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黃壁莊水庫主壩壩基滲流分析

2008-12-04 10:43    【  【打印】【我要糾錯】

  1、基本情況

  1.1工程概況

  黃壁莊水庫位于河北省省會石家莊市西北30km滹沱河干流上,總庫容12.1億m3,設(shè)計水位127.6m,正常蓄水位120.0m.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擴建到128.7m.主壩位于馬鞍山腳下,南端自正常溢洪道左邊墩起,北跨過滹沱河河床與非常溢洪道右邊墩相接,主壩全長1843m,最大壩高30.7m,為水中倒土均質(zhì)壩。

  1.2工程地質(zhì)概況

  主壩工程樁號由0+156.038~1+999.076,兼跨了馬鞍山殘丘、一級階地、河床、二級階地四個地貌單元。

  河床右岸,0+156~0+300為一級階地,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重。

  樁號0+300~1+000為河床部分,河床高程為100m,基巖為太古時代前震旦紀矽化灰?guī)r與千枚巖互層及千枚巖與大理巖互層。基巖以上為砂卵石、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壩基滲流觀測設(shè)施布置

  主壩共設(shè)置7個壩基滲流觀測斷面,分別為0+258、0+450、0+705、0+850、1+050、1+200、1+400,共計26根測壓管。

  2、主壩地下水動態(tài)分析

  從主壩地下水等水位線(庫水位119.0m)可看出,主壩地下水動態(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,但兩端并不對稱,各段地下水位在本段內(nèi)亦有不同的變化。(見下圖)

  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,從歷年測壓管水位與庫水位過程線可看出,管水位變化與庫水位關(guān)系密切,隨庫水位升降十分明顯。滯后時間僅兩天左右或不足一天,且管水位的升降幅度不大。一般靠上游的測壓管水位升降值不足2m,下游測壓管水位升降值不足1m,靠近排水溝的測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12.25m,當(dāng)庫水位119.2m,管水位達118.56m,而河床相同軸線上的11#管水位僅為101.13m,兩管水位相差17.43m.測壓管滯后時間大多在30天以上?偟目磥,二級階地地下水對庫水位的變化反應(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0+300以南,壩基地下水位亦高于河床段但低于左岸。如庫水位119.0m以上時,0+258斷面壩軸線下游18.9m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#測壓管水位有異常變化,發(fā)現(xiàn)每當(dāng)庫水位上升到118.0左右時,管水位均有一次突變現(xiàn)象,升高4m左右,每次庫水位產(chǎn)生的突變并不完全一致,突變后與庫水位建立的相關(guān)關(guān)系、規(guī)律性較差,但與庫水位升降速度關(guān)系很大。當(dāng)庫水位下降較快時,管水位隨之降到原相關(guān)曲線上;庫水位下降較慢時,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,庫水位較高時,庫水沿管壁滲入管內(nèi),使管水位升高。理由是5#測壓管在壩體上游護坡上,管口高程為120.84m,管身入壩體土面高程為118.5m.當(dāng)庫水位118.0m時,壩體土已很薄,管身與土體結(jié)合不良時,滲水沿管壁滲入是可能的;再者,當(dāng)庫水位下降時,管水位下降有個滯后時間,反應(yīng)出的相關(guān)關(guān)系呈直線下降,然而,當(dāng)庫水位緩慢下降時,則管水位就不再隨庫水位緩慢下降,反而又回到原來的相關(guān)關(guān)系曲線上。與5#管同一斷面上的測壓管和兩側(cè)相鄰斷面相同位置上的測壓管均無異,F(xiàn)象,因此5#管的管水位異常反應(yīng)是孤立的,需進一步分析研究。

  3、壩基測壓管水位與庫水位的相關(guān)關(guān)系

  為了弄清庫水位與壩基各斷面測壓管水位的相互關(guān)系,進而由實測資料推測未來高水位時壩基滲流的情況。利用已有實測觀測資料,選取有代表性的數(shù)個相對穩(wěn)定的庫水位情況下的相應(yīng)管水位,利用微機采用數(shù)理統(tǒng)計的方法,將以上選取的實測數(shù)據(jù)進行回歸直線計算,得出每個觀測孔的庫水位與管水位之間的表達式,并利用這個線性表達式,預(yù)測124.0m、126.1m、127.6m高庫水位時各斷面的管水位值。

  3.1歷年不同穩(wěn)定庫水位的選取

  自歷年內(nèi)選取有代表性的數(shù)個庫水位,并要求在此庫水位左右穩(wěn)定5天以上,即認為穩(wěn)定在此水位

  3.2歷年不同庫水位情況下各測壓管水位的選取

  依據(jù)不同穩(wěn)定庫水位,選取管水位,在同一斷面選取同一天測得的管水位值,不考慮因軸距影響造成的滯后時間,歷年最高、最低庫水位時的管水位,取其與之相對應(yīng)的最高、最低管水位值,其它管水位值選取庫水位上升的情況,這樣滯后時間較為一致,同時運用中采取庫水位上升的過程。

  3.3預(yù)測高庫水位時各斷面測壓管水位

  將預(yù)測庫水位值直接代入回歸方程式h=a+b*H中,(h即可得出相應(yīng)的預(yù)測管水位值,通過回歸分析計算,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。預(yù)測測壓管水位值;a常數(shù)項;b回歸系數(shù);H庫水位),

  4、主壩壩基滲流穩(wěn)定計算成果分析

  對于建筑在強透水地基上的土壩,由于壩體填土的滲透系數(shù)與強透水層的滲透系數(shù)相差很大,故壩基地下水為滲流分析的主要因素,壩體可視為相對不透水部分,人工鋪蓋因其厚度很小且較長,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,及其對壩基和壩體的影響,滲流分析時采用實測資料分析計算。主要內(nèi)容有:庫水位118.0m及高于118.0m和預(yù)測高庫水位124.0m、126.1m、127.6m時,各斷面壩基水平滲透坡降及出逸比降、鋪蓋有效長度、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自上而下分別為土、砂、砂礫、砂卵石層,設(shè)計壩基允許滲透坡降值為0.1.當(dāng)庫水位為118.0m和超過118.0m時,利用實測資料計算得出,河床段最大水平滲透坡降為0.0312,遠小于設(shè)計允許值。預(yù)測庫水位127.6m的最大壩基水平坡降也僅為0.037,滿足工程安全運用要求。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。在實測資料計算中,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)測庫水位127.6m時,水平滲透坡降最大為0.077,亦滿足設(shè)計要求。

  4.2上游鋪蓋入滲比降

  在計算上游鋪蓋入滲比降時,其土層厚度僅考慮了天然土層及人工鋪蓋層,未計天然淤積,并依其滲透系數(shù)進行了化引厚度計算。當(dāng)庫水位118.0和高于118.0m時,壩前鋪蓋入滲比降均小于3.0,預(yù)測127.6m水位時,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)測在此入滲比降作用下,地基不致發(fā)生破壞。但在高庫水位時,應(yīng)加強監(jiān)測。

  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,故此次只對河床段壩基進行滲流量估算。從實測資料計算看,當(dāng)庫水位118.0m或高于118.0m時,壩基滲流量估算值均小于0.19m3/s,在設(shè)計水位127.6m時,壩基滲流量也很小為0.232m3/s,對壩基影響不大。由此可知,主壩的水平防滲鋪蓋雖然未進行過人工補強,但經(jīng)過40余年的運行,泥砂的淤積,對水平鋪蓋自然形成了良好地補強,河床段壩基滲流量一直較穩(wěn)定且趨于安全。

  由實測觀測資料計算的滲流分析各項成果得出,主壩壩基各項滲流穩(wěn)定計算成果均滿足設(shè)計要求,即使在庫水位127.6m時,各項滲流計算成果亦滿足或接近設(shè)計要求。

  5、結(jié)束語

  通過對主壩壩基測壓管觀測資料分析,認為主壩工程經(jīng)過多年的運行,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)計水位下,壩基基巖亦不會發(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,需對上游水平鋪蓋進行加固補強等防滲措施。

延伸閱讀:黃壁莊 水庫 主壩
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