官箐水库堆石混凝土重力坝渗流稳定分析_冯耿斌.pdf

89 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）官箐水库堆石混凝土重力坝渗流稳定分析冯耿斌（福建省水利水电工程局有限公司，福建 泉州 362000）摘 要：采用定性和定量方法对官箐水库堆石混凝土重力拦河坝坝基断层、防渗帷幕、坝体渗流及绕渗等监测资料展开分析，并结合监测结果构建起大坝渗流监测数据多因子回归统计模型，进行了相关系数及回归分析结果的计算。结果表明，水库拦河坝趾板及断层构造帷幕灌浆防渗效果较好；施工期间，大坝渗流和库水位为正相关关系，而蓄水后及运行期间大坝渗流主要受库水位和降雨量的共同影响，为保证拦河坝运行安全，应加强对既有测点和监测仪器的维护，确保其监测作用的顺利发挥。关键词：官箐水库；堆石混凝土重力坝；拦河坝；渗流；监测；分析中图分类号：TV139.1文献标识码：B0 引 言堆石混凝土重力坝在我国水库大坝中较为常见，但是其发生渗流破坏的可能性也较大，根据相关统计资料，因渗流而引发重力坝失事案例在水库大坝事故中占 25%左右。可见，加强堆石混凝土重力坝渗流监测，对于预防大坝发生渗流破坏，确保水库大坝安全运行意义重大。现有研究大多集中在坝体渗流特性分析、渗压变化规律、防渗帷幕阻水效果评价、混凝土面板应力监测等方面，对水库工程建设期、蓄水期及运行期内坝体坝基渗流连续监测及资料分析的研究较少。文章依托宣威市落水镇西北部紧风口村官箐水库，对该水库从施工期到蓄水运行期内的渗流监测资料展开分析，并构建起多因子回归模型展开重力拦河坝运行性态及渗流状况预测分析，以供类似工程借鉴参考。1 工程概况官箐水库位于宣威市落水镇西北部的紧风口村附近、北盘江上游左岸一级支流落水河的小支流官箐河上，属珠江流域西江水系。枢纽工程地理坐标：E1035750、N261246。水库坝址与宣威市相距约 24.0km，与落水镇相距 7.3km，乡村公路可直接抵达坝址河床。坝址以上控制流域面积 4.0km2，水库所在官箐河长 3.2km，河道平均坡降 15.5，多年平均径流深 461mm。官箐水库拦河坝按照 C15 堆石混凝土重力坝设计，坝顶长101.00m，宽 4.0m，最大坝高 35.0m。大坝为分缝重力坝，从左至右依次为左岸非溢流坝段、溢流坝坝段、右岸非溢流坝段。水库坝址左岸岸坡上部缓和下部陡峭，左岸岸坡自然稳定，无滑坡、崩塌等不良物理地质现象。2 拦河坝渗流监测设计该水库堆石混凝土重力拦河坝渗流监测项目主要包括坝体坝基渗流监测、防渗帷幕效果监测、断层渗流监测及绕坝渗流监测1。1）坝体坝基渗流监测时主要使用渗压计监测水库拦河坝坝基扬压力，在 0+045.00 桩号处设置监测断面，并分别在帷幕线前和帷幕线后依次布置 P1P3 三个测点。坝体并未设竖向排水孔，而在坝体基础灌浆廊道下游的排水沟内设置 1 排孔径110mm、孔距 3.0m 的排水孔。通过设置在坝基灌文章编号:1007-7596（2023）05-0001-04收稿日期 2022-03-11作者简介 冯耿斌（1988-），男，福建泉州人，工程师。DOI:10.14122/ki.hskj.2023.05.024 90 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）浆廊道出口排水沟内的量水堰监测河床短坝基、坝体渗流量；并采用钻孔埋设渗压计的方式监测拦河坝坝体浇筑层间渗流情况，SL1 和 SL2 两个监测断面分别布设在桩号 0+032.00 及 0+055.00 处，两个监测断面测点的设置情况详见图 1。2）为展开该混凝土趾板下帷幕防渗效果的监 测，在 桩 号 0+020.00、0+045.00、0+071.00、0+087.00、0+098.00 五 个 断 面 处 依 次 埋 设 5 支渗 压 计，标 号 为 HF1HF5，其 安 装 高 程 均 为1454.00m。排除部分因施工原因损坏的渗压计，目前 HF1、HF2、HF5 三支渗压计运行良好。3）结合该水库库区地勘报告，坝址区距离址板线 70m 处存在影响水库安全的断裂构造，为展开对该断层渗流情况及渗透压力的监测，在断层帷幕后方高程 1454.00m 处设置 2 支渗压计，编号为G1 和 G2。4）绕坝渗流监测：该水库绕坝渗流采用钻孔埋设法共布置 30 支 Gekon 公司所生产的 GK4500S型钢弦式渗压计，该型号渗压计设计量程分为0.35MPa、0.75MPa 和 1.00MPa 等；绕坝渗流监测渗压计用 Ri-j 表示（i 为绕渗孔序号，j 为孔内所埋设渗压计序号）。图 1 监测断面测点布置情况在安装渗压计之前必须拆下滤头，并将滤头和渗压计整体浸泡于水中 2h 以上，浸泡结束后在水中安装滤头，将渗压计留在水中待用。按照设计及规范要求将渗压计埋入浇筑层间后，还应将中粗砂填充至与上层渗压计埋设高程相距 1.5m 的位置，再将水泥砂浆缓慢注入孔内回填至上层渗压计埋设高程下方 30cm 位置。SL1 和 SL2 两个监测断面最上层测点渗压计埋设完成后，应在孔内填充中粗砂至1491.70m高程后注清水，通过坝顶混凝土封孔2。3 渗流监测资料分析渗流监测是掌握水工大坝渗流规律并判断大坝渗流状态的主要手段，通过渗流量大小及渗水的浑浊度展开大坝安全评价。官箐水库渗流监测主要包括坝体坝基、绕坝渗流、防渗帷幕、堆石混凝土浇筑层间等项目。3.1 渗流监测资料定性分析1）坝体坝基渗流监测。该水库于 2020 年4 月 20 日下闸蓄水，同年 9 月 10 日已经蓄水至1490.00m 的正常蓄水位，此期间 P1 测点渗压计最大最小测值分别为 13.745m 和 0.940m；P2 测点渗压计最大最小测值为 6.246m 和 0.478m；P3 测点渗压计最大最小测值为 8.872m 和 0.226m。根据监测结果，库水位变化对设置在帷幕线前的 P1 测点测值影响较大，而对设置在帷幕线后方的 P2、P3 测点测值影响并不大。水库蓄水过程中，量水堰所测得的最大最小渗流量分别为 0.041L/s 和 0.001L/s，测值较小。该水库施工过程中坝体存在一定的超静孔隙水压力，坝体内超静孔隙水压力对坝体下游稳定性无影响，孔隙水压力在水库蓄水后便转变成渗流压力3。2）防渗帷幕效果监测。防渗帷幕是堆石混凝土重力拦河坝的重要阻水屏障，对大坝安全运行十分重要。根据监测结果，2019 年 12 月前水库建设期间，HF1 和 HF5 测值较为稳定，但临近上游侧的 HF2 监测结果波动较大，结合大坝运行实际，引起这种现象的原因在于基坑回填及持续降雨使库水位升高，渗漏压力大幅增加。水库于 2020 年 4月 20 日下闸蓄水期间，渗压计测值也呈现出增大趋势，因 HF2 渗压计设置在上游侧接近坝体中间的位置，库水位升高对其监测结果影响较大，故其测值明显高出其余两个渗压计；HF2 渗压计监测结果最大达 260kPa。此后，库水位因导流洞封堵而上涨，测值增大，同年 6 月以后趋于稳定，渗压计监测结果也基本保持在 250kPa。3）断层渗流监测分析。根据测点设置情况、监测成果以及断层构造处渗透压力和库水位变化趋势，G1、G2 两个测点渗透压力变动趋势较为一致。水库堆石混凝土重力拦河坝施工期间因水雨情监测系统不完善，根据已有人工记录来看，降雨量对断层构造渗透压力影响较大。2018 年 9 月 24 日强降雨后，2 支渗压计渗透压力分别达到 60.23kPa 和 91 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）36.42kPa；降雨结束后渗透压力随之降低；2020 年4 月水库蓄水后渗透压力值开始增大，此后便趋于稳定。高水位情况下，渗透压力监测结果均较大，此后随库水位的下降渗透压力也逐渐回归正常，充分表明该断层构造处防渗帷幕具有较好的防渗效果和渗透性态4。4）绕坝渗流监测结果。各个绕渗孔内渗压计2021 年 9 月压力监测结果显示，官箐水库堆石混凝土重力拦河坝左坝肩 R12、R13、R15 测点渗压计水位过程线和压力过程线均存在一定幅度的波动，且随着库水位的升高，水位及压力监测结果均较大，这表明左坝肩可能存在库区 R15 R12 R13测点下游的绕渗通道。而右岸底部绕渗测点所测得的水位和压力均较低，中上部测点渗压计监测结果反而较高，表明在右岸内部存在完成的隔水带，绕坝渗流也不明显。3.2 渗流监测资料定量分析对于该水库堆石混凝土重力拦河坝渗流而言，不同测点渗压水位与降雨量、库水位、观测时间等有关。库水位变化对不同区域的作用时间和影响程度不尽相同，且存在一定滞后效应。结合堆石混凝土重力坝渗流理论，以降雨量、库水位和观测时间为影响因子，构建重力坝渗压水位统计模型，表示如下：()22011211ln 1iiURtiiiiHHHHhb pctct=+=+式中：H 为堆石混凝土重力坝渗压水位，m；211iUiiHh=为库水位分量；21iRiiHb p=为降雨分量；()12ln 1tHctct=+为观测时效分量；0为常数项；i为库水位因子回归系数；1h为库水位，m；ib为降雨因子回归系数；p为降雨量，mm；1c、2c为观测时效因子回归系数；t为观测时间因素，指观测日开始至计算日的间隔天数，d。结合官箐水库堆石混凝土重力拦河坝渗流监测数据，构建起多因素回归模型后展开影响情况及变动趋势回归分析，结果如表 1 所示，限于篇幅，P4P11 测点以及部分绕坝渗流测点统计分析结果并未列出。根据回归分析结果，断层构造、防渗帷幕、坝体坝基渗流监测、绕坝渗流监测断面测点统计模型相关系数均在 0.900 以上，表明，所构建起的回归模型拟合效果较好，方程精确度也较高，能较好体现出官箐水库堆石混凝土重力拦河坝渗流实际。根据表中回归分析结果还可以看出，库水位因子堆拦河坝渗压水位影响较大，降雨量次之，观测时间最小；拦河坝渗压水位和库水位、降雨量之间呈较好的正相关关系。渗流监测资料定量分析结果与监测结果基本吻合，根据该统计模型，还可以展开渗流水头的合理预测5。表 1 水库堆石混凝土重力拦河坝渗流监测统计模型回归分析结果项目测点012b1b2c1c2相关系数坝体坝基渗流监测P18.2970.6740.000-0.3210.4520.3680.2540.985P2-20.9420.721-0.0020.5830.000-0.1860.3270.961P3-19.0960.643-0.0030.0000.358-0.1620.4420.948防渗帷幕效果监测HF1-11.8570.723-0.0650.6590.0040.197-0.5520.978HF2-36.0940.872-0.0080.5230.0000.569-0.2980.964HF531.554-0.8160.1710.3240.1050.3680.0500.964断层渗流监测G1-21.6120.671-0.096-0.5230.000-0.1380.2790.946G2-24.8930.654-0.1080.4970.023-0.1570.3760.957绕坝渗流监测R12-10.3740.7410.000-0.2680.3520.3600.4130.956R1324.3620.6680.0030.6270.341-0.1690.2730.937R1530.331-7.9640.0750.229-0.3760.2180.3250.9734 结 论根据对官箐水库堆石混凝土重力拦河坝施工期、蓄水期及运行期间监测结果的分析可以看出，拦河坝渗流性态基本正常，帷幕灌浆防渗效果良好，坝体坝基均无异常渗流和绕渗。施工期间拦河坝坝体渗流压力主要来自降雨，蓄水后降雨和库水位成为影响渗流的主要方面，且蓄水期间，坝体渗流最大最小监测值依次为 0.041L/s 和 0.001L/s，测值较 92 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）小，最后趋于稳定；重力拦河坝混凝土浇筑层间胶结状态较好，水库运行正常。参考文献：1 冯亚新，王润英，孙丹，等.深厚覆盖层上面板堆石坝渗流敏感性分析 J.中国农村水利水电:1-15.2 朱利平，李翔.某沥青混凝土心墙堆石坝安全监测设计 J.工程质量，2022，40(07):56-59.3 房清清.基于三维有限元堆石坝渗流稳定性分析 J.水电站机电技术，2022，45(06):103-105.4 何涛洪，曾旭，张全意，张文胜.万家沟水库坝体自身防渗堆石混凝土重力坝渗流监测与分析 J.红水河，2022，41(01):34-38，49.5 宋志荣.某混凝土面板堆石坝数值模拟与监测分析 J.广东水利水电，2021(08):44-49.并最终产生破坏。冻融循环与自然浸泡、干湿循环的侵蚀机理不同，水工混凝土以物理侵蚀为主。在饱和溶液中混凝土受到短时间冻融作用会形成较大的温度应力、膨胀应力，混凝土成型时就存在的裂缝在冻融产生的胀缩应力作用下，其裂缝宽度不断加大，原本未贯通的通道、孔隙、裂纹在内外力作用下逐渐连通，混凝土表面的细骨料和凝胶不断流失，粗骨料裸露，表面开裂、剥落，使其耐久性能明显降低。3 结 论1）不同粉煤灰掺量及水胶比混凝土耐久性具有一定差异，掺 20%粉煤灰、水胶比最大的混凝土耐久性最优。侵蚀环境不同，对水工混凝土的作用机理具有一定差异，自然浸泡、冻融循环条件下以化学腐蚀和物理侵蚀为主，在硫酸盐溶液中进行干湿循环会引起一系列物理化学反应，混凝土耐久性随侵蚀时间的延长逐渐劣化至破坏。2）渗入混凝土内部的硫酸根离子会与水化产物反应生成石膏，而内部的水化硅酸钙凝胶(主要起胶结作用)与石膏继续反应生成钙矾石晶体(具有膨胀作用)，产生膨胀压力；另外，浅层处及表面水分在短暂的时间内被带走，未参与反应的硫酸盐及已经生成的石膏结晶析出，混凝土表现出现结晶压力，导致裂缝变宽加深。3）对评价侵蚀条件下水工混凝土耐久性能相对动弹模量参数和相对质量参数具有较强适用性与可靠性。参考文献：1 严福章，于国明，胡瑾，等混凝土的抗压强度和抗硫酸盐侵蚀性能的正交试验研究 J混凝土，2015(03):34-372 曹秀丽，曹志翔，喻骁冻融循环对混凝土质量损失及相对动弹模量影响的试验研究 J铁道建筑，2013(03):125-1273 韩铁林，师俊平，陈蕴生砂岩在化学腐蚀和冻融循环共同作用下力学特征劣化的试验研究 J水利学报2016，47(05):644-6554 麻海燕，孙伟，张建业大掺量矿物掺合料混凝土在氯盐、硫酸盐及其复合溶液中的抗冻性 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