羅 正 英， 黃 會 寶， 胡 翰 尹， 柯 虎

(國能大渡河流域庫壩管理中心，四川 成都 610000)

0 引 言

滲流是影響大壩安全運行的重要因素，上下游水位、壩區(qū)氣溫、水溫及壩區(qū)降雨等環(huán)境量的變化，將會直接影響大壩的穩(wěn)定[1]。繞壩滲流是大壩滲流的重要部分，它容易導致地下水位抬高，引起壩肩失穩(wěn)[2]。繞壩滲流是沿著壩岸結合面或壩端山坡土體的內部向下游滲水, 甚至集中滲流,它能引起壩端部分壩體內浸潤線抬高, 岸坡出現陰濕、軟化甚至產生滑坡。因此，實時監(jiān)測庫區(qū)環(huán)境量變化，有助于準確評價繞壩滲流對庫壩安全的影響。

1 工程及地質概況

龔嘴水電站位于四川省樂山市沙灣區(qū)與峨邊縣交界處的大渡河上，控制流域面積76 130 km2，占全流域面積77 400 km2的98.3%，是一個以發(fā)電為主的水利樞紐工程。水庫正常蓄水位528.00 m，相應的總庫容實測3.45億m3，水庫屬山區(qū)河道型，有效庫容實測1.018億m3，具有日、周調節(jié)能力。壩址處多年平均流量為1 490 m3/s。

壩址地質構造屬于南北向，位于龔嘴寬緩背斜核部東側，西距二峨山斷層2 km，東距白石溪斷層2.5 km，壩址內沒有大的斷層，僅見破碎帶寬度小于1～2 m的小斷層11條。兩岸谷坡及谷底左側巖體卸荷顯著，特征是裂面普遍張開，充填次生夾泥(水平卸荷例外)。巖體的風化深度不一，總的趨勢是：左岸較右岸風化強烈，兩岸較河床風化強烈，河床左側又較右側風化強烈。巖體的透水性主要受構造裂隙及其開度控制，一般隨深度增加而減弱。河床部位透水性不強，相對抗水層埋深40～50 m，河谷兩岸和谷底左側透性極不均勻，相對抗水層埋深左岸與谷底左側60～70 m，右岸50～60 m。地下水可分為第四系孔隙水和基巖裂隙水兩種，一般為重碳酸鈣鎂型，不具任何侵蝕性。壩址所在區(qū)域無震源分布，屬地震波及區(qū)，地震設計烈度為7度。

2 龔嘴水電站繞壩滲流測網布置

龔嘴水電站繞壩滲流在左右兩岸壩肩，設計布設22個測點，左右岸各11個(圖1)。多年來，因堵塞、周邊農民蓋房圈占、圍墻修建等因素影響個別孔的正常觀測。RK8Y于2010年11月因修路被毀壞無法恢復；RK10Y、RK11Z因修建圍墻或住宅遮擋，仍然無法監(jiān)測；除此三孔，2012年對其余孔進行掃孔處理，并更換了孔口裝置，目前在測孔數19個。2016年對繞壩滲流測點進行了自動化改造，其中左岸10個，右岸9個。

3 監(jiān)測資料整理及分析

龔嘴水電站繞壩滲流監(jiān)測歷經20年，監(jiān)測數據整理后，左右岸地下水位及同期庫水位或降雨(高于庫水位的監(jiān)測孔)過程線見圖2～5。

(注：圖中虛線為灌漿帷幕位置線)圖1 繞壩滲流(地下水位孔)布置圖

圖2 左岸繞滲滲壓水位變化過程線(上游水位)

由圖2、圖3可知，左岸灌漿帷幕后的RK1Z、RK2Z、RK3Z明顯受庫水位及降雨影響，隨著庫水位及降雨量的變化而變化。RK1Z、RK2Z受“5·12”地震影響降落約3～5 m，且隨后十幾年來沒有恢復跡象；目前三個孔分別低于庫水位24.80 m、23.64 m、6.55 m，說明左岸灌漿起到了較好的阻水作用。位于RK1Z、RK2Z、RK3Z下游側的RK4Z、RK6Z水位受降雨影響明顯，水位變化幅度較大其值分別為3.80 m、16.10 m。下游岸坡測孔RK5Z、 RK7Z～RK10Z水位高于上游部位測孔，也高于水庫水位，且很平穩(wěn)，波動幅度小，主要受兩岸地下水位影響。左壩肩未見明顯繞壩滲流現象。

圖3 左岸繞滲滲壓水位變化過程線(降雨)

由圖4、圖5可知，右岸RK1Y、RK2Y、RK3Y測孔位于幕前，RK1Y、RK2Y基本就反映庫水位的波動，RK3Y則高于庫水位10 m以上，更多受岸坡地下水位或降雨影響。幕后測孔RK4Y、RK5Y、RK8Y低于同期庫水位，未見庫水位影響跡象；RK6Y、RK9Y也基本與庫水位持平，且受到其影響，同時受降雨影響，疑與上下貫通帷幕的斷層構造帶有聯通。幕后岸坡測孔RK7Y、RK11Y測值分別高于庫水位16.99 m 、22.73 m，受到岸坡地下水及降雨影響。

圖4 右岸繞滲滲壓水位變化過程線(上游庫水位)

圖5 右岸繞滲滲壓水位變化過程線(降雨)

4 監(jiān)測資料的回歸分析

通過數學方法，建立效應量與環(huán)境量(庫水位、氣溫、降雨、時間)間的數學關系式，據此分離各種環(huán)境因素的影響，了解各環(huán)境量對監(jiān)測量的影響程度和規(guī)律，進而揭示可能潛在的不安全因素及發(fā)展趨勢[3]?；谏鲜霰O(jiān)測資料，采用了易于為工程界所理解和接受的傳統(tǒng)統(tǒng)計模型法，對龔嘴水電站近幾年的監(jiān)測資料進行回歸分析。

4.1 分析模型[4]

大壩滲流問題很復雜，通常與基礎地質條件、庫水壓力、降雨狀況等相關，大壩滲流量可用如下數學模型來描述：

V=VT+Vh+Vt+Vp

(1)

式中 ⅤT為由于壩區(qū)溫度變化引起的滲漏量變化量；Ⅴh為由于水壓變化引起的滲漏量變化量；Ⅴp為由于壩區(qū)降雨引起的滲漏量變化量；Ⅴt為滲漏量趨勢性變化量，即時效分量。

4.1.1 溫度分量ⅤT

溫度變化可引起滲透裂隙熱脹冷縮從而影響滲流通道的特性，可使水的黏滯性發(fā)生改變。但對于這種高壩大庫，基礎溫度通常很穩(wěn)定，難有顯著波動，分量通常也可被忽略。溫度分量可采用多段平均氣溫的線性組合，其表達式為：

VT=a0+a1T+a2T5+a3T10+a4T15+a5T20+a6T30+a7T45+a8T60+a9T90+a10T120

(2)

式中T、T5、……T120為觀測日當天、前5天、……前120天的平均氣溫。

4.1.2 水壓分量Ⅴh

Vh=b0+b1Hu+b2Hu1+b3Hu2-3+b4Hu4-6+b5Hu7-10+b6Hd+b7Hd1+b8Hd2-3+b9Hd4-6+b10Hd7-10

(3)

式中Hu、Hd為觀測日上、下游水深(水位-建基面高程)，Hu1、Hd1為前一日上、下游水深，Hu2-3、Hd2-3為前2～3天內的上、下游平均水深；依此類推。

基于滲流達西定理，為簡化模型，可以用上下游水位差代替上述水壓因子。

如果在初蓄期有急劇的滲壓升高、滲流量增大的過程，可以考慮納入初蓄因子，即首高水位減前高水位的水位差。若當日水位超過上個測次之前的最高水位，入選該因子，以便更好地分解水壓效應。

4.1.3 時效分量Ⅴt

Vt=c0+c1t+c2ln(t)+c3t/(t+100)

(4)

式中t為從1971年3月1日算起至觀測日的累計天數。

4.1.4 降雨分量Ⅴp

Vp=d0+d1P+d2P1+d3P2-3+d4P4-6+

d5P7-10

(5)

式中P、P1為當日及前一天日降雨量，P2-3為前2至3天內日平均降雨量；依此類推。

4.1.5 突變因素

“5·12”大地震致使大壩滲流復雜化，根據滲流的測值過程線，基本均存在不同程度、不同方向的突變，隨后經歷了長短不一的調整過程，或回歸至原有變動軌跡、或穩(wěn)定在一個新的平均水平上。對于這種情況，均是大壩運行過程中一種正常、合理的存在，應該從過程中解析出來再去分析評判時效趨勢，考慮加入三類突變因子進行數學描述：

(6)

式中t1是從2008年“5·12”地震后首測日(或其他發(fā)生線性突變)起始的累計天數；∑t1表示“5·12”地震后首測日(或其他發(fā)生線性突變)起始至突變效應中線性部分結束的累積天數，需根據各測點實際情況進行考察。

f2(t1)=1

(7)

式中f2(t1)因子，僅在突變效應的線性部分結束后，測值平均值穩(wěn)定在不同于突變前平均水平時入選。

A(t1)=原測值t1

(8)

式中t1為測值幅值發(fā)生改變的時段內。

4.2 回歸結果分析

基于前述滲流與水位(降雨)的實測歷史過程線圖，采用上述的回歸分析方法，選擇歷史過程數據規(guī)律相對較好的代表性測點進行回歸分析，回歸擬合過程線如圖6～7(限于篇幅，僅給出RK6Y測點和RK2Z測點的揚壓力擬合回歸過程線),回歸成果分解統(tǒng)計見表1。

圖6 RK6Y測點揚壓力擬合回歸過程線

圖7 RK2Z測點揚壓力回歸過程線

表1 繞壩滲壓測值回歸成果分解統(tǒng)計表

由圖6～7可知，各測孔實測值與擬合值相關性較好，殘差的標準差在0.5～3.784 m之間，平均1.863；回歸擬合精度可接受；擬合結果大體上符合本工程的規(guī)律和特征，可供參考。

由表1可知，對于突變因素，10個代表測孔樣本系列，僅左岸RK2Z、RK3Z、RK4Z入選了“5·12”地震突變因子，分量值在1.59～7.98 m之間，平均4.92 m。且RK2Z、RK3Z在震后十多年來，沒有回歸原有發(fā)展軌道，均維持在新的均值，表明大地震對該兩孔滲流形成了持久的效應。

對于上游水壓因素，10個代表測孔樣本系列中有6個入選了上游水位因子,相對占比15～36%，平均29%，尤其兩岸與斷層構造帶關系緊密的測孔RK2Z、RK3Z、RK6Y、RK9Y其比例均超過30%，構成壩肩繞滲的顯著影響因素。對于降雨因素，10個代表測孔樣本系列中全部入選降雨因子，占比25～68%，平均38%，成為影響繞壩滲流的最顯著因素。

對于時效因素，10個代表測孔樣本系列中除RK3Z、RK9Y兩孔，其余均入選時效因子，占比7～39%，平均21%，RK4Z、RK5Y、RK10Z三孔的時效趨勢是仍在增加，應加強觀測，尤其RK4Z是低于庫水位的。

5 結 語

經對龔嘴水電站長期受庫水位和降雨影響的地下水位實測數據分析可知：左壩肩未見明顯繞壩滲流現象；右岸除橫穿壩肩帷幕的斷層構造帶存在一定上下游聯系外，其余未見明顯繞壩滲流現象。

采用回歸分析法對該實測數據進行回歸分析可得：在環(huán)境量的變化對繞壩滲流的影響分析中，上游水壓和降雨構成了繞壩滲流的顯著影響因素；地震(突變因素)對滲流可能形成持久效應；繞壩滲流也可能受時效因子的影響，應加強觀測。