黄壁庄水库主坝坝基渗流分析

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1.1工程概况

    黄壁庄水库位于河北省省会石家庄市西北30 km滹沱河干流上，总库容12.1亿m3，设计水位127.6 m，正常蓄水位120.0 m。主坝工程于1958年始建，1959年拦洪，经历了1963年大洪水，1968年完成坝顶高程由125m扩建到128.7 m。主坝位于马鞍山脚下，南端自正常溢洪道左边墩起，北跨过滹沱河河床与非常溢洪道右边墩相接，主坝全长1843 m，最大坝高30.7 m，为水中倒土均质坝。     1.2工程地质概况     主坝工程桩号由0+156.038～1+999.076，兼跨了马鞍山残丘、一级阶地、河床、二级阶地四个地貌单元。     河床右岸，0+156～0+300为一级阶地，有3.0m厚的红土层，基岩为大理石千枚岩及其互层，大理岩千枚岩溶蚀严重。     桩号0+300～1+000为河床部分，河床高程为100m，基岩为太古时代前震旦纪矽化灰岩与千枚岩互层及千枚岩与大理岩互层。基岩以上为砂卵石、砂砾石及砂层，覆盖层厚7～16m。     河床左岸，1+000～1+999范围内为二级阶地，标高为117～125m，基岩为千枚岩、大理岩，上覆红土卵石，厚约5m，表层为亚砂土及亚粘土。     1.3主坝防渗措施     主坝坝体上游河床部分填筑有粘土铺盖，长180m，厚1～3m，与坝脚相接，坝下游坡脚筑有排水沟两道，一道排除坝面雨水，一道排除坝基渗流，均流入下游滹沱河河河槽。河床段0+450～0+989下游坝脚为褥垫排水，其基础与天然地基粗砂层相接，河床右岸坝轴线下游设有部分水平排水砂垫层，左岸坝轴线下游设有排水砂带。     1.4坝基渗流观测设施布置     主坝共设置7个坝基渗流观测断面，分别为0+258、0+450、0+705、0+850、1+050、1+200、1+400，共计26根测压管。     2、主坝地下水动态分析     从主坝地下水等水位线（库水位119.0m）可看出，主坝地下水动态与各段地基的水文地质条件关系十分密切，总的来看是上游地下水位高，下游地下水位低，两端地下水位高，中间地下水位低，但两端并不对称，各段地下水位在本段内亦有不同的变化。（见下图） 河床部分，上下游地下水位差别不大，一般为1～3m，右边地下水位高，左边地下水位低，但水位差一般不足2m，从历年测压管水位与库水位过程线可看出，管水位变化与库水位关系密切，随库水位升降十分明显。滞后时间仅两天左右或不足一天，且管水位的升降幅度不大。一般靠上游的测压管水位升降值不足2 m，下游测压管水位升降值不足1 m，靠近排水沟的测压管在褥垫排水带内，其水位变化更小。     左岸1+000以北的二级阶地，其地下水位与河床部分有很大差别，以1+200为中心，地下水位向两侧缓降，接近河床部分陡降。如1+200断面的24＃管，在坝轴线上游12.25 m，当库水位119.2 m，管水位达118.56 m，而河床相同轴线上的11＃管水位仅为101.13 m，两管水位相差17.43 m。测压管滞后时间大多在30天以上。总的看来，二级阶地地下水对库水位的变化反应迟缓一些，这与其岩层透水性弱的地质条件相适应。     右岸桩号0+300以南，坝基地下水位亦高于河床段但低于左岸。如库水位119.0m以上时，0+258断面坝轴线下游18.9 m的1＃管水位，较河床段相同位置的12＃管水位高6m左右。     河床段0+450断面，上游距坝轴线12.25m的5＃测压管水位有异常变化，发现每当库水位上升到118.0左右时，管水位均有一次突变现象，升高4m左右，每次库水位产生的突变并不完全一致，突变后与库水位建立的相关关系、规律性较差，但与库水位升降速度关系很大。当库水位下降较快时，管水位随之降到原相关曲线上；库水位下降较慢时，则管水位较缓慢的回到原相关曲线的位置。分析管水位突变的原因，可能是在117.0m以上坝体有裂缝，库水位较高时，库水沿管壁渗入管内，使管水位升高。理由是5＃测压管在坝体上游护坡上，管口高程为120.84m，管身入坝体土面高程为118.5 m。当库水位118.0 m时，坝体土已很薄，管身与土体结合不良时，渗水沿管壁渗入是可能的；再者，当库水位下降时，管水位下降有个滞后时间，反应出的相关关系呈直线下降，然而，当库水位缓慢下降时，则管水位就不再随库水位缓慢下降，反而又回到原来的相关关系曲线上。与5＃管同一断面上的测压管和两侧相邻断面相同位置上的测压管均无异常现象，因此5＃管的管水位异常反应是孤立的，需进一步分析研究。     3、坝基测压管水位与库水位的相关关系     为了弄清库水位与坝基各断面测压管水位的相互关系，进而由实测资料推测未来高水位时坝基渗流的情况。利用已有实测观测资料，选取有代表性的数个相对稳定的库水位情况下的相应管水位，利用微机采用数理统计的方法，将以上选取的实测数据进行回归直线计算，得出每个观测孔的库水位与管水位之间的表达式，并利用这个线性表达式，预测124.0 m、126.1 m、127.6m高库水位时各断面的管水位值.     3.1历年不同稳定库水位的选取　　     自历年内选取有代表性的数个库水位，并要求在此库水位左右稳定5天以上，即认为稳定在此水位     3.2历年不同库水位情况下各测压管水位的选取     依据不同稳定库水位，选取管水位，在同一断面选取同一天测得的管水位值，不考虑因轴距影响造成的滞后时间，历年最高、最低库水位时的管水位，取其与之相对应的最高、最低管水位值，其它管水位值选取库水位上升的情况，这样滞后时间较为一致，同时运用中采取库水位上升的过程。     3.3预测高库水位时各断面测压管水位     将预测库水位值直接代入回归方程式h=a+b*H中，(h预测测压管水位值；a常数项；b回归系数；H库水位)，即可得出相应的预测管水位值，通过回归分析计算，相关系数在α=0.01水平上显著相关，大多在0.80左右。     4、主坝坝基渗流稳定计算成果分析     对于建筑在强透水地基上的土坝，由于坝体填土的渗透系数与强透水层的渗透系数相差很大，故坝基地下水为渗流分析的主要因素，坝体可视为相对不透水部分，人工铺盖因其厚度很小且较长，仍然视为透水部分。为确定各地段坝基的透水压力分布情况，及其对坝基和坝体的影响，渗流分析时采用实测资料分析计算。主要内容有：库水位118.0 m及高于118.0 m和预测高库水位124.0 m、126.1 m、127.6m时，各断面坝基水平渗透坡降及出逸比降、铺盖有效长度、铺盖末端入渗比降、坝基渗透流量估算等。     4.1坝基水平渗透坡降及出逸比降     主坝河床段坝基地层特点自上而下分别为土、砂、砂砾、砂卵石层，设计坝基允许渗透坡降值为0.1。当库水位为118.0 m和超过118.0m时，利用实测资料计算得出，河床段最大水平渗透坡降为0.0312，远小于设计允许值。预测库水位127.6 m的最大坝基水平坡降也仅为0.037，满足工程安全运用要求。且除0+850断面出逸外，其它断面均不出逸，最大出逸比降为0.1765，小于临界出逸比降。因此，主坝河床段在高水位作用下，地基岩层层间接触冲刷、流失的可能性不大，不会产生出逸变形。     主坝的左右两端，坝基渗透性及入渗条件都较差，下游排泄条件也差。在实测资料计算中，坝基水平渗透比降最大为0.0507，比河床段平均高0.02～0.03，即使在预测库水位127.6 m时，水平渗透坡降最大为0.077，亦满足设计要求。     4.2上游铺盖入渗比降     在计算上游铺盖入渗比降时，其土层厚度仅考虑了天然土层及人工铺盖层，未计天然淤积，并依其渗透系数进行了化引厚度计算。当库水位118.0和高于118.0 m时，坝前铺盖入渗比降均小于3.0，预测127.6 m水位时，铺盖入渗比降最大为3.925。鉴于主坝河床坝基地层为良好的天然反滤层，具有良好的抗渗条件，预测在此入渗比降作用下，地基不致发生破坏。但在高库水位时，应加强监测。     4.3坝基渗流量     主坝主要的透水层为河床部分的砂卵石、砂砾石，故此次只对河床段坝基进行渗流量估算。从实测资料计算看，当库水位118.0 m或高于118.0 m时，坝基渗流量估算值均小于0.19 m3/s，在设计水位127.6 m时，坝基渗流量也很小为0.232 m3/s，对坝基影响不大。由此可知，主坝的水平防渗铺盖虽然未进行过人工补强，但经过40余年的运行，泥砂的淤积，对水平铺盖自然形成了良好地补强，河床段坝基渗流量一直较稳定且趋于安全。     由实测观测资料计算的渗流分析各项成果得出，主坝坝基各项渗流稳定计算成果均满足设计要求，即使在库水位127.6 m时，各项渗流计算成果亦满足或接近设计要求。     5、结束语     通过对主坝坝基测压管观测资料分析，认为主坝工程经过多年的运行，坝基防渗性能有效；坝基渗流是稳定的且趋于安全。即使在设计水位下，坝基基岩亦不会发生冲刷、流失等破坏现象。但考虑到左端1+200处地下水位较高，需对上游水平铺盖进行加固补强等防渗措施。