黏土壩測壓管水位異常原因分析

楊秀海

(安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230022)

利用測壓管監測壩身浸潤線一直是土石壩工程的常用方法，浸潤線形態的變化，對分析土石壩的滲流狀態及評價大壩穩定性具有非常重要的意義[1-2]。然而現有規范[3]對測壓管安裝埋設相關規定過于籠統，且未根據不同巖土層情況對測壓管進水段長度進行強制性規定，現狀測壓管埋設處于無可靠操作規程、進水段長度布置很隨意的狀態。通過對我國各地區壩身測壓管現狀質量進行調查，統計分析發現砂礫石壩及混凝土壩測壓管很少出現水位異常問題，而對黏性土壩測壓管水位異常問題卻很突出。

針對黏性土壩測壓管水位異常問題，本文以合肥市董鋪水庫均質黏土壩為例，對幾根常年水位異常測壓管進行現場調查研究、理論分析總結，并針對性地采取了相關修復措施，最終消除了水位異?，F象。實踐證明本文所用方法避免了按規程規范采用風干膨脹土黏土球回填不密實導致的一系列后期數據失真問題，大幅度提高了黏性土壩測壓管監測數據的可靠性，實現規范化埋設黏土壩測壓管。

1 工程概況及測壓管埋設情況

董鋪水庫位于合肥市西北近郊，距市中心僅7km，巢湖支流南淝河上游，大壩坐落在二環路旁，是一座以防洪和城市供水為主、兼顧生態補水及養殖功能的年調節水庫。水庫壩址以上集水面積207.2km2，總庫容2.42億m3，屬大(2)型水庫。水庫樞紐由大壩、泄洪涵洞、溢洪道和連通輸水隧洞等組成，大壩為碾壓式均質黏土壩，壩長2876m，壩頂高程35.8m。

董鋪水庫現有測壓管20根，分布在5個斷面上，每斷面4根，分別分布于大壩樁號0+740、0+940、1+130、1+300、1+380處，其中迎水坡1根(高程34.60m處)，背水坡3根(高程33.00、27.40、22.40m處各1根)。20根測壓管中094-2、113-1、113-3、130-1、138-1和138-2號管由于年久失修淤實，觀測水位常年高于庫水位，2020年在其附近埋設有新管，編號為“新*”，新埋測壓管和老管水平距離不超過2.0m，經比測后將原測壓管棄測。

2 壩身測壓管2020年情況調查及評價

20根在用測壓管歷經數次埋設、修復、校測，現運行狀態不佳，為保證給大壩安全運行提供準確的地下水位觀測數據，需對壩身埋設的各測壓管運行情況進行評價，測壓管評價標準應符合下列規定[4]：

(1)測壓管現場檢查及靈敏度全部合格，評價為可靠。

(2)測壓管靈敏度不合格，評價為不可靠。

(3)其他情形，評價為基本可靠。

在水庫蓄水及運行過程中上下游水位經常變化，滲流場中各點滲流水頭(潤線)高度也會變化。在滲透過程中，滲透水克服土顆粒之間的阻力，從上游滲透到測壓管位置需要一定時間，故測壓管水位還與前期庫水位有關。隨著時間的延長，土體固結以及上游壩前淤積都會影響滲流狀態。有時由于壩面的原因，降雨會直接滲流到測壓管中，這樣會影響測壓管水位。所以影響測壓管水位的主要因素為：水庫水位分量hH，降雨分量hR及時效分量ht，測壓管水位h可表示為：h=hH+hR+ht。測壓管水位主要受降雨、上游庫水位及時間影響[5]，下面根據這3個要素作出138斷面2017—2020年期間水位過程線如圖1所示。

圖1 壩身138斷面測壓管水位過程線

根據SL 551—2012《土石壩安全監測技術規范》的評價標準，董鋪水庫現狀測壓管存在的問題主要為：水泥保護罩損毀排水不暢(094-2、113-1、113-3、130-1、138-1、138-2)，水位過程線受降雨影響顯著(074-4、094-2、113-2、113-3、130-3、138-2、138-3)，水位長期高于庫水位(138-1、138-2)。除138斷面存在水位數據異常不可靠的測壓管外，其余斷面數據可靠或基本可靠。下面以138斷面上的4根測壓管為例，分別從現狀調查及評價、水位過程線和靈敏度測試3個方面對其工作運行狀態進行評價，具體見表1。

表1 壩身138斷面測壓管工作運行狀態評價

3 壩身138斷面水位異常原因分析

根據前述138斷面測壓管水位過程線形態可發現如下規律：

(1)測壓管水位總體上受庫水位影響，并有一定的滯后性。

(2)在長時間不降雨或降雨量較少的時期，各測壓管水位會出現與庫水位不相協調的緩慢回落。

(3)138-1測壓管水位一直高于庫水位(統計期間內高于庫水位0.18～6.32m，平均值高達2.21m)，與理論值不符。138-1測壓管水位偏高原因可能是測壓管進水段長度過長且上部膨脹土黏土球止水失效所致。

(4)138-2測壓管水位異常上漲過程略滯后降雨時間，降雨過后會異常降落消散，且降落幅度小于上漲幅度，降落時間大于上漲時間。138-2測壓管水位偏高部分的原因可能受降雨入滲影響。根據現場勘探，董鋪水庫大壩迎水側及背水側坡面分布有1.0～2.5m左右厚的松散層，該層相對下部碾壓密實的壩身土為松散含水層，在降雨量充足時能達到飽和狀態，存儲較多的上部滯水。各測壓管存在受該含水層補給的可能，由于測壓管內徑只有5cm，少量的滲水就可能導致測壓管內出現較高的水位，從而導致測壓管水位長期偏高。具體原因可能是該測壓管施鉆埋設時周邊回填的膨脹土黏土球止水失效，從而形成連接上層滯水與測壓管下部透水管的滲流通道。

(5)138-3測壓管水位變化基本正常，受降雨影響權重相對較大，可能是由于進水段上部膨脹土黏土球回填質量較差所致。

(6)138-4測壓管水位變化基本正常。

4 異常測壓管的處理

針對以上原因分析，2020年7月份對138-1、138-2兩根測壓管按SL 551—2012附錄D要求進行了重新埋設，具體測壓管結構設計保持原結構不變。測壓管采用內徑50mm的鍍鋅鋼管，其中進水段采用花管，其余段為實管。測壓管外部進水段濾料超過花管段頂高程不小于0.5m，濾料上部分層填搗膨脹土黏土球。

借助有限元等數值模擬技術，采用統一考慮飽和-非飽和滲流的方法來研究工程滲流問題[6-9]是工程中常用的方法。本次利用有限元分析軟件GiD/Code Bright，進行董鋪水庫大壩工程特有地質條件下土石壩的三維全尺寸滲流分析[10]，模型采用四面體單元劃分，劃分網格后，三維有限元共有節點84250個，單元430979個。數值模擬結果與實測浸潤線比較如圖2所示。

圖2 董鋪水庫大壩138斷面浸潤線

由圖2得出以下結論：新138-1、新138-2測壓管水位仍較庫水位偏高，實測浸潤線均高于理論計算浸潤線，與浸潤線一般規律不相符，表明測壓管水位仍存在異常。

經現場探井開挖調查，結合測壓管埋設結構圖綜合分析推測其水位異常的原因可能是由于原測壓管進水段濾料設計過長，超過理論浸潤線過多，導致超過浸潤線以上部位的壩體非飽和區滯水層滲入測壓管進水段所致。建議測壓管進水段頂高程可取水庫正常蓄水位對應的三維滲流計算所得理論浸潤線位置(底高程可取壩上水庫死水位對應的三維滲流計算所得理論浸潤線位置以下1.0m)。為進一步驗證該觀點，在現場采取管口開挖0.5m操作平臺，利用洛陽鏟沿測壓管壁掏鉆至理論浸潤線部位(圖3)，然后回填水泥土與環氧樹脂混合物，利用自制月牙型夯板分層夯實，經過以上修復后各測壓管水位與理論浸潤線基本一致。采用該法止水效果好，現場施工方便，能有效解決SL 551—2012中規定采用直徑5～10mm的不同粒徑組成的風干膨脹土黏土球封孔后出現的后期回填質量問題。

圖3 利用洛陽鏟對異常測壓管進行掏鉆修復

5 結語

我國黏性土大壩數量眾多，且多數為建國后所建，受制于當時的經濟發展狀況，大部分填筑質量較差或經過多次除險加固，對這類大壩布置測壓管實時監測壩身浸潤線，提高評價壩身質量及除險加固效果是必要的。由于黏土壩測壓管的埋設質量較難把握，相關規程規范對此亦鮮有介紹，導致現狀黏土壩測壓管存在較大的埋設質量問題，總結如下：

(1)測壓管水位過程線長期偏高，其原因主要為濾料段設計過長，其次為濾料段上部膨脹土黏土球回填質量相對壩身質量較差，測壓管內水位并非全由上游庫水入滲形成。

(2)針對黏土壩測壓管濾料段長度需通過三維滲流計算所得理論浸潤線位置來最終確定，建議濾料段底高程應低于水庫死水位對應的三維滲流計算所得理論浸潤線位置1.0m，頂高程不高于水庫正常蓄水位對應的三維滲流計算所得理論浸潤線位置0.5m，避免因濾料段隨意布置，導致上部滯水對測壓管水位的不確定性影響，更加符合壩身實際運行情況。

(3)黏土壩測壓管若因濾料段過長導致管內水位長期偏高，可采用洛陽鏟掏鉆后分層回填夯實水泥土與環氧樹脂混合物，該方法操作簡單，行之有效。

本文指出SL 551—2012“采用風干膨脹土黏土球回填”“對進水段長度不作要求”的不足，為黏土壩測壓管規范化埋設提供一種新思路，豐富細化了相關內容。