祖安君 吳 潔 曹 昕

(1.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029； 2.水利部大壩安全管理中心，江蘇 南京 210029； 3.常州市金壇區(qū)水旱災(zāi)害防御調(diào)度指揮中心，江蘇 常州 213200)

我國西部地區(qū)為全球地震災(zāi)害最為嚴重的區(qū)域之一，且大部分地區(qū)地震烈度高、頻率大[1]，可能導致大壩防滲系統(tǒng)破壞等十分嚴重的震害損失，因此，開展震后大壩安全評估對查明大壩是否出現(xiàn)震損、保障大壩安全運行至關(guān)重要。安全監(jiān)測是大壩的“耳目”，安全監(jiān)測資料是大壩安全影響因素綜合作用的表征，是了解和評估大壩安全性態(tài)最直接、有效的方法；另一方面，據(jù)資料統(tǒng)計，我國已潰決土石壩中因滲流問題導致潰壩的比例近30%[2]。鑒于此，開展?jié)B流壓力監(jiān)測工作并基于監(jiān)測數(shù)據(jù)進行滲流安全分析評價，從而實時掌握土石壩滲流安全狀況至關(guān)重要[3-5]，能夠把握大壩滲流發(fā)展態(tài)勢、預(yù)測可能發(fā)生風險，在發(fā)生險情之前提前做好防護措施，對保障大壩安全具有重要意義。

2022年1月8日凌晨和1月12日晚，青海省門源縣分別發(fā)生6.9級地震和5.2級余震，本文以距離震中直線距離約55km的甘肅皇城水庫為例，在通過測壓管注水試驗和滲壓計人工比測對大壩滲流壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)進行可靠性分析的基礎(chǔ)上，對該水庫前期除險加固至今大壩滲流壓力監(jiān)測資料開展分析評價工作，重點分析地震后滲流壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)是否有朝不利方向發(fā)展的趨勢，進而對震后該水庫大壩防滲系統(tǒng)是否可靠、滲流性態(tài)是否正常作出評估。

1 工程概況

皇城水庫位于甘肅省張掖市肅南裕固族自治縣皇城鎮(zhèn)境內(nèi)。壩址位于東大河上游駱駝脖子處，屬石羊河流域，控制流域面積1030km2，總庫容8000萬m3，是一座以工農(nóng)業(yè)供水為主，兼有防洪、發(fā)電和養(yǎng)殖功能的中型水庫。水庫正常蓄水位2542.20m，汛期限制水位2539.80m，最低運行水位2520.00m。防洪標準為100年一遇洪水設(shè)計，設(shè)計洪水位2540.40m；1000年一遇洪水校核，校核洪水位2543.70m。工程等別Ⅲ等，主要建筑物級別3級，工程區(qū)地震基本烈度Ⅷ度，抗震設(shè)防烈度Ⅷ度。

水庫始建于1974年，1980年底停工緩建，1982年復建，1985年8月工程投入運行。2002年1月，永昌縣水務(wù)局鑒定為三類壩。2007年3月—2009年9月，對皇城水庫進行了除險加固。

水庫樞紐由大壩、輸水發(fā)電隧洞(1號輸水洞)、輸水泄洪隧洞(2號輸水洞)、壩后式水電站等組成。大壩為帶有短鋪蓋的壤土斜墻砂礫殼壩，壩頂長501m、寬7.5m，最大壩高45.0m，設(shè)計壩頂高程2545.00m，防浪墻頂高程2546.00m。輸水發(fā)電隧洞(1號隧洞)與輸水泄洪隧洞(2號隧洞)位于大壩左岸近似平行布置，均為在花崗巖、砂巖中開鑿的直徑4.0m的深式進口圓形壓力隧洞，進口底板高程均為2506.00m，設(shè)計最大泄水流量均為202m3/s，1號、2號隧洞洞身分別長256.37m、288m；進口設(shè)1扇4m×4m(寬×高，下同)事故檢修平板鋼閘門，出口設(shè)1扇3.5m×3m弧形工作鋼閘門。發(fā)電支洞中心線位于發(fā)電輸水隧洞洞身中心樁號0+203.84右側(cè)，總長44.7m，設(shè)計引水流量14.58m3/s，總裝機容量3×1250kW。

水庫擔負著金昌市工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活用水供給重任，金昌市每年1.08億m3的工業(yè)用水量中，從皇城水庫通過專用渠道調(diào)水量達8800萬m3；農(nóng)業(yè)用水對象為東大河灌區(qū)，原設(shè)計灌溉面積42.5萬畝，現(xiàn)有效灌溉面積30.2萬畝。防洪保護下游灌區(qū)8萬人口、41萬畝耕地及蘭新鐵路、國道312線的安全[6]。

2 滲流監(jiān)測布置

測壓管為水庫初建時埋設(shè)，2007—2009年除險加固在測壓管內(nèi)吊裝滲壓計實現(xiàn)滲流壓力自動化監(jiān)測。共布置16個滲流壓力監(jiān)測點，其中12個大壩滲流壓力測點、4個繞壩滲流壓力測點。大壩滲流壓力監(jiān)測設(shè)置3個橫斷面[7-9]，分別在0+165、0+265、0+375斷面布置4個滲流壓力測點；在左岸灌漿平洞內(nèi)樁號0+494、0+514處分別布置K21、K22測點，右岸樁號0-055、0-033處分別布置K01、K02測點進行繞壩滲流監(jiān)測(見圖1、圖2)。

圖1 大壩滲流監(jiān)測設(shè)施平面布置

圖2 0+265斷面滲流壓力監(jiān)測布置

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠性評價

滲流壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)有效可靠是開展后續(xù)監(jiān)測資料分析的基礎(chǔ)，直接關(guān)系到對大壩滲流性態(tài)評估的可靠程度。本文通過注水試驗檢驗測壓管靈敏度，并對測壓管內(nèi)滲壓計進行人工比測，從而評價大壩滲流壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性[10-12]。

3.1 測壓管注水試驗

2022年4月20—25日，按照《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(SL 551—2012)要求對測壓管進行注水試驗，因K03、K07和兩岸繞壩滲流壓力測點處測壓管內(nèi)無水，故不進行試驗，通過注水試驗對剩余10根測壓管靈敏度進行了檢測。注水試驗具體流程及判斷標準為：首先測量測壓管內(nèi)初始水位，然后向測壓管內(nèi)注水，使測壓管內(nèi)水位上升3m左右后連續(xù)觀測5天，根據(jù)5日后測壓管水位判斷其靈敏程度。

定義測壓管靈敏系數(shù)=1-(5日后水位-初始水位)/(注水后水位-初始水位)，若靈敏系數(shù)小于0.70，則測壓管靈敏度不合格；若靈敏系數(shù)為0.70～0.85，表示測壓管淤堵，經(jīng)清洗后尚可正常使用；若靈敏系數(shù)為0.85～1.00，則測壓管靈敏度合格。

從10根測壓管靈敏度檢測成果(見表1)中可見，所有測壓管靈敏度均合格。

表1 測壓管注水試驗檢測結(jié)果

3.2 滲壓計人工比測

2022年4月20日，對當前有監(jiān)測數(shù)據(jù)且測壓管內(nèi)有水的9支滲壓計進行了人工比測，從現(xiàn)場對比滲流監(jiān)測系統(tǒng)自動化測值(計算水頭)與測壓管內(nèi)滲壓計實測水頭值(實測吊裝長度減實測水面深)成果(見表2)中可見，當前滲壓計測量誤差較小，可滿足滲流監(jiān)測要求。

表2 滲壓計人工比測結(jié)果

4 滲流監(jiān)測資料分析

2007—2009年，除險加固完成后實現(xiàn)了滲流壓力自動化監(jiān)測，形成了2008年10月20日—2022年6月20日連續(xù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對滲流壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整編分析[13-16]。為清晰顯示震后滲流壓力水位變化情況，進而評估震后大壩滲流性態(tài)，分別繪制了5個典型斷面震前、震后測點滲流壓力水位過程線，且繪制了各典型斷面震后相對高水位(2022年4月1日2541.18m)下的浸潤線。

4.1 大壩0+165斷面

0+165斷面共設(shè)置K03、K04、K05、K06四個滲流壓力監(jiān)測點，繪制各測點滲流壓力水位過程線(見圖3～圖5)。由圖可見：

圖3 0+165斷面測點滲流壓力水位過程線

圖4 0+165斷面震前、震后測點滲流壓力水位過程線

圖5 0+165斷面實測浸潤線

a.K03測值過程線為水平直線，測值為儀器安裝高程，主要因滲壓計位于空氣中，未監(jiān)測到水位。

b.K04、K05、K06測值與下游水位測值接近，因此過程線基本重合。

c.防滲斜墻下游側(cè)測點K04、K05、K06滲流壓力水位較庫水位顯著下降，表明防滲系統(tǒng)防滲效果較好。

d.根據(jù)實測浸潤線圖，經(jīng)過壤土斜墻后滲流壓力水位下降明顯，符合壤土斜墻砂礫殼壩浸潤線形態(tài)，表明該斷面防滲系統(tǒng)工作正常，防滲效果整體較好；下游壩坡滲流出口低于壩腳地面高程，故該斷面下游壩坡滲流處于安全狀態(tài)。

e.震前、震后各測點滲流壓力水位未出現(xiàn)明顯變化，震后測點水位未出現(xiàn)異常升高，表明本次地震未破壞該斷面防滲系統(tǒng)。

4.2 大壩0+265斷面

0+265斷面共設(shè)置K07、K08、K09、K10四個滲流壓力監(jiān)測點(見圖2)，繪制各測點滲流壓力水位過程線(見圖6～圖8)。由圖可見：

圖6 0+265斷面測點滲流壓力水位過程線

圖7 0+265斷面震前、震后測點滲流壓力水位過程線

圖8 0+265斷面實測浸潤線

a.K07自2021年5月后沒有讀數(shù)，且測值過程線為水平直線，測值為儀器安裝高程，主要因滲壓計位于空氣中，未監(jiān)測到水位。

b.K08、K09、K10測值與下游水位測值接近，因此過程線基本重合。

c.防滲體下游側(cè)測點K08、K09、K10滲流壓力水位較庫水位顯著下降，表明防滲系統(tǒng)防滲效果較好。

d.根據(jù)實測浸潤線圖，經(jīng)過壤土斜墻后滲流壓力水位下降明顯，符合壤土斜墻砂礫殼壩浸潤線形態(tài)，表明該斷面防滲系統(tǒng)工作正常，防滲效果整體較好；下游壩坡滲流出口低于壩腳地面高程，因此，該斷面下游壩坡滲流處于安全狀態(tài)。

e.震前、震后各測點滲流壓力水位未出現(xiàn)明顯變化，震后測點水位未出現(xiàn)異常升高，表明本次地震未破壞該斷面防滲系統(tǒng)。

4.3 大壩0+375斷面

0+375斷面共設(shè)置K11、K12、K13、K14四個滲流壓力監(jiān)測點，繪制各測點滲流壓力水位過程線(見圖9～圖11)。由圖可見：

圖9 0+375斷面測點滲流壓力水位過程線

圖11 0+375斷面實測浸潤線

a.K11測值過程線為水平直線，K11測值為儀器安裝高程，主要因滲壓計位于空氣中，未監(jiān)測到水位。

b.K13測值略高于上游測點K12測值，主要受測量誤差影響。K12、K13、K14測值與下游水位測值接近，因此過程線基本重合。

c.防滲體下游側(cè)測點K12、K14滲流壓力水位較庫水位顯著下降，表明防滲系統(tǒng)防滲效果較好。

d.根據(jù)實測浸潤線圖，經(jīng)過壤土斜墻后滲流壓力水位下降明顯，符合壤土斜墻砂礫殼壩浸潤線形態(tài)，表明該斷面防滲系統(tǒng)工作正常，防滲效果整體較好；下游壩坡滲流出口低于壩腳地面高程，故該斷面下游壩坡滲流處于安全狀態(tài)。

e.震前、震后各測點滲流壓力水位未出現(xiàn)明顯變化，震后測點水位未出現(xiàn)異常升高，表明本次地震未破壞該斷面防滲系統(tǒng)。

4.4 繞滲測點

在大壩樁號0-055、0-033處壩軸線位置設(shè)置繞壩滲流測點K01、K02，監(jiān)測右岸繞壩滲流，兩個測點2019年9月由于儀器異常停測，2021年5月恢復監(jiān)測后數(shù)值異常升高，測值不可信；在大壩樁號0+494、0+519處壩軸線位置設(shè)置繞壩滲流測點K15、K16，監(jiān)測左岸繞壩滲流，兩個測點2019年9月由于儀器異常停測，2021年12月恢復監(jiān)測后數(shù)值異常升高，測值不可信。為消除庫水位影響，對K01、K02、K15、K16測值作無量綱化處理，即獲得繞壩滲流位勢。繪制各測點滲流壓力水位過程線、滲流位勢過程線(見圖12～圖15)。由圖可見：

圖12 K01、K02測點滲流壓力水位過程線

圖13 K01、K02測點滲流位勢過程線

圖14 K15、K16測點滲流壓力水位過程線

圖15 K15、K16測點滲流位勢過程線

a.K01、K02、K15、K16測點水位變化與庫水位變化趨勢基本一致，表明左、右壩肩監(jiān)測部位與庫水連通性好。

b.K01、K02測點位勢接近(約40%)，未呈現(xiàn)增大趨勢且整體不高，表明監(jiān)測部位滲流穩(wěn)定。

c.K15、K16滲流壓力水位接近庫水位，測點位勢較為接近(約95%)，雖整體較高但未呈現(xiàn)增大趨勢，表明監(jiān)測部位滲流基本穩(wěn)定，左岸與右岸相比，上游局部位置裂隙更加發(fā)育。

d.因繞壩滲流測點數(shù)量少，缺乏下游側(cè)繞滲測點，無法根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)判定繞壩滲流情況，但現(xiàn)場檢查與運行過程中未發(fā)現(xiàn)左、右岸山體相關(guān)部位存在異常滲流現(xiàn)象，因此，兩岸繞壩滲流并不嚴重。

5 結(jié) 語

a.K01、K02、K07、K15、K16當前無監(jiān)測數(shù)據(jù)，應(yīng)盡快恢復監(jiān)測；K03、K07、K11測值過程線為水平直線，測值為儀器安裝高程，主要因滲壓計位于空氣中，未監(jiān)測到水位。

b.各監(jiān)測橫斷面防滲體下游測點滲流壓力水位較庫水位顯著下降，表明防滲系統(tǒng)防滲效果較好；實測浸潤線圖顯示滲流未在下游壩坡出逸，表明各斷面下游壩坡滲流處于安全狀態(tài)；震前、震后滲流壓力水位未出現(xiàn)明顯變化，震后測點水位未出現(xiàn)異常升高，本次地震未破壞大壩防滲系統(tǒng)。

c.兩岸繞滲測點水位與庫水位相關(guān)性較好，左岸滲流壓力水位接近庫水位，表明左岸山體上游局部位置裂隙更加發(fā)育；兩岸繞滲測點位勢未呈現(xiàn)增大趨勢，表明監(jiān)測部位滲流穩(wěn)定；因繞壩滲流測點數(shù)量少，缺乏下游繞滲測點，無法根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)判定繞壩滲流情況，但現(xiàn)場檢查與運行過程中未發(fā)現(xiàn)兩岸山體相關(guān)部位存在異常滲流現(xiàn)象，因此，兩岸繞壩滲流并不嚴重。

d.建議更新改造大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)，并重視巡視檢查，每年定期對巡視檢查與儀器監(jiān)測資料進行一次系統(tǒng)整編分析。