軸下40.0m處還設(shè)有半圓形的無(wú)砂混凝土排水管，采取了抽排措施。對(duì)照《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL319—2005），河床壩段的揚(yáng)壓力系數(shù)可取為0.20～0.25，岸坡壩段的揚(yáng)壓力系數(shù)可取為0.35。由此可見(jiàn)，河床典型壩段的壩基揚(yáng)壓力系數(shù)均低于設(shè)計(jì)值。

與此同時(shí)，由于碗窯水庫(kù)主壩施工時(shí)，壩體上游面采用的是S6與S8防滲等級(jí)的常態(tài)混凝土。按照中華人民共和國(guó)水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《碾壓混凝土壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL314—2004），碾壓混凝土壩上游面所設(shè)防滲層的抗?jié)B等級(jí)的最小允許值為S8。由此可見(jiàn)，碗窯水庫(kù)的滲水較多與上游防滲面板的抗?jié)B等級(jí)較低有關(guān)。

4 結(jié)論與建議

依據(jù)碗窯水庫(kù)壩基揚(yáng)壓力、滲漏量及繞壩滲流等觀測(cè)資料，系統(tǒng)分析了其變化規(guī)律，然后基于壩體滲流實(shí)測(cè)資料的三維有限元反演計(jì)算了壩體主要筑壩分區(qū)材料的滲透性參數(shù)，正演計(jì)算了大壩在各種工況下的滲流狀態(tài)。計(jì)算結(jié)果顯示大壩滲流性態(tài)總體正常，非溢流壩段壩體的滲流逸出點(diǎn)高程高于溢流壩段的滲流逸出部位，兩個(gè)壩段的滲流逸出點(diǎn)與現(xiàn)場(chǎng)檢查的情況較吻合。表明計(jì)算模型合理，結(jié)果可靠。

觀測(cè)結(jié)果顯示部分測(cè)壓管水位較高、滲漏量有時(shí)效緩慢增大等薄弱環(huán)節(jié)，主要是由于設(shè)計(jì)、施工時(shí)尚無(wú)規(guī)范可循，大壩防滲設(shè)計(jì)指標(biāo)偏低、施工經(jīng)驗(yàn)差等造成的，建議加強(qiáng)觀測(cè)，并及時(shí)分析，確保工程安全。

責(zé)任編輯 吳 昊

2015－03－12

唐素娟（1974－），女，工程師，主要從事水利工程運(yùn)行管理工作。