楊昌興

（黃平縣重安片區(qū)水務(wù)站,貴州 黃平 556100）

1 引言

水利設(shè)施包含了水電站、水壩、水文監(jiān)測(cè)站等一系列水工建筑,集水力發(fā)電、抗旱抗洪、旅游運(yùn)輸、畜牧灌溉于一體。水利設(shè)施的每一部分都在日常生活中扮演著重要角色[1-2],因此水利設(shè)施的安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于保障整體系統(tǒng)具有重要作用,其中壩基作為今年來(lái)出現(xiàn)事故最多的位置[3-4],其穩(wěn)定性是衡量一處水利設(shè)施安全性能的主要指標(biāo)?；诖?不少學(xué)者通過不同方法對(duì)大壩的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析預(yù)測(cè)[5]。

本文以某地水電站為研究對(duì)象,考慮壩基不同部位的滲流狀態(tài),依托滲流監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)蓄水過程中的水電站防滲排水系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行研究評(píng)價(jià)。

2 工程概況

某水電站主要由攔河壩、泄洪、發(fā)電機(jī)組等主要設(shè)施構(gòu)成,其中攔河壩壩體頂部高程約為866 m,正常蓄水位為808 m,最大容量為198.71 億m3。發(fā)電站內(nèi)安裝有14 臺(tái)12.5 萬(wàn)kW發(fā)電機(jī)組，總?cè)萘靠蛇_(dá)15000 MW,年平均發(fā)電量約為609 億kW?h。水庫(kù)會(huì)進(jìn)行階段性蓄水,從2021年4 月進(jìn)行蓄水至最高值后回落至2022年年初的記錄值790 m。

水壩所在的河流流域洪峰期平均為3 天,5年平均降雨量為1128 mm,其中在汛期時(shí)的降水量為全年降雨量的68%,5年內(nèi)最大降雨量為1997 mm,5年中最小降雨量為711 mm。5年中水壩平均流量為63 m3/s,5年中的最大流量為2591 m3/s,最小流量為15.8 m3/s。水壩所處區(qū)域位于河谷地帶,且上下游地形落差較大。壩區(qū)地層為第四系覆蓋層,覆蓋層厚度約為18 m~64 m 范圍,覆蓋層主要由坡殘積物（Q4edl）和沖洪積物（Q4pal）構(gòu)成,其地層構(gòu)成主要包含黏土、卵石、粉質(zhì)黏土。

水利樞紐的防滲帷幕由三部分構(gòu)成,分為基礎(chǔ)帷幕、廠房帷幕和二道壩防滲。從整體上看壩體左岸分別在6 個(gè)不同的高程上設(shè)置了6 層灌漿孔洞,右岸同樣在6 個(gè)不同高程設(shè)置6 層灌漿孔洞。壩體的三排帷幕灌漿集中在以壩基為準(zhǔn)500 m 以下的高程中,其中三排帷幕中中層屬于主要帷幕。主要帷幕孔洞底部的高程為500 m,其余兩層副帷幕的深度均為主要帷幕深度的7/10。

壩體的排水主要分為大壩基礎(chǔ)排水和水墊塘排水。大壩基礎(chǔ)排水的排水模式為引流排水,而水墊塘排水的方式主要為抽排。大壩基礎(chǔ)排水的排水系統(tǒng)構(gòu)成分為止水帷幕、集水井及泵房。其中排水帷幕設(shè)置為2 層,其中第一層排水帷幕的布置方式為在壩體左右岸同時(shí)設(shè)置5 個(gè)不同高程的排水洞；第二層排水帷幕的布置方式為在500 m 高程下的區(qū)域設(shè)置兩排間距為1.5 m 的排水孔洞,其中排水孔洞同樣分為主孔洞及副孔洞,副孔洞的深度為主孔洞的7/10。

3 研究方法

在大壩修建完成并開始蓄水后,由于存在高低水頭差,水庫(kù)中的水土?xí)詨位皦渭缰械能浫踅Y(jié)構(gòu)作為滲流通道發(fā)生滲流。隨著滲流通道的逐漸擴(kuò)張,造成的滲漏不僅使庫(kù)區(qū)水體流失,還會(huì)影響發(fā)電效益,此外通過滲透水流產(chǎn)生的揚(yáng)壓力會(huì)對(duì)壩體的穩(wěn)定性造成負(fù)面影響。

在此條件下,該水電站采取防滲為主并結(jié)合排水的形式,為了對(duì)壩體在蓄水過程中的防滲效果及穩(wěn)定性進(jìn)行分析,分別對(duì)壩基蓄水過程中的滲流量、降雨量進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)。壩基滲流量的獲取方法主要通過將壩體分割為如圖1 所示的1-31壩段后,將量水堰分別布設(shè)在各個(gè)具有代表性的壩段內(nèi)。如壩基處的量水堰布設(shè)在19、20 號(hào)壩段的排水廊道之中用以監(jiān)測(cè)11~24 號(hào)壩段的排水流量。降雨量監(jiān)測(cè)：在壩區(qū)的左右岸及河床壩基處分別設(shè)置3 個(gè)降雨量監(jiān)測(cè)點(diǎn),主要采用虹吸式雨量計(jì),持續(xù)記錄降水量和降水時(shí)長(zhǎng)數(shù)。水位線監(jiān)測(cè)：在大壩上下游各設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),采用壓力式水位計(jì)對(duì)壩區(qū)蓄水前后的水位線變化進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)。滲流量、降雨量及水位線觀測(cè)時(shí)間從2021年1 月持續(xù)至2022年2 月截止。

圖1 壩體分段剖面圖

對(duì)于滲透流量的監(jiān)測(cè),根據(jù)量水堰的監(jiān)測(cè)結(jié)果如實(shí)記錄；對(duì)于虹吸式雨量計(jì)監(jiān)測(cè)的降雨量結(jié)果,由于設(shè)置3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),根據(jù)3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)取其平均值作為最終降雨量；根據(jù)壓力式水位監(jiān)測(cè)的蓄水前后水位線的變化情況,對(duì)壩體上下游水位線變化情況分別記錄為上游水位線和下游水位線數(shù)據(jù)。

4 結(jié)果分析

4.1 壩基滲流分析

通過1年的持續(xù)觀測(cè),將獲取的河床壩基處的滲流量及降雨量觀測(cè)數(shù)據(jù)繪制成河床壩基總滲流量及降雨量時(shí)序變化圖,見圖2。

圖2 河床壩基總滲流量及降雨量時(shí)序變化圖

從圖中可以看出,在蓄水前由于需要將部分排水孔進(jìn)行封閉,因此在蓄水前河床壩基的總滲流量呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì),總體滲流量降至330 L/min,而在蓄水完成則需將部分排水孔開放,因此從2021年4 月開始蓄水至2021年10 月,河床壩基總滲流量呈現(xiàn)出不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì),最大滲流量達(dá)1225 L/min。通過對(duì)比上游水位的變化趨勢(shì)可以看出：上游水位與河床壩基總滲流量的相關(guān)性較為密切,變化趨勢(shì)大致相當(dāng),而降雨量則對(duì)河床壩基總滲流量影響較小,說(shuō)明滲流總量的變化主要與上游水位相關(guān)。

為了進(jìn)一步分析降雨量及上游水位與滲流量的關(guān)系,分別對(duì)左右岸的滲流量進(jìn)行監(jiān)測(cè),并繪制左右岸壩基總滲流量及降雨量時(shí)序變化圖,見圖3。從圖中可以看出,對(duì)比于壩基總滲流量,左右岸兩側(cè)的滲流量較小,其中左岸最大滲流量為360 L/min,而右岸的最大滲流量為90 L/min。且滲流量較大時(shí)間段均對(duì)應(yīng)于降雨量集中時(shí)間段,左右岸的滲流量分布規(guī)律大致相同,但左岸滲流量遠(yuǎn)大于右岸滲流量,可能原因在于左右兩岸的地形地質(zhì)分布不同,而致使流量不均。上述結(jié)果表明：降雨量對(duì)左右岸兩側(cè)的滲流量影響較大。

圖3 左右岸壩基總滲流量及降雨量時(shí)序變化圖

4.2 壩基滲透壓分析

水流滲透通過壩基位置時(shí),產(chǎn)生的滲透壓力會(huì)降低壩體的抗滑穩(wěn)定性,因此在考慮滲流量影響的基礎(chǔ)上還需對(duì)壩基的滲透壓力進(jìn)行分析。通過在不同壩段及不同高程灌漿孔洞上布設(shè)滲壓計(jì)來(lái)對(duì)壩基及兩岸的滲透壓力分布情況進(jìn)行分析研究。折算后的各壩段壩基地下水左右岸方向分布圖見圖4。

圖4 折算后的各壩段壩基地下水左右岸方向分布圖

從圖中可以看出,各個(gè)壩段的水位相較于庫(kù)區(qū)上游水位均較低,且越靠近壩段中部位置,水位越低,靠近兩側(cè)水位則越高,總體呈現(xiàn)出二次拋物線的變化趨勢(shì)。當(dāng)水流通過壩基位置的排水孔時(shí),各段的折算后的水位均低于排水廊道的底板。此現(xiàn)象表明：壩基排水孔能夠降低壩基位置的壓降。

考慮到壩基軟弱面處的抗變形能力差、遇水劣化等特點(diǎn),因此需要針對(duì)此部分進(jìn)行滲透壓力監(jiān)測(cè),其監(jiān)測(cè)手段仍然采用滲壓計(jì),選用PYC3-1 和PZC3-1-1 兩種滲壓計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè),其中PYC3-1 安裝于26 號(hào)壩段（右岸）,PZC3-1-1 安裝于4號(hào)壩段（左岸）,根據(jù)檢測(cè)結(jié)果繪制滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)下的水位與上游水位變化趨勢(shì)圖,見圖5。

圖5 滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)下的水位與上游水位變化趨勢(shì)圖

從圖5 可以看出,PYC3-1 滲壓計(jì)水位隨時(shí)間的變化趨勢(shì)監(jiān)測(cè)到的4 號(hào)壩段水位線與上游水位變化趨勢(shì)大致相當(dāng),此結(jié)果表明壩基左岸壩基部位位置處的水流滲透較為活躍,上游水位與下游水位聯(lián)系能力較強(qiáng),因而使得分布于左岸的壩基的軟弱層可能為庫(kù)區(qū)水的滲透提供滲透通道,而導(dǎo)致左岸滲透壓力大的原因可能在于左岸壩基錯(cuò)動(dòng)帶與庫(kù)區(qū)水的連通能力較差,且針對(duì)左岸的滲控措施未能有效發(fā)揮到控滲作用,使得軟弱地層為左岸壩基滲透提供了一定的通道；PZC3-1-1滲壓計(jì)水位隨時(shí)間的變化趨勢(shì)與上游水位變化趨勢(shì)相關(guān)程度不如PYC3-1,但總體上仍然趨近一致,此結(jié)果表明左岸壩基的滲水能力較高,因此左岸軟弱層結(jié)構(gòu)可能為庫(kù)區(qū)水滲漏造成一定影響。

4.3 壩段滲流分析

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果,做出了如圖6 所示的折算后的17 號(hào)~19 號(hào)段壩基地下水分布圖。從圖中可以看出,對(duì)于帷幕前的折算水位,18 號(hào)壩段明顯低于17 號(hào)與19 號(hào)壩段,但灌漿廊道、基礎(chǔ)排水廊道等帷幕后的折算后水位又高于17號(hào)及19號(hào)壩段。此現(xiàn)象表明：18 號(hào)壩段的灌漿效果較17 號(hào)及19 號(hào)壩段的灌漿效果差,從而導(dǎo)致庫(kù)區(qū)水流經(jīng)防滲帷幕的薄弱處向外滲流,使得17 號(hào)和18 號(hào)壩段在蓄水前的各段滲流量相對(duì)較高。

圖6 折算后的17 號(hào)~19 號(hào)段壩基地下水分布圖

圖7 所示為蓄水前后的各壩段滲流量占比示意圖,從圖中可以看出,在蓄水前17 號(hào)壩段的滲流量最高,18 號(hào)壩段次之,但在蓄水后16 號(hào)壩段的滲流量最高,15 號(hào)壩段次之,兩個(gè)壩段的滲流總量占其余壩段的50%左右,此二者均相鄰于18 壩段,因此上述結(jié)果表明各壩段蓄水前后的滲流量與相鄰壩段較為密切。

圖7 蓄水前后的各壩段滲流量占比示意圖

5 結(jié)論

1）水庫(kù)上游水位與河床壩基總滲流量的相關(guān)性較為密切,變化趨勢(shì)大致相當(dāng),降雨量對(duì)河床壩基總滲流量影響較小,但左右岸滲流量與壩基總滲流量不同,表現(xiàn)為與降雨量呈現(xiàn)密切相關(guān)趨勢(shì)。

2）壩區(qū)的控滲系統(tǒng)主要通過壩基處設(shè)置排水孔的形式來(lái)降低水壓。

3）左岸壩基的滲水能力較高,因此左岸軟弱層結(jié)構(gòu)可能為庫(kù)區(qū)水滲漏造成一定影響,建議加強(qiáng)左岸壩基滲漏監(jiān)測(cè)。