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      柳樹溝水庫大壩浸潤線觀測分析

      2020-10-21 09:10:06金永超
      廣西水利水電 2020年5期
      關(guān)鍵詞:測壓管壩坡柳樹

      金永超

      (新疆沙灣縣金溝河水管所,新疆 沙灣 832100)

      1 工程概況

      新疆沙灣縣柳樹溝水庫位于天山北緣、金溝河與準(zhǔn)格爾盆地南緣所形成的山前沖擊平原,與沙灣縣城相距24.8 km。柳樹溝水庫大壩為瀝青砼心墻砂礫石壩,其建筑物等級為4 級。水庫正常蓄水位425.88 m,死水位為419.68 m,壩頂高程427.40 m,防浪墻頂高程428.60 m,壩頂總長度4394 m,主壩段壩頂長755 m,壩頂寬8.0 m,壩底寬度63.7 m,東壩長1956 m,西壩長1683 m,最大壩高12.35 m。大壩上游壩坡坡比為1∶2.5,大壩下游壩坡坡比為1∶2.0,排水棱體頂寬3.0 m,坡比1∶1.9。大壩下游馬道結(jié)合上壩公路設(shè)置,馬道寬8.0 m。上游壩坡采用250 mm 厚的現(xiàn)澆C25 砼板護坡,下游壩坡采用150 mm厚預(yù)制網(wǎng)格梁護坡。水庫自2000年投入運行以來,壩基和壩肩一度出現(xiàn)嚴重滲漏和壩坡散浸,于2017年對壩基和壩肩地進行了固結(jié)灌漿加固。

      2 水庫大壩地質(zhì)條件

      柳樹溝水庫位于山前丘陵區(qū)的金溝河和瑪納斯河河間沖洪積平原堆積帶,以第四紀全新世沖洪積堆積為主。區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造基本穩(wěn)定,本區(qū)地震動峰值加速度為0.15 g(地震基本烈度為Ⅶ度)。庫區(qū)地層由第四紀全新世沖洪積堆積(Q4al+pl)組成,巖性以粘性土和粉細砂為主,微~弱透水,地下水埋深由庫區(qū)上游至下游由深變淺,地下水由南向北排泄。庫岸無高陡邊坡,相對穩(wěn)定。

      庫區(qū)主要工程地質(zhì)問題是:①水庫淹沒、浸沒問題,當(dāng)庫水位在高水位時,將因風(fēng)浪作用淹沒兩座泵房并危及西北側(cè)居民住宅,壩后地下水位上升產(chǎn)生次生鹽漬化及沼澤。建議沿庫區(qū)周圍多種植草木,并在壩后開挖排水渠,從而降低地下水位、減輕壩后的次生鹽漬化;②水庫區(qū)塌岸問題,對庫區(qū)兩岸陡直邊坡及右岸單薄岸坡在庫水位陡漲、驟降時將會加速塌岸過程,使水庫在高水位運行時存在漫頂潰壩風(fēng)險。

      根據(jù)勘察結(jié)果水庫大壩壩體存在如下質(zhì)量問題:①壩體壓實系數(shù)0.84,壓實度較差,且不均勻,大壩土體具中等~高壓縮性;②壩體土滲透系數(shù)4.29×10-4~7.82×10-4cm/s,按照《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL 274-2001),均質(zhì)壩土料壓實后滲透系數(shù)指標(biāo)應(yīng)小于1×10-4cm/s;③大壩迎水坡無襯護,無非常溢洪道,且放水涵洞淤積嚴重,不利于大壩安全運行。

      3 浸潤線觀測過程及結(jié)果

      3.1 測點布設(shè)

      本水庫大壩浸潤線觀測設(shè)備為測壓管,在測驗管內(nèi)設(shè)置滲壓計和繩式電測水位計,5 d 觀測數(shù)據(jù)為一組。根據(jù)水庫大壩結(jié)構(gòu)及觀測需要,設(shè)置14個測點并以此編號為D1~D14,其中D1~D6 觀測點設(shè)置在大壩橫斷面,主要用于壩頂及壩坡的浸潤觀測,D1 和D3 測點設(shè)置在壩體心墻墻體內(nèi),D2 測點設(shè)在防滲心墻后面基巖,D4~D6測點穿過水庫大壩壩殼料設(shè)置;D7~D10 測點主要進行岸坡浸潤線變動趨勢監(jiān)測;D11~D14測點主要進行岸坡固結(jié)灌漿防滲加固效果檢測。

      3.2 大壩主斷面浸潤線觀測

      庫水位與壩體浸潤線變動存在密切關(guān)系,為此,必須結(jié)合水庫蓄水放水過程進行壩體浸潤線觀測分析。對柳樹溝水庫大壩主斷面浸潤線分析以測壓管監(jiān)測數(shù)據(jù)為主,庫水位整體歷經(jīng)多次變動,峰值出現(xiàn)在每年3~4月,低谷則在7~8月,其余時段變化過程緩慢。主壩測壓管水位變動與庫水位變動趨勢接近,測壓管水位平均變幅為1.5 m,隨著庫水位高程的變化,D1 和D3 檢測管水位波動趨于平穩(wěn),且檢測管越靠近下游其波動幅度越小,說明水庫壩體防滲結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定,壩殼排水性能良好。

      壩體滲流觀測及浸潤線情況分析表明,在水庫壩體結(jié)構(gòu)、測點設(shè)置、不穩(wěn)定滲流等影響下,在庫水位開始變化到測壓管水位出現(xiàn)相應(yīng)變化之間存在時間延遲,浸潤線比庫水位變化滯后。在水庫運行過程中,水位及砂礫石壩浸潤線始終處于動態(tài)變化過程,而且壩體內(nèi)無壓滲流也呈不穩(wěn)定變化,這種不穩(wěn)定與滯后性難以避免??紤]到壩體內(nèi)滲流場持續(xù)變動的情況,進行壩體浸潤線觀測分析時只能基于特征水位并按時間節(jié)點進行其內(nèi)部滲流斷面浸潤線分析,但只要滯后時間長期保持穩(wěn)定,浸潤線便能在一定程度上反映出壩體穩(wěn)定情況。此次對柳樹溝水庫大壩浸潤線觀測滯后時間為10~13 d,且較穩(wěn)定,表明水庫大壩壩體滲流基本穩(wěn)定。

      3.3 左右岸邊坡浸潤線觀測

      柳樹溝水庫大壩壩坡巖層破碎,繞滲可能性較大,水庫除險加固過程中進行了兩岸壩坡固結(jié)灌漿處理,左右岸坡設(shè)置的D11~D14測點主要用于防滲加固效果檢測。對左右岸坡滲壓水位變化進行分析,結(jié)果表明:壩肩測壓管水位和庫水位正向相關(guān),庫水位為425.88 m 時,右岸壩肩帷幕區(qū)測壓管水位、馬道水位、后壩坡水位分別為429.96 m、437.91 m、436.20 m;左岸壩肩帷幕區(qū)帷幕前后測壓管水位分別為427.85 m、428.47 m。通過對帷幕防滲加固前后測壓管水位變化情況的分析,滲壓水頭折減幅度小,而實測結(jié)果表示,大壩壩體并未出現(xiàn)滲流溢出及巖體潮濕問題。

      柳樹溝水庫大壩壩肩浸潤線超出設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)主要由其左、右岸壩肩處滲壓水位偏高導(dǎo)致,其壩肩滲壓水位偏高主要由以下原因引起:庫岸岸坡除險加固后山體中仍存在微弱滲流;岸坡巖層內(nèi)孔隙發(fā)育,山體內(nèi)孔隙毛細作用頻繁且山體內(nèi)排水不暢。固結(jié)灌漿加固前后滲壓水位折減幅度不大,但壩肩滲流水位變動規(guī)律與庫水位一致,所以水庫左、右岸壩肩滲流基本穩(wěn)定。

      3.4 壩坡穩(wěn)定性分析

      為進行觀測結(jié)果準(zhǔn)確性驗證,必須對水庫穩(wěn)定性進行理論計算,計算前進行大壩土體物理力學(xué)指標(biāo)鉆孔取樣測試,設(shè)置6個鉆孔,壩體鉆孔檢查取得土體樣本40組,土體物理力學(xué)指標(biāo)試驗結(jié)果見表1。

      表1 土體物理力學(xué)指標(biāo)試驗結(jié)果

      柳樹溝水庫大壩心墻墻體為沙壤土,滲透系數(shù)低,隨著庫水位的急劇下降,壩體浸潤線水位并不會表面出明顯的波動,考慮到大壩安全運行實際,壩坡穩(wěn)定性分析仍以穩(wěn)定滲流期內(nèi)心墻浸潤線為基礎(chǔ),只考慮水庫以外水位下降對水庫大壩穩(wěn)定性的影響。

      穩(wěn)定計算采用北京理正軟件設(shè)計研究所的《穩(wěn)定分析軟件》進行計算,計算方法為瑞典圓弧法[1]。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL 274-2001)的規(guī)定,在柳樹溝水庫正常蓄水位上下游大壩壩坡、庫水位急劇下降時上游壩坡及正常蓄水位遇7級地震時上下游壩坡3種工況下進行大壩壩坡抗滑穩(wěn)定性分析[2]。

      (1)工況一:正常蓄水位(425.88 m)穩(wěn)定滲流期上、下游壩坡計算所得抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為K上=2.930,K下=1.701>[K允許]=1.25。

      (2)工況二:①施工期的上、下游壩坡計算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為K上=2.392,K下=2.848>[K允許]=1.15;②水庫水位驟降時的上游壩坡,水位由正常蓄水位425.88 m,驟降至死水位419.68 m,上游壩坡計算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K上=2.271>[K允許]=1.15。

      (3)工況三:①正常運用遭遇地震(正常蓄水位425.88 m)上、下游壩坡穩(wěn)定計算,抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為K上=2.653,K下=1.613>[K允許]=1.10;②水庫水位在1/3 壩高時遭遇地震,水位在1/3 壩高(高程419.20),上游壩坡計算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為K上=2.448>[K允許]=1.10。

      柳樹溝水庫大壩結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定,大壩樁號0+100 斷面在水位高于1/3 壩高遇地震工況時上游壩坡計算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為2.653,大于規(guī)范允許最小安全系數(shù)1.15;水庫大壩樁號0+400 斷面在正常蓄水位穩(wěn)定滲流期遇地震工況時上游壩坡計算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為2.448,大于規(guī)范允許最小安全系數(shù)1.1,均滿足規(guī)范要求。

      4 結(jié)論

      浸潤線是水庫大壩安全監(jiān)測的重要項目。在水庫大壩壩體和壩基位置設(shè)置測壓管與滲壓計進行觀測,了解和掌握水庫大壩內(nèi)部及地基滲流場情況,是進行砂礫石壩內(nèi)部滲流及運行安全程度判斷的手段。柳樹溝水庫大壩采取防滲加固措施后,防滲抗?jié)B體性能良好,壩體滲流穩(wěn)定,滲流經(jīng)心墻后通過預(yù)定排水通道排入壩后河道;兩岸壩肩滲流穩(wěn)定,壩肩巖體滲壓水位偏高,應(yīng)當(dāng)加強觀測分析。

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