潮河主坝监测数据分析及运行 安全性评价

潮河主坝监测数据分析及运行 安全性评价

罗阳春 刘福平 庄 妍

密云水库管理处 101512

[摘要]论文通过对密云水库潮河主坝近60年的水工监测资料进行分析，全面研究大坝的渗流和变形稳定安全性。本文运用对比法、相关分析法、允许比降法等，对坝肩、坝体和二级阶地的渗流情况进行分析和评估其渗流安全性。同时，运用绘制沉陷过程线和沉陷量分布图分析法、建立回归方程进行回归分析等方法对大坝近60年的变形监测资料进行综合分析，判断其变形稳定性。

[关键词]潮河主坝 渗流 变形 监测 安全分析

工程概况

密云水库于1958年9月动工兴建，1959年汛期拦洪，1960年9月1日基本建成并投入使用。潮河主坝是密云水库两座主坝之一，最大坝高56m，坝顶全长1008m。该坝为碾压式斜墙土坝，坝基覆盖层防渗处理采用粘土齿槽，齿槽上部与斜墙连接，下部与基岩连接，齿槽底部的基岩中进行水泥帷幕灌浆处理，斜墙底部与齿槽连接处加厚。由于坝肩岸坡较陡，壤土与基岩连接较差，为维持足够的接触渗径，除设置混凝土截水墙外，还增加了自斜墙内坡坡脚向坝内延伸的壤土内铺盖。

潮河主坝共布置29个测压管和1个量水堰。量测坝体浸润线有2个横断面，每个横断面上有3个测压管。该坝布设变形标点39个，其中上游两排13个，下游4排26个，仅下游158排标点观测水平位移，152排为加固后1999年5月新增观测点。^[1]

1.渗流监测数据分析

大坝的渗流安全性，一般通过管水位过程线、管水位与库水位关系过程线、管水位与库水位相关线图进行分析。通过该坝测压管相关线图分析得出，多数测压管与库水位成1：0.2的直线关系，除个别管关系不明显外，均可供坝体渗流分析之用。本文选取每年1、2、3、10、11、12月份的观测资料，此时段的库水位、管水位比较平稳，可视为不受降雨和滞后时间影响。

1.1 防渗效果分析

根据1994年9月17日历史最高水位时监测的坝基和坝头测压管水位资料，分析该坝典型横断面（桩号0+250m、0+500m和0+700m）防渗效果，计算结果见表1。从计算结果可以看出大坝的防渗效果较好，壤土齿槽和混凝土截水墙削减水头最高达95%，最低也达62.33%。

表1 坝基防渗效果计算表

桩号	0+250	0+500	0+700
库水位	153.96	153.96	153.96
下游水位	103.39	103.39	103.39
测压管	7#	9#	11#
测压管水位	105.92	110.82	122.44
H（%）	95.00	85.31	62.33

1.2 回归计算分析

选取历年的测压管观测数据进行一元线性回归分析，计算结果见表2。从表中可以看出，相关系数r均大于其检验值，即管水位与库水位为显著相关。

表2 测压管水位与库水位回归计算成果表

管号	n-2	相关系数	r的检验值	回归方程
1#	420	0.620	0.098	y = 1.8995x - 67.80
3#	796	0.422	0.098	y = 1.2234x - 3.1976
7#	694	0.618	0.098	y = 3.9702x - 271.5
8#	571	0.789	0.098	y = 4.9035x - 355.99
9#	617	0.863	0.098	y = 17.133x - 1743.3
10#	649	0.817	0.098	y = 6.3393x - 504.77
15#	590	0.967	0.098	y = 4.2666x - 401.83
16#	590	0.982	0.098	y= 1.5666x - 76.473

1.3 浸润线分析

选择河床透水覆盖层最深的断面0+250m和二级阶地壤土地基的代表断面0+500、横断面0+700进行浸润线分析，并根据1994年9月2日监测的最高管水位计算各断面的渗透坡降。各断面的实测浸润线均低于设计浸润线，渗透坡降值在0.038~0.06范围内，均小于设计值，说明坝体防渗效果较好,不会发生渗透破坏。

1.4 特定库水位下的管水位分析

一般说来，在同一库水位下，管水位随时间变化若呈上升趋势，说明渗流情况发生了不利的变化，反之，则说明好转。^[2]选择133m、145m、152m三个库水位作为特定库水位，逐年进行查找，凡与这三个值接近，前3日又较平稳，且出现在非汛期，即认为符合条件进行统计见表3。

表3 特定库水位下测压管水位统计表

由表3可以看出，3^#管（南坝头）处渗流情况好转，说明修建潮河泄空隧洞对南坝头排水起了一定作用。15^#管在库水位133m时，上升1m多，在145m和152m时呈下降趋势，由此说明高水位时北坝头排水效果较好，低水位排水效果较差。8

^#管位于坝基处，在库水位较高时，管水位随时间有所上升，说明高水位时期该处坝基渗流情况不如低水位时期，但管水位上升较小，该处坝基处于正常工作状态。7^#、18^#、20^#坝身部分管水位下降较少，坝体渗流状况稍有好转。

1.5 位势分析

该坝根据测压管的位置选取8^#测压管水位作为下游水位计算位势，并绘制桩号0+510m和0+710m断面的4个测压管位势过程线，见图1。由图可以看出，各测压管位势变化不大，各测压管位势基本接近常数。各断面测压管位势在1990年至2000年之间有所降低，此段时间库水位较高，说明高水位时期坝体渗流情况有所好转。

图1 测压管位势过程线

1.6 相关过程线回归分析

选取历年的渗流监测数据对坝体管进行一元线性回归分析，计算结果见表4。从表4可以看出，相关系数r均大于其检验值，即管水位与库水位为显著相关。

表4 测压管管水位与库水位回归计算成果

因库水位较低时，量水堰无渗流量，本次分析选择1993年至1996年非汛期间的渗流量进行分析，绘制实测化引流量过程线分析，见图2。由图可见，化引流量q_r总趋势是逐年减少的，可见水库坝前的天然淤积起了作用。1994年高水位时出现峰值，说明库水位到达此高程时坝体或坝头可能存在新的渗透通道，库水位降低后曲线随着下降，表明该坝的渗流量变化趋势总体是逐年减少的，坝基渗透是稳定的。

图2 潮河主坝实测化引流量过程线

2变形监测资料分析

由于填土高度不同，沉陷量绝对值差别很大，通常用沉陷率来分析大坝运行情况和判断是否产生裂缝。根据参考资料，土石坝竣工后沉陷率<10‰的都不会产生裂缝，竣工后沉陷率>30‰的一般会产生裂缝，竣工后第一年沉陷速率>5‰时为“过大沉陷”。^[2]从潮河主坝历年观测资料分析，各个标点的沉陷率均远小于参考指标值，因此说明其碾压质量良好，抗裂强度较高，不会产生裂缝。

2.1沉陷过程线分析

选取下游靠近坝顶158.0m排标点的监测资料，绘制累计沉陷量过程线进行分析。从过程线可以看出，坝体初期沉陷量增加较快，而后沉陷量随时间推移缓慢增加，至1973年趋于稳定。1976年沉陷量有所增加，原因是受当年的唐山大地震影响，最大沉陷发生在桩号0+200m处，1976年7月28日测量结果与震前5月19日相比，沉陷了10mm。到1978年沉陷速度再次稳定，直至1988年左右速度明显下降，曲线几乎平直，说明坝体砂石料基本密实，大坝沉陷趋于稳定。

2.2 代表性标点监测数据回归分析

通常，大坝累计沉陷量s与时间t呈双曲线关系，可选择经验公式1/s=a+b/t进行拟合分析。^[3]1976年受唐山大地震影响，规律发生变化，因此所选系列以1976年为界限，分为震前震后两个阶段对具有代表性的标点数据进行回归计算和分析，见表5。

表5 潮河主坝沉陷回归分析计算结果

从表5中可看出沉陷量与时间相关系数较大，说明各回归方程相关关系是高度显著的。用两个系列的回归方程计算结果与实测沉陷结果进行对比，1960～1975年系列最大相差8mm，1976～2017年系列最大相差7mm，充分说明实测沉陷过程线和回归过程线拟合良好，证明该坝累计沉陷量与时间成双曲线函数关系，所建立的回归方程符合土石坝沉陷规律。

2.3 沉陷分布图分析

2.3.1 纵断面分布图分析

从纵断面分布图可看出，建坝初期沉陷速率较大，以后逐渐变小，十几年后基本稳定，大坝现已基本完成沉陷。在填土高度基本相同的条件下，0+400m处的沉陷明显大于0+200m和0+300m等处，说明该段填筑质量较差。至2017年，累计最大沉陷量是下游158.0桩号0+400m，为166mm，发生在最大坝高处，符合正常规律，沉陷率为3.45‰ ，在设计超高5‰以内。沉陷纵断面分布均匀，没有异常现象，说明大坝运行正常。

图3潮河主坝沉陷纵断面分布图

2.3.2 横断面分布图分析

通过绘制该坝历年沉陷量横断面分布图进行分析。坝顶比坝中部和底部沉陷量大，这是因为大坝沉陷的主要荷载是坝体自重，所以填土高度越大沉陷量就越大，由分布图也可看出建坝初期沉陷速率较大，以后慢慢变小，与纵断面分布图得到的结论一致。

2.3.3 平面等值线分布图分析

根据1975年和2005年沉陷观测资料，绘制沉陷量等值线平面分布图。1975年（唐山大地震以前）和2005年（大坝加固完成后）大坝累计沉陷量等值线基本平行于坝轴线，同一高程的沉陷量基本相同，有连成以河谷段为中心的的闭合等值线图的趋势，而且两图基本相似。靠近坝顶段等值线较密，而坝脚处等值线较稀，说明坝顶附近沉陷量大，符合沉陷量与填土高度和上覆荷载成正比这一规律（坝顶处填土高度大），大坝沉陷量的平面分布符合常规，大坝运行正常。

3 结论和建议

综合分析表明，潮河主坝防渗效果较好，各断面的浸润线、渗透坡降均低于设计值，各测压管位势接近于常数，渗透稳定，渗流场变化趋势合理；坝体填筑质量较好，坝体累计沉陷量正常，坝体不会产生裂缝，大坝沉陷处于稳定状态。

参考文献：

[1] 《密云水库设计手册》；

[2] 罗谷怀 甘明辉，《土石坝安全论证理论与方法》北京，科学出版社，2001；

[3] 梅孝威 ，《水工监测工》，郑州，黄河水利出版社，1998;

[4]《密云水库水工整编资料》、《密云水库水工整编图》。

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