黄岗水库主坝渗流异常原因分析与处理建议_蔡伟红.pdf

收稿日期:2022 08 26黄岗水库主坝渗流异常原因分析与处理建议蔡伟红(厦门连宋水利电力勘察设计有限公司，福建 厦门361001)摘要:渗流监测是土石坝安全监测的关键监测项目，配合库水位、降雨量及渗流量等数据，能较直观反映大坝渗流安全性态。该文通过库水位、降雨量、测压管水位及渗流量等监测数据分析黄岗水库主坝渗流异常原因，据此提出处理建议，供参考。关键词:渗流监测;测压管;绕坝渗漏;均质土坝中图分类号:TV698.12文献标识码:B文章编号:1002 3011(2023)01 0072 041工程概况黄岗水库位于龙岩市新罗区红坊镇北洋村、九龙江北溪支流雁石溪上游红坊溪，是一座以防洪、供水和灌溉为主的重要中型水库。水库总库容2 884万 m3，坝址以上集雨面积 47 km2，主河道长 19.1km，坡降 35，多年平均径流深 1 127.2 mm，径流系数 0.61。水库枢纽由主坝、副坝、溢洪道和放水系统等建筑物组成。洪水标准为 100 年一遇设计，2 000 年一遇校核。正常蓄水位 457.00 m，设计洪水位457.98 m，校核洪水位459.34 m。工程于1971年 12 月动工，1974 年 12 月基本完成，1981 年保坝加固工程完工。2004 年 12 月 26 日 2005 年 7 月 4日采用劈裂灌浆结合高压摆喷进行主坝防渗加固。黄岗水库主坝为均质土坝，最大横剖面见图 1。坝顶高程462.00 m，长115 m，宽7.9 m，最大坝高47 m，防浪墙顶高程 462.90 m。迎水坡高程 432.26m 处设有宽 1.5 m 马道;背水坡高程 449.00 m 和427.81 m 处设有马道，宽度分别为 1 m 和 2 m。2坝址地质条件2.1地层岩性根据前期及本次地质勘察成果，黄岗水库坝体坝址区岩土体自上而下分述如下:(1)填筑土(Qs4)。第四系人工堆填，褐黄色、浅黄色，可塑 硬塑，主要由山体附近的残坡积土及全风化岩堆填碾压而成。坝体纵断面方向人工填土厚度由坝中部向两侧变薄，底板近似“V”型，钻探揭露的最大厚度位于主坝坝体中部 ZK21 钻孔处，厚 55.53 m。(2)全风化石英砂砾岩(D3tz)。褐黄色、深黄色，可塑 硬塑，饱和，岩石全部风化变色，组织结构完全破坏，除石英颗粒外，其余矿物大部分风化蚀变成次生矿物，岩体完整程度为极破碎，遇水易软化、崩解，整体呈砂质黏性土性状。该层分布于河床两岸坝基，左岸厚度较小，右岸埋藏相对深厚，实测标贯击数 32 39 击。(3)弱风化石英砂砾岩(D3tz)。灰白色、灰褐图 1主坝最大横剖面图272023 年第 1 期水 利 科 技色，中粗粒砂砾结构，块状构造。岩石节理裂隙较发育，面有铁锰质渲染。岩质坚硬，岩芯呈短柱状 柱状，岩芯采取率 76%93%，岩石质量指标RQD 值为 43%57%。岩体总体较完整，局部较破碎，广泛分布在坝址范围内。2.2地质构造坝址基岩岩性为泥盆系桃子坑组(D3tz)石英砂砾岩夹千枚状粉砂岩，岩层产状左岸 N20 40E，SE25 40，倾下游偏河床;右岸 N20 75E，SEN30 40，倾山里偏下游。石英砂砾岩为厚层 巨厚层状，呈弱风化状。千枚状粉砂岩为薄层状，浅紫色、紫红色，呈弱风化状。辉绿岩脉1(见图 2)产状 N35 10W，NE80 85，宽 10 12 m，从坝址上游斜穿左岸。沿辉绿岩脉风化剧烈，全风化层厚 15 30 m。坝址区地质构造以断裂构造为主，一共发现 29条断层，走向分为近 E W、N15 60W 和 N5 55E 等 3 组，分别以 F27、F10 和 F29 断层为代表，影响大坝渗流稳定的主要断层为 F10 与 F27(见图2)。F10 产状 N50 60W，SW75 80，斜切左坝肩，宽 1.0 1.5 m，充填碎裂岩，地表风化成土状，上、下盘岩体较完整。F27 产状 EW，N85，顺河床发育，断层带宽5 m，影响带宽2 m，断裂带充填碎裂岩、断层角砾岩和断层泥，上盘为风化破碎的辉绿岩，宽10 12 m，下盘面见擦痕。弱透水图 2坝址工程地质及测压管分布示意图层顶板高程 398 380 m，埋藏于河床基面以下 14 32 m。大坝施工时只清基至 405 m 高程，坝基下存在厚 7 15 m 的强透水层未处理。根据原注水试验成果和 F27 断层规模及上下游水位差计算，沿 F27断层带渗漏量约为 291.5 m3/d。3渗流稳定计算渗流稳定计算选用主坝最大坝高断面，计算软件采用河海大学有限元计算软件 Autobank7.0，计算参数采用 2022 年地质勘察报告与 2014 年 福建省龙岩市黄岗水库大坝安全评价工程地质勘察报告的土工试验成果，计算成果见表 1，校核洪水工况浸润线和水头等值线见图 3。表 1主坝渗流稳定计算成果工况上游水位/m下游水位/m计算 J J单宽渗流量/(m3/(dm)正常蓄水位457.00416.320.330.490.28设计洪水位457.98416.320.390.490.30校核洪水位459.34416.320.460.490.331/3 坝高水位432.50416.320.0340.490.31死水位428.00416.320.0210.490.15校核洪水位骤降至正常蓄水位459.34457.00416.320.110.49/正常蓄水位骤降至堰顶457.00452.00416.320.120.49/图 3校核洪水工况浸润线和水头等值线图37水 利 科 技2023 年第 1 期4渗流监测数据分析渗流监测是土石坝安全监测关键监测项目。黄岗水库主坝渗流监测采用测压管，设置 和 两个监测断面，各埋设 4 根测压管，分别位于坝顶路面上游侧(1 根)、背水坡第一道马道上游侧(1 根)、第一道马道与第二道马道之间(2 根)，如图 2 所示。渗流量监测采用量水堰，位于坝后集水坑末端，距离坝脚约 20 m。黄岗水库主坝渗流监测数据系列较长，数据较可靠。本次对1992 年 8 月 24日 2020 年12 月31 日共29 年358 组测压管监测数据和 2015 年 3 月 18 日 2020 年 12 月 31 日共 6 年2 116天降雨量与渗流量监测数据进行分析。整理两个测压管水位，绘成趋势图，结果见图4。从图 4 看，防渗加固后，2、2 测压管水位变化幅度变小，水位趋于稳定;4、4测压管水位高于 3、3 的情况仍然存在。由此推断坝轴线防渗措施提高了坝体抗渗能力，减小了坝体渗流量;I 4、4 测压管水位异常与坝体渗流没关系，存在其他渗漏通道。(a)防渗加固前断面(b)防渗加固后断面(c)防渗加固前断面(d)防渗加固后断面图 4测压管水位规律图整理量水堰渗流量监测值，结果见表 2。从表 2看，年渗流量监测值受年降雨量影响明显，这是因为量水堰渗流量监测值还包括降雨形成的地表和地下径流，此外，年渗流量监测值还受库水位影响。如:2019 年年降雨量远大于 2017 年，但 2017 年库水位受 2016 年丰水年降雨量影响，普遍高于 2019年库水位，导致 2017 年渗流量监测值大于 2019 年。多年渗流量监测值远大于坝体渗流量理论值，甚至枯水年(2018 年)年渗流量监测值是理论值的 10倍左右，可能存在其他渗漏通道。表 2量水堰渗流量年际变化年份201520162017201820192020年降雨量/mm2 0012 7081 5771 3382 2251 630库水位变化范围/m428.20 457.24436.98 456.92444.69 455.25436.60 445.47433.28 456.71442.39 450.80坝体渗流量监测值/万 m315.0118.4814.245.968.006.26坝体渗流量理论值/万 m30.664 3注:2015 年数据不足 1 年、2016 年旧涵洞放水影响，这两年监测渗流量采用有效数值平均值换算;理论计算的坝体渗流量取正常蓄水位单宽渗流量乘以迎水面平均宽度 65 m，按 365 天计算。为排除降雨对坝体年渗流量监测值的影响，剔除施测当日或前 3 天发生较大降雨的数据，选出同时具有 、监测断面数据系列。以 2015年 8 月 25 日监测数据为典型，与理论计算浸润线进行对比，结果见图 5。从图 5 看，实测浸润线明显高于理论计算浸润线，但尚未超过反滤层顶高程，渗流性态基本安全。5渗流异常原因分析(1)引水管道漏水可能性分析。3 与 4测压管临近左岸引水管道，有可能因引水管道漏水引起测压管数据异常。2002 年 10 月，黄岗水库大坝应急除险加固将引水系统进水口移至右岸，弃用左岸引水管道。关闸后引水管道仍漏水，影响大坝安全，因而进行封堵。为与劈裂灌浆形成的防渗体闭合，引水管道封堵范围为管道进口至坝轴线，长117 m。封堵采用从开孔处架设支架输送喷射混凝土浇筑和回填灌浆，施工方案可行，施工质量合格，封堵后未发现漏水。综上判断，3 与 4 测压管水位异常与左岸引水管道无关。(2)顺河断层F27和全风化岩脉渗漏可能性分472023 年第 1 期水 利 科 技图 52015 年 8 月 15 日实测与理论计算浸润线对比图析。从图 2 可见，2、3 及 4 测压管基本沿 F27 断层布置，实测水位高出理论计算值较多。建坝时，坝基处理仅清除 F27 断层上部破碎部分，未对断层下部及沿辉绿岩脉分布的全风化岩层进行防渗处理。除险加固时，坝体与坝基接触面采用高压摆喷灌浆，仅能解决接触渗漏问题，对全风化岩层有一定的增强防渗作用，但无法解决断层渗漏问题。从建坝和除险加固时的坝基防渗处理可见，坝基防渗措施不到位，推断顺河断层 F27 和全风化岩脉发生渗漏，导致 2、3 及 4 测压管水位高于理论计算值。(3)左坝肩绕坝渗漏1 可能性分析。大坝安全鉴定左坝肩钻探 2 个孔位，分别为钻孔 ZK23 和钻孔 ZK24(见图 2)。钻孔 ZK23 在孔深 19.2 m(高程 442.80 m)以上 3 段压水试验，透水率从上到下分别为 17.47 Lu、5.95 Lu 和 89.80 Lu;孔深 16.8m(高程 445.20 m)处，沿断层带 F10 漏水严重，出现干孔现象;随后压水测出的地下水位和终孔地下水位停留在孔深 16.8 m 附近;孔深 19.2 m 以下透水率均小于 3 Lu。钻孔 ZK24 布置在左岸山脊，孔口高程 502.48 m，高程 440.48 m(相应库水位452.00 m)以上部分漏水严重，出现无回水、干孔现象;高程 459.80 444.68 m 的 3 段压水试验，透水率从上到下分别为 34.40 Lu、38.56 Lu 和 35.20Lu;高程 444.68 431.6 m 的 3 段压水试验，透水率分别为 8.44 Lu、6.50 Lu 和 3.00 Lu;终孔地下水水位 442.60 m，低于实时相应的库水位 452.00m。由上可见，左坝肩为卸荷岩体2，上部岩层断层、裂隙发育，渗透系数很大，地下水位基本稳定在 442.60 444.68 m。建坝和除险加固时均未对左坝肩进行防渗处理，可以判定左坝肩存在绕坝渗漏。从图 2 看，4 测压管靠近 F10 断层，推断 F10断层统揽左坝肩渗漏通道，汇集坝肩渗流，在地势低洼处渗出，影响 4 测压管水位，造成 4 测压管水位高于 3 的异常情况。综上，量水堰渗流量监测值超过理论计算值很多，判定除坝体渗漏外，还存在其他渗漏通道。左岸引水管道封堵效果良好，不会发生漏水，不影响渗流量监测值。坝基防渗措施不到位，推断顺河断层 F27 及全风化岩层发生坝基渗漏，造成 断面浸润线偏高现象。左坝肩存在绕坝渗漏通道，库水通过 F10 断层排出，影响 4 测压管水位，造成 4 测压管水位高于 3 的异常情况。6处理建议黄岗水库主坝实测浸润线较高，出逸点未超过反滤层顶部高程，渗流性态基本安全，但渗流存在异常。根据渗流异常原因分析结论，建议采取以下措施进行处理:对坝基和左坝肩进行防渗处理;加强左坝肩坡面排水，降低地表或浅层潜水对背水坡渗流稳定影响;采取有效措施加强坝体排水，降低浸润线和逸出点高程;密切关注大坝渗流性态的异常变化，必要时采取应急处理。参考文献 1 张国祥，周克发，黄海兵.那吉航运枢纽绕坝渗流监测资料初步分析 J.人民珠江，2013，34(6):74 76.2 赵正鹏，江霄，王假.某水电站右坝肩卸荷岩体绕坝渗流分析研究J.陕西水利，2019(4):8 13.作者简介:蔡伟红(1983 )，男，福建厦门人，工程师，从事水利工程设计工作。57水 利 科 技2023 年第 1 期