夏 冰，劉海華，熊國(guó)文，姜曉楨

(1.寧波市鄞州區(qū)三溪浦水庫(kù)管理處， 浙江 寧波 315113；2.南京水利科學(xué)研究院 巖土工程研究所， 江蘇 南京 210024)

三溪浦水庫(kù)位于浙江省寧波市鄞州區(qū)，總庫(kù)容3 310萬(wàn)m3，是一座以防洪、供水為主的中型水庫(kù)。該水庫(kù)是建設(shè)于二十世紀(jì)五六十年代的老壩，原設(shè)計(jì)的防滲心墻的齒槽未能完全截?cái)嗤杆畨位?，存在較大的壩基滲漏問題，在2005年的安全鑒定中被鑒定為“二類壩”。2014年水庫(kù)利用維修加固工程，采用工程中常用的在壩體心墻內(nèi)設(shè)置了深入基巖混凝土防滲墻的方法[1]，將透水壩基完全截?cái)?，同時(shí)在壩體和壩基內(nèi)埋設(shè)滲壓計(jì)對(duì)整個(gè)大壩的滲流場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[2]，從而能夠科學(xué)地對(duì)大壩的滲透穩(wěn)定進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。

根據(jù)目前已有的滲流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析來看，混凝土防滲墻下游側(cè)的測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)水位要高于維修加固工程設(shè)計(jì)報(bào)告中維修加固工程后的大壩滲流場(chǎng)水頭的計(jì)算結(jié)果[3]，距離設(shè)計(jì)的防滲效果有一定的差距。為了分析其中的原因，本文通過分析維修加固工程前大壩滲流場(chǎng)水頭分布情況以及水庫(kù)地勘、工程驗(yàn)收等資料，排除了混凝土防滲墻施工質(zhì)量的問題，并初步判斷大壩壩體內(nèi)的細(xì)顆粒在長(zhǎng)期的較大滲透坡降作用下隨著滲透水流被帶入松散的砂礫石壩基內(nèi)，導(dǎo)致壩基發(fā)生淤堵，從而改變了壩基部分區(qū)域的滲透系數(shù)，抬升了浸潤(rùn)線。同時(shí)，通過對(duì)該部分壩基的滲透系數(shù)反演分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)其滲透系數(shù)與心墻相近時(shí)，測(cè)點(diǎn)的水頭計(jì)算值與實(shí)測(cè)值最為接近，從而初步驗(yàn)證了該判斷。

1 滲流監(jiān)測(cè)資料分析

圖1為三溪浦水庫(kù)大壩典型斷面滲流監(jiān)測(cè)儀器布置圖[4]，整個(gè)大壩共布置4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，各個(gè)斷面儀器布置較為相似。每個(gè)斷面均布置了7根測(cè)壓管，其中壩體測(cè)壓管3根，壩基測(cè)壓管4根，兩者在壩軸線方向上間距2 m布置。壩基測(cè)壓管布置在壩頂防滲墻上、下游，大壩下游28 m高程馬道上和21 m高程馬道上。壩體測(cè)壓管則位于壩頂防滲墻上、下游，大壩下游28 m高程馬道上。

圖1滲流監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置斷面圖

圖2為典型斷面上大壩蓄水前后壩體與壩基滲壓計(jì)水位過程線圖。由圖2可知，2015年6月底水庫(kù)完成維修加固工程后開始蓄水，水庫(kù)水位短時(shí)間內(nèi)(至7月初)快速上升，而后2016年與2017年年內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的測(cè)壓管水位變化過程平穩(wěn)，位于防滲墻上游的壩體P2-1測(cè)壓管與壩基J2-1號(hào)測(cè)壓管水位測(cè)值基本與庫(kù)水位的變化過程同步。J2-1測(cè)壓管水位與庫(kù)水位基本保持有1 m～2 m的差距。說明此處壩基消減了部分水頭，而防滲墻下游的測(cè)壓管水位基本不發(fā)生較大變化，其中更靠上游的P2-2和J2-2測(cè)壓管水位在庫(kù)水位變化劇烈的時(shí)期，還能隨著庫(kù)水位變化產(chǎn)生一定的小幅波動(dòng)，位于大壩下游的P2-3、J2-3及J2-4測(cè)壓管水位一直很穩(wěn)定，即使在2015年6月9日至2015年7月13日之間水庫(kù)蓄水庫(kù)水位短時(shí)間內(nèi)快速上升的時(shí)間段內(nèi)也未見明顯的水位波動(dòng)，說明其與庫(kù)水位基本無關(guān)。位于大壩下游壩基內(nèi)的J2-3及J2-4測(cè)壓管測(cè)值穩(wěn)定在8.0 m左右，且兩個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)值非常接近，幾乎不存在滲透坡降，表明此處壩基透水性能良好，所以可認(rèn)為J2-3和J2-4測(cè)壓管水位已為大壩下游地下水位。

圖2實(shí)測(cè)測(cè)壓管水位過程線圖

圖3為三溪浦水庫(kù)維修加固工程設(shè)計(jì)報(bào)告中所做的水庫(kù)正常蓄水位下滲流計(jì)算結(jié)果及其與實(shí)測(cè)浸潤(rùn)線的對(duì)比圖，表1為該計(jì)算所取的壩體和壩基滲透系數(shù)。由圖3可知，由于壩基滲透系數(shù)與心墻相差較大，浸潤(rùn)線在心墻后迅速下降至幾乎與下游水位(8.32 m)齊平，這與圖2中2015年11月至2016年5月之間的大壩滲流觀測(cè)情況不符：防滲墻下游側(cè)P2-2與J2-2測(cè)點(diǎn)在這段時(shí)間內(nèi)平均水位分別為18.07 m和13.25 m，與計(jì)算值相差可到3 m～6 m，而這段時(shí)間內(nèi)由于庫(kù)水位在正常蓄水位附近長(zhǎng)時(shí)間未見大的波動(dòng)，可視大壩已達(dá)到穩(wěn)定滲流狀態(tài)，其滲流狀態(tài)應(yīng)與設(shè)計(jì)計(jì)算的正常蓄水位工況相對(duì)應(yīng)。

2 成因分析

圖4為三溪浦水庫(kù)維修加固工程設(shè)計(jì)報(bào)告中所做的水庫(kù)維修加固前無混凝土防滲墻時(shí)正常蓄水位下大壩滲流計(jì)算結(jié)果，通過與圖3對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：混凝土防滲墻的截滲作用是很明顯的，通過設(shè)置混凝土防滲墻能夠大大地消殺下游壩體和壩基的水位，如此則很容易讓人推斷出混凝土防滲墻滲透系數(shù)達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)論，事實(shí)上，通過查驗(yàn)維修加固工程驗(yàn)收材料，排除了混凝土防滲墻的施工存在質(zhì)量問題的原因。

圖3 維修加固工程后正常蓄水位下大壩滲流場(chǎng)分布(單位：m)

從另一個(gè)角度對(duì)圖3進(jìn)行細(xì)致觀察可知，圖3中浸潤(rùn)線在混凝土防滲墻內(nèi)有很明顯的降低，說明混凝土防滲墻與心墻之間的滲透系數(shù)存在較大的差異，初步說明了混凝土防滲墻存在施工質(zhì)量問題的可能性較低，但之后浸潤(rùn)線從心墻出來后，由于心墻與壩基之間滲透系數(shù)相差3個(gè)數(shù)量級(jí)，此處浸潤(rùn)線也急劇降低，直接從心墻與壩基的交接的齒槽部位進(jìn)入壩基，所以有可能是靠近心墻部位的壩基滲透系數(shù)與心墻相差太大，所以造成此處浸潤(rùn)線下降過快，從而造成下游測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)水位高于計(jì)算結(jié)果的現(xiàn)象。另外，由于心墻與壩殼A分別為含砂礫黏土和砂壤土，且滲透系數(shù)相差不大，所以圖4中浸潤(rùn)線的在下降過程較為平緩，浸潤(rùn)線是在壩殼A與壩殼B分界線處的進(jìn)入壩基，通過觀察圖4浸潤(rùn)線的坡度可以發(fā)現(xiàn)維修加固工程前心墻以及部分壩體和壩基內(nèi)的滲透坡降較大，數(shù)值在1～2左右，且越靠近心墻，滲透坡降也越大，而浸潤(rùn)線進(jìn)入壩基以后滲透坡降就大大減小，基本在0.1左右。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知[5-7]，在沒有可靠反濾保護(hù)的條件下，一般砂礫土在滲透坡降1～2的滲流作用下是極易產(chǎn)生滲透變形，據(jù)此筆者推斷三溪浦水庫(kù)在維修加固工程前，原有心墻已發(fā)生了一定程度的滲透變形，心墻內(nèi)細(xì)顆粒土在順著流線方向進(jìn)入壩基中，而壩基內(nèi)的滲流場(chǎng)的滲透坡降很小，導(dǎo)致細(xì)顆粒失去了繼續(xù)向下游運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力而沉積下來，從而逐步將壩基淤堵，導(dǎo)致了心墻下游側(cè)的浸潤(rùn)線升高。

圖4維修加固前水庫(kù)正常蓄水位下壩體與壩基水頭分布(單位：m)

通過查閱相關(guān)資料筆者發(fā)現(xiàn)不少透水性壩基發(fā)生淤堵的實(shí)例[8-10]，例如西藏山南地區(qū)高山寬谷河流區(qū)是當(dāng)?shù)刂匾霓r(nóng)業(yè)區(qū)，由于其分布有深厚粗大的強(qiáng)滲透性沖洪積層，因此在這類地區(qū)興建水庫(kù)工程時(shí)，由于壩基防滲處理不當(dāng)，往往存在壩基滲漏問題，但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)這些發(fā)生滲漏的水庫(kù)，在沒有增加任何附加防滲處理的情況下，經(jīng)過幾年的運(yùn)行，壩基土體出現(xiàn)滲透性降低、滲漏問題明顯好轉(zhuǎn)等現(xiàn)象，且后期的水庫(kù)蓄水位可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，也有不少建于河床透水壩基上的二十世紀(jì)五六十年代老水庫(kù)與三溪浦水庫(kù)相類似，受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，存在較大的滲漏問題，但隨著運(yùn)行年限的增長(zhǎng)，滲漏量逐年減少，例如1960年建成的河北西大洋水庫(kù)[11]，到1990年滲漏量已減少了80%。另外，根據(jù)三溪浦水庫(kù)維修加固工程前的地勘工作中也發(fā)現(xiàn)了壩基靠近心墻的砂礫卵石層，因水庫(kù)多年蓄水，細(xì)顆粒沉積較多，透水性能變?nèi)鮗12]。上述幾個(gè)實(shí)例說明在一定條件下，透水性壩基發(fā)生淤堵的可能性是客觀存在的。

3 壩基滲透系數(shù)修正

為確定壩基淤堵后的真實(shí)滲透系數(shù)，本文利用已有的測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值對(duì)進(jìn)行反演，根據(jù)前文中的分析，維修加固前的大壩浸潤(rùn)線是從壩殼A與壩殼B的交界處進(jìn)入壩基，在該交界處上游側(cè)的壩基有較大可能發(fā)生淤堵，同時(shí)結(jié)合圖4中的滲流場(chǎng)分布情況判斷初步擬定了發(fā)生淤堵的壩基范圍為圖5中壩基E的部分。

圖5修正后壩體與壩基各部分分布范圍

滲透系數(shù)的反演方法一般采用數(shù)值優(yōu)化方法[13-15]，其基本方法是：首先選取一組參數(shù)進(jìn)行滲流計(jì)算，將計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，根據(jù)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的差異，按不同的優(yōu)化方法對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，再進(jìn)行數(shù)值分析，直至計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的差異達(dá)到最小，此時(shí)的參數(shù)即為最優(yōu)參數(shù)，本文定義了計(jì)算測(cè)壓管水頭值與實(shí)測(cè)值之間差異的函數(shù)如下：

(1)

圖6壩基滲透系數(shù)修正后正常蓄水位下

壩體與壩基水頭分布(單位：m)

通過對(duì)比表1中的滲透系數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)反演獲得的壩基E的滲透系數(shù)與心墻和壩殼A的滲透系數(shù)在同一數(shù)量級(jí)上，比心墻和壩殼A略大，但與壩基滲透系數(shù)相比要相差2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。這也能從一定程度上驗(yàn)證壩基發(fā)生淤堵的可能。另外值得一提的是，通過反演確定的壩基淤堵部位的滲透系數(shù)與壩基淤堵的范圍密切相關(guān)，淤堵范圍越大，在相同滲透系數(shù)下，浸潤(rùn)線抬升越明顯，所以準(zhǔn)確的壩基淤堵部位滲透系數(shù)，需做進(jìn)一步的地質(zhì)勘察工作來確定，但可基本確認(rèn)淤堵部位的壩基滲透系數(shù)應(yīng)比原設(shè)計(jì)采用的數(shù)值要小。

表2 壩基滲透系數(shù)修正后斷面測(cè)壓管水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

4 結(jié) 論

通過比較三溪浦水庫(kù)大壩蓄水后半年內(nèi)的穩(wěn)定滲流期觀測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果可知，防滲墻下游側(cè)的測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值明顯高于設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，在排除防滲墻施工質(zhì)量問題的原因后，初步判斷在維修加固工程前由于壩體內(nèi)滲透坡降較大，發(fā)生了一定的滲透變形，心墻內(nèi)細(xì)顆粒在滲透坡降的作用下隨著滲透水流被帶入松散的砂礫石壩基內(nèi)沉積下來，導(dǎo)致壩基發(fā)生淤堵，從而降低了壩基部分區(qū)域的透水性，抬高了該區(qū)域的浸潤(rùn)線，同時(shí)通過采用測(cè)點(diǎn)水位實(shí)測(cè)值對(duì)淤堵的壩基進(jìn)行滲透系數(shù)反演，發(fā)現(xiàn)反演獲得的淤堵壩基的滲透系數(shù)要大于原設(shè)計(jì)值，與原心墻的滲透系數(shù)較為接近，初步驗(yàn)證了壩基發(fā)生淤堵的這一結(jié)論。