黃壁莊水庫(kù)主壩壩基滲流分析

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1.1工程概況

    黃壁莊水庫(kù)位于河北省省會(huì)石家莊市西北30 km滹沱河干流上，總庫(kù)容12.1億m3，設(shè)計(jì)水位127.6 m，正常蓄水位120.0 m。主壩工程于1958年始建，1959年攔洪，經(jīng)歷了1963年大洪水，1968年完成壩頂高程由125m擴(kuò)建到128.7 m。主壩位于馬鞍山腳下，南端自正常溢洪道左邊墩起，北跨過(guò)滹沱河河床與非常溢洪道右邊墩相接，主壩全長(zhǎng)1843 m，最大壩高30.7 m，為水中倒土均質(zhì)壩。     1.2工程地質(zhì)概況     主壩工程樁號(hào)由0+156.038～1+999.076，兼跨了馬鞍山殘丘、一級(jí)階地、河床、二級(jí)階地四個(gè)地貌單元。     河床右岸，0+156～0+300為一級(jí)階地，有3.0m厚的紅土層，基巖為大理石千枚巖及其互層，大理巖千枚巖溶蝕嚴(yán)重。     樁號(hào)0+300～1+000為河床部分，河床高程為100m，基巖為太古時(shí)代前震旦紀(jì)矽化灰?guī)r與千枚巖互層及千枚巖與大理巖互層?；鶐r以上為砂卵石、砂礫石及砂層，覆蓋層厚7～16m。     河床左岸，1+000～1+999范圍內(nèi)為二級(jí)階地，標(biāo)高為117～125m，基巖為千枚巖、大理巖，上覆紅土卵石，厚約5m，表層為亞砂土及亞粘土。     1.3主壩防滲措施     主壩壩體上游河床部分填筑有粘土鋪蓋，長(zhǎng)180m，厚1～3m，與壩腳相接，壩下游坡腳筑有排水溝兩道，一道排除壩面雨水，一道排除壩基滲流，均流入下游滹沱河河河槽。河床段0+450～0+989下游壩腳為褥墊排水，其基礎(chǔ)與天然地基粗砂層相接，河床右岸壩軸線下游設(shè)有部分水平排水砂墊層，左岸壩軸線下游設(shè)有排水砂帶。     1.4壩基滲流觀測(cè)設(shè)施布置     主壩共設(shè)置7個(gè)壩基滲流觀測(cè)斷面，分別為0+258、0+450、0+705、0+850、1+050、1+200、1+400，共計(jì)26根測(cè)壓管。     2、主壩地下水動(dòng)態(tài)分析     從主壩地下水等水位線（庫(kù)水位119.0m）可看出，主壩地下水動(dòng)態(tài)與各段地基的水文地質(zhì)條件關(guān)系十分密切，總的來(lái)看是上游地下水位高，下游地下水位低，兩端地下水位高，中間地下水位低，但兩端并不對(duì)稱，各段地下水位在本段內(nèi)亦有不同的變化。（見(jiàn)下圖） 河床部分，上下游地下水位差別不大，一般為1～3m，右邊地下水位高，左邊地下水位低，但水位差一般不足2m，從歷年測(cè)壓管水位與庫(kù)水位過(guò)程線可看出，管水位變化與庫(kù)水位關(guān)系密切，隨庫(kù)水位升降十分明顯。滯后時(shí)間僅兩天左右或不足一天，且管水位的升降幅度不大。一般靠上游的測(cè)壓管水位升降值不足2 m，下游測(cè)壓管水位升降值不足1 m，靠近排水溝的測(cè)壓管在褥墊排水帶內(nèi)，其水位變化更小。     左岸1+000以北的二級(jí)階地，其地下水位與河床部分有很大差別，以1+200為中心，地下水位向兩側(cè)緩降，接近河床部分陡降。如1+200斷面的24＃管，在壩軸線上游12.25 m，當(dāng)庫(kù)水位119.2 m，管水位達(dá)118.56 m，而河床相同軸線上的11＃管水位僅為101.13 m，兩管水位相差17.43 m。測(cè)壓管滯后時(shí)間大多在30天以上。總的看來(lái)，二級(jí)階地地下水對(duì)庫(kù)水位的變化反應(yīng)遲緩一些，這與其巖層透水性弱的地質(zhì)條件相適應(yīng)。     右岸樁號(hào)0+300以南，壩基地下水位亦高于河床段但低于左岸。如庫(kù)水位119.0m以上時(shí)，0+258斷面壩軸線下游18.9 m的1＃管水位，較河床段相同位置的12＃管水位高6m左右。     河床段0+450斷面，上游距壩軸線12.25m的5＃測(cè)壓管水位有異常變化，發(fā)現(xiàn)每當(dāng)庫(kù)水位上升到118.0左右時(shí)，管水位均有一次突變現(xiàn)象，升高4m左右，每次庫(kù)水位產(chǎn)生的突變并不完全一致，突變后與庫(kù)水位建立的相關(guān)關(guān)系、規(guī)律性較差，但與庫(kù)水位升降速度關(guān)系很大。當(dāng)庫(kù)水位下降較快時(shí)，管水位隨之降到原相關(guān)曲線上；庫(kù)水位下降較慢時(shí)，則管水位較緩慢的回到原相關(guān)曲線的位置。分析管水位突變的原因，可能是在117.0m以上壩體有裂縫，庫(kù)水位較高時(shí)，庫(kù)水沿管壁滲入管內(nèi)，使管水位升高。理由是5＃測(cè)壓管在壩體上游護(hù)坡上，管口高程為120.84m，管身入壩體土面高程為118.5 m。當(dāng)庫(kù)水位118.0 m時(shí)，壩體土已很薄，管身與土體結(jié)合不良時(shí)，滲水沿管壁滲入是可能的；再者，當(dāng)庫(kù)水位下降時(shí)，管水位下降有個(gè)滯后時(shí)間，反應(yīng)出的相關(guān)關(guān)系呈直線下降，然而，當(dāng)庫(kù)水位緩慢下降時(shí)，則管水位就不再隨庫(kù)水位緩慢下降，反而又回到原來(lái)的相關(guān)關(guān)系曲線上。與5＃管同一斷面上的測(cè)壓管和兩側(cè)相鄰斷面相同位置上的測(cè)壓管均無(wú)異?，F(xiàn)象，因此5＃管的管水位異常反應(yīng)是孤立的，需進(jìn)一步分析研究。     3、壩基測(cè)壓管水位與庫(kù)水位的相關(guān)關(guān)系     為了弄清庫(kù)水位與壩基各斷面測(cè)壓管水位的相互關(guān)系，進(jìn)而由實(shí)測(cè)資料推測(cè)未來(lái)高水位時(shí)壩基滲流的情況。利用已有實(shí)測(cè)觀測(cè)資料，選取有代表性的數(shù)個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的庫(kù)水位情況下的相應(yīng)管水位，利用微機(jī)采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，將以上選取的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸直線計(jì)算，得出每個(gè)觀測(cè)孔的庫(kù)水位與管水位之間的表達(dá)式，并利用這個(gè)線性表達(dá)式，預(yù)測(cè)124.0 m、126.1 m、127.6m高庫(kù)水位時(shí)各斷面的管水位值.     3.1歷年不同穩(wěn)定庫(kù)水位的選取　　     自歷年內(nèi)選取有代表性的數(shù)個(gè)庫(kù)水位，并要求在此庫(kù)水位左右穩(wěn)定5天以上，即認(rèn)為穩(wěn)定在此水位     3.2歷年不同庫(kù)水位情況下各測(cè)壓管水位的選取     依據(jù)不同穩(wěn)定庫(kù)水位，選取管水位，在同一斷面選取同一天測(cè)得的管水位值，不考慮因軸距影響造成的滯后時(shí)間，歷年最高、最低庫(kù)水位時(shí)的管水位，取其與之相對(duì)應(yīng)的最高、最低管水位值，其它管水位值選取庫(kù)水位上升的情況，這樣滯后時(shí)間較為一致，同時(shí)運(yùn)用中采取庫(kù)水位上升的過(guò)程。     3.3預(yù)測(cè)高庫(kù)水位時(shí)各斷面測(cè)壓管水位     將預(yù)測(cè)庫(kù)水位值直接代入回歸方程式h=a+b*H中，(h預(yù)測(cè)測(cè)壓管水位值；a常數(shù)項(xiàng)；b回歸系數(shù)；H庫(kù)水位)，即可得出相應(yīng)的預(yù)測(cè)管水位值，通過(guò)回歸分析計(jì)算，相關(guān)系數(shù)在α=0.01水平上顯著相關(guān)，大多在0.80左右。     4、主壩壩基滲流穩(wěn)定計(jì)算成果分析     對(duì)于建筑在強(qiáng)透水地基上的土壩，由于壩體填土的滲透系數(shù)與強(qiáng)透水層的滲透系數(shù)相差很大，故壩基地下水為滲流分析的主要因素，壩體可視為相對(duì)不透水部分，人工鋪蓋因其厚度很小且較長(zhǎng)，仍然視為透水部分。為確定各地段壩基的透水壓力分布情況，及其對(duì)壩基和壩體的影響，滲流分析時(shí)采用實(shí)測(cè)資料分析計(jì)算。主要內(nèi)容有：庫(kù)水位118.0 m及高于118.0 m和預(yù)測(cè)高庫(kù)水位124.0 m、126.1 m、127.6m時(shí)，各斷面壩基水平滲透坡降及出逸比降、鋪蓋有效長(zhǎng)度、鋪蓋末端入滲比降、壩基滲透流量估算等。     4.1壩基水平滲透坡降及出逸比降     主壩河床段壩基地層特點(diǎn)自上而下分別為土、砂、砂礫、砂卵石層，設(shè)計(jì)壩基允許滲透坡降值為0.1。當(dāng)庫(kù)水位為118.0 m和超過(guò)118.0m時(shí)，利用實(shí)測(cè)資料計(jì)算得出，河床段最大水平滲透坡降為0.0312，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)允許值。預(yù)測(cè)庫(kù)水位127.6 m的最大壩基水平坡降也僅為0.037，滿足工程安全運(yùn)用要求。且除0+850斷面出逸外，其它斷面均不出逸，最大出逸比降為0.1765，小于臨界出逸比降。因此，主壩河床段在高水位作用下，地基巖層層間接觸沖刷、流失的可能性不大，不會(huì)產(chǎn)生出逸變形。     主壩的左右兩端，壩基滲透性及入滲條件都較差，下游排泄條件也差。在實(shí)測(cè)資料計(jì)算中，壩基水平滲透比降最大為0.0507，比河床段平均高0.02～0.03，即使在預(yù)測(cè)庫(kù)水位127.6 m時(shí)，水平滲透坡降最大為0.077，亦滿足設(shè)計(jì)要求。     4.2上游鋪蓋入滲比降     在計(jì)算上游鋪蓋入滲比降時(shí)，其土層厚度僅考慮了天然土層及人工鋪蓋層，未計(jì)天然淤積，并依其滲透系數(shù)進(jìn)行了化引厚度計(jì)算。當(dāng)庫(kù)水位118.0和高于118.0 m時(shí)，壩前鋪蓋入滲比降均小于3.0，預(yù)測(cè)127.6 m水位時(shí)，鋪蓋入滲比降最大為3.925。鑒于主壩河床壩基地層為良好的天然反濾層，具有良好的抗?jié)B條件，預(yù)測(cè)在此入滲比降作用下，地基不致發(fā)生破壞。但在高庫(kù)水位時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。     4.3壩基滲流量     主壩主要的透水層為河床部分的砂卵石、砂礫石，故此次只對(duì)河床段壩基進(jìn)行滲流量估算。從實(shí)測(cè)資料計(jì)算看，當(dāng)庫(kù)水位118.0 m或高于118.0 m時(shí)，壩基滲流量估算值均小于0.19 m3/s，在設(shè)計(jì)水位127.6 m時(shí)，壩基滲流量也很小為0.232 m3/s，對(duì)壩基影響不大。由此可知，主壩的水平防滲鋪蓋雖然未進(jìn)行過(guò)人工補(bǔ)強(qiáng)，但經(jīng)過(guò)40余年的運(yùn)行，泥砂的淤積，對(duì)水平鋪蓋自然形成了良好地補(bǔ)強(qiáng)，河床段壩基滲流量一直較穩(wěn)定且趨于安全。     由實(shí)測(cè)觀測(cè)資料計(jì)算的滲流分析各項(xiàng)成果得出，主壩壩基各項(xiàng)滲流穩(wěn)定計(jì)算成果均滿足設(shè)計(jì)要求，即使在庫(kù)水位127.6 m時(shí)，各項(xiàng)滲流計(jì)算成果亦滿足或接近設(shè)計(jì)要求。     5、結(jié)束語(yǔ)     通過(guò)對(duì)主壩壩基測(cè)壓管觀測(cè)資料分析，認(rèn)為主壩工程經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行，壩基防滲性能有效；壩基滲流是穩(wěn)定的且趨于安全。即使在設(shè)計(jì)水位下，壩基基巖亦不會(huì)發(fā)生沖刷、流失等破壞現(xiàn)象。但考慮到左端1+200處地下水位較高，需對(duì)上游水平鋪蓋進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)等防滲措施。