海南省松涛水库大坝渗流观测资料分析

2013-08-13吉小燕张国栋

水利与建筑工程学报 2013年1期

江超，吉小燕，张国栋，陈明，钟娇

(1.水利部大坝安全管理中心，江苏南京210029；2.海南省松涛水利工程管理局，海南儋州571700)

0 引言

松涛水库位于海南省南渡江上游，控制集雨面积1 496 km2，总库容33.45×108m3，是一座以灌溉为主，结合供水、发电、防洪及航运等综合利用的大(1)型多年调节水利工程。主坝为碾压式均质土坝，坝顶长730 m，坝顶宽6.0 m，坝顶高程197.10 m，最大坝高80.1 m，正常蓄水位190.00 m，设计洪水位192.10 m，校核洪水位195.30 m。坝基防渗体系由一道灌浆防渗帷幕连接坝体截水槽及混凝土截水齿墙构成。坝体排水系统为褥垫排水通过反滤管接坝趾棱柱反滤体[1]。

2011年10月，受17号台风“纳沙”和第19号台风“尼格”影响，松涛水库流域遭遇连续强降雨，库水位接近正常蓄水位190.00 m，为近20 a来的最高水位。大坝在近年尤其是高水位运行中出现异常现象，引起了松涛水利工程管理局的高度重视，这些异常现象主要有:①主坝晴天无渗流量，主副坝多根测压管水位出现异常。②条形山四五坳副坝渗流有红褐色絮状物析出，渗流量较大，且逐年增大趋势明显，高水位时下游坝坡有渗流出逸[2]。为了解大坝渗流状况，并为下一步运行管理工作提供科学依据，松涛水利工程管理局委托水利部大坝安全管理中心对渗流观测资料进行了分析[3-4]。

1 渗流原型观测布置

松涛水库渗流监测仪器较多，早年分别于1968年、1979年和1983年埋设了测压管，但大多测压管已淤堵失效。2003年结合除险加固重新设计了大坝安全监测系统，主副坝共埋设了87支渗压计，其中主坝41支，副坝46支，并实现了自动化数据采集与数据整编。

主坝及条形山一二坳副坝、三坳副坝、四五坳副坝下游坡脚外各设有1座量水堰，共计4座。渗流量数据采用自动化方式进行采集。

2 主坝渗流观测资料分析

2.1 渗流压力分析

0+275断面为最大坝高断面，共布置7条监测垂线，埋设14支渗压计，其中K06A已损坏。根据库水位-测点水位的相关方程来推算设计洪水位与校核洪水位下的测点水位值，并绘制各水位下的坝体浸润线。浸润线相关计算成果见表1，0+275断面坝体浸润线见图1。

表1 推算坝体浸润线与实测浸润线代表值

图1 0+275断面坝体浸润线图

近似以K12A实测水位作为下游水位，计算各测点位势并绘制位势过程线[5-6](见图2)。由图2可见，坝基测点位势较低，表明该断面坝基防渗墙效果较好；K9A与K11A位势几乎相同，表明水平排水体排水顺畅；K08C、K09B测点位势较高，分别约为70%、48%，主要因坝体填土各向异性明显所致；各测点位势基本保持稳定，表明该断面渗流场稳定，未朝不利方向发展。

大坝左坝肩共埋设有4支渗压计 Rm1、Rm2、Rm3、Rm4，主坝右坝肩共埋设有 3支渗压计 Rm5、Rm6、Rm7，均埋设于山体内。绕渗各测点水位与库水位的相关系数见表2。

表2 主坝左坝肩断面测点水位与库水位相关系数R

左坝肩绕渗测点水位与库水位相关性好，表明左坝肩存在绕渗通道，但各测点位势稳定，绕渗并未朝不利方向发展；右坝肩绕渗测点水位与库水位相关性差，表明右坝肩绕渗不明显。

2.2 渗流量分析

主坝下游设有一座量水堰，为分析主坝渗流量变化趋势，绘制其单位水头渗流量[7-8]过程线(见图3)，其中单位水头渗流量计算公式为:

图2 0+275断面位势过程线图

式中:q为单位水头渗流量〔L/(s◦m)〕；Q为渗流量(L/s)；h1为库水位(m)；h2为下游水位，取K12A 测点水位(m)。

为一定程度消除降雨影响，剔除降雨当天的渗流量，作库水位与渗流量相关图，如图4所示。

图3 主坝单位水头渗流量过程线

由单位水头渗流量过程线可见，单位水头渗流量受降雨量影响大，未见逐年增大趋势。由图4可见，渗流量与库水位几乎无相关性。随着库水位的升高，渗流量无明显加速增大趋势。

图4 主坝库水位与渗流量相关图

近期主坝晴天已无渗流量，可能与大坝下游截水墙漏水，渗流量以潜流形式流向下游有关。为预测潜流量的变化趋势，选取库水位较高的不同年份(2001年9月—2002年3月；2009年10月—2010年2月；2010年10月—2011年3月)，并剔除明显受到降雨影响的测值，进行渗流量-水头相关性分析。3个不同时期渗流量-水头相关分析成果见图5。

图5 不同时期主坝渗流量(Q)与水头(△H)相关性分析

由图5推算各时期主坝的潜流量:2001年9月—2002年3月潜流量为71.209 L/s，2009年10月—2010年 2月潜流量为 55.183 L/s，2010年10月—2011年3月潜流量为20.851 L/s，潜流量呈逐年减小趋势。在库水位186.6 m(对应水头约62.6 m)以下，渗流量全部以潜流方式流向下游，因此，“主坝晴天无渗流量”属正常现象。图5(d)对不同时期渗流量与水头的相关线进行了对比，在高水位下，渗流量同样呈逐年减小趋势。综合渗流量观测资料分析表明大坝渗流场稳定。

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3 副坝渗流观测资料分析

除条形山一二坳、三坳、四五坳3座副坝外，其余副坝最大坝高均不超过15 m，因此，仅在条形山副坝内埋设了渗压计。条形山3座副坝均利用原坳口削平坳顶减载并水力冲填培厚上下游坝坡建成。

3.1 渗流压力分析

条形山副坝大部分测点实测水位与库水位相关性较好，与条形山山体破碎、裂隙发育有关。条形山四五坳副坝渗流安全问题最突出，其渗流测点平面布置见图6。

图6 条形山四五坳副坝渗流观测布置平面图

测点SK16A、RS16A与库水位相关性差，测点水位始终高于库水位(见图7)，主要受山体区域地下水影响；测点 RS17A 、SK14A、SK14B、SK15A、SK15B位势较高，分别约为80%、60%、69%、44%、36%(见图8)，现场检查发现测点RS17A附近测压管水位接近管口，表明该测点附近山体裂隙更加发育；SK15A、SK15B的测点平均水位分别为177.05 m、175.27 m，均高于孔口高程(172.27 m)，表明高水位下渗透水流会从坝坡逸出，分析结论与实际运行情况一致。

四五坳副坝SK16A、RS16A测点水位始终高于库水位，RS17A位势约为80%，联合分析表明该坝左坝肩绕渗严重。

图7 测点水位过程线

图8 测点位势过程线

3.2 渗流量分析

一二坳副坝量水堰长期无渗流量，三坳、四五坳两座副坝单位水头渗流量过程线见图9、图10。

图9 条形山三坳副坝单位水头渗流量过程线

图10 条形山四五坳副坝单位水头渗流量过程线

由单位水头渗流量过程线可见，两副坝单位水头渗流量受降雨量影响均较大。三坳副坝单位水头渗流量逐年略有增大，而四五坳副坝单位水头渗流量逐年增大趋势则较为明显。为消除降雨量的影响，剔除降雨当日的渗流量，做渗流量与库水位的相关分析，两座副坝渗流量与库水位的相关线分别见图11、图12。

图11 三坳副坝渗流量与库水位相关图

图12 四五坳副坝渗流量与库水位相关图

由图 11、图 12可看出，随着库水位的升高，三坳、四五坳副坝渗流量呈加速上升趋势，而四五坳副坝渗流量加速上升趋势则更加明显；两座副坝渗流量与库水位的相关系数分别为0.373和0.823，三坳副坝渗流量与库水位相关性差，四五坳副坝渗流量与库水位相关性较好。渗流量分析表明两座副坝渗流均呈现异常，四五坳副坝渗流问题则更加突出。