刘家峡黄土心墙土石坝非恒定渗流稳定性分析.doc

刘家峡黄土心墙土石坝非恒定渗流稳定性分析马毅,等:刘家峡黄土心墙土石坝非恒定渗流稳定性分析设计研究刘家峡黄土心墙土石坝非恒定渗流稳定性分析马毅黄鉴高承众(甘肃电力试验研究所兰州730050)(刘家峡水电厂甘肃永靖731600)杨敏惠(甘肃电力公司兰州730050)摘要:分析了刘家峡黄土心墙坝测压管实测水位变化规律,研究了黄土心墙坝在非恒定渗流下的稳定性.关键词:刘家峡水电厂副坝非恒定流实测水位渗透坡降渗透稳定Title:AnalysisonunsteadyseepagestabilityforLiujiaxiaSecondaryDam/byMaYi,HuangandGaoChenhong.et,GansuElectricPowerTestandResearehInstituteAbstract:Thelawofobservedwaterlevelchangeinpiezometrictubeisanalyzedinthispaper.Furthermore,thestabilityofsoilcorewalldamontheunsteadyseepageisstudied.Keywords:LiujiaxiaHydropowerplant,secondadam,unsteadyflow,observedwaterlevel,seepagegradient,seepagestability中图分类号:Tv698.12文献标识码:B文章编号:16711092(2oo3)03一oo13-051前言1.1问题的提出龙羊峡水库投运后,对黄河上游来水起到了多年调节作用.龙羊峡,刘家峡水库的联合调度,对甘肃电网中刘家峡,盐锅峡,八盘峡,大峡水库的运用产生积极影响.刘家峡水库平均运行水位抬高,每年可有两次蓄满或接近蓄满条件,水库运行最低水位抬高,水头增加,水耗降低,为水库经济运行提供了条件.但库水位抬高,相应地给水工建筑物带来一定影响.如何从大坝观测数据中分析这种影响,评价大坝安全状态,对大坝安全运行非常重要.由于刘家峡水库年最低运行水位上升,黄土副坝浸润线也有所上升,尤其是黄土副坝1测压管水位呈逐步上升趋势,是否会影响其安全,是运行人员所关注的问题.本文结合实测数据,分析了黄土心墙土石坝非恒定渗流水位变化规律和渗透稳定性.1.2工程概况刘家峡黄土副坝为黄土心墙土石坝,也称为黄土心墙坝,右坝头伸入地质沟与天然黄土相接,左端通过混凝土联接副坝与右岸溢洪道相连.坝顶全长392.25In,黄土副坝坝顶高程1739m,正常蓄水位1735m,心墙顶高程1738m,黄土心墙设计渗透系数2.6xlm/d,坝壳由砂砾料,石渣填筑.2黄土心墙坝非恒定流实测渗流状态分析2.1黄土副坝非恒定流实测水位变化过程刘家峡黄土副坝渗流观测水位基本随库水位变化.1989-1997年刘家峡水库运行方式与1986年以前明显不同,平均运行水位上升,库水位在低水位运行时间缩短,年最低运行水位上升.同时,1991年,19921993年,1995-1996年库水位年运行出现双峰.上述库水位运行条件变化,使黄土副坝实测渗流水位变化表1黄土副坝渗流观测孔水位统计表(19861997年)Table7:WaterleIdatafromseepageobservationholeatseco门dasoildam(单位:m)孔号l23456-18平均值l703.16l7l2.43l721.73l7lO.53l695.49l722.76l708.4ll7l3.9变幅1.572.526.841.883.621.291.6l孔号lll补l补2补3补4补5平均值l725.16l7l7.23l7l1.59l721.53l7l3.44l714.66l706.73l696.44变幅2.691.151.425.522.252.804.O21.92DesignstudyByMaYi:AnalysisonunsteadyseepagestabilityforLiujiaxiaSecondaryDam与1986年前也有所不同.但仍然与库水位有一定相关关系.统计19861997年各观测孔水位均值,较1988年前有所上升,年均变幅有所减小.表1是黄土副坝渗流观测孔水位(19861997年)统计表.沿坝轴线方向的9测压管水位最高,其次是6测压管,3测压管水位最低,渗流水位从右向左逐渐降低.2.2黄土心墙非恒定渗流实测水位变化规律由于刘家峡水库运行水位变化,黄土副坝渗流呈非恒定渗流,黄土副坝心墙内自由水面及渗流水位随库水位变化而变化,库水位对心墙内实测渗流水位影响明显.库水位低时,渗流水位和自由水面高于库水位,心墙内渗流水位下降;库水位高水位运行时,渗流水位及自由水面低于库水位,心墙内渗压水位上升.由于黄土副坝心墙渗透系数较小(相对而言),库水位上升,心墙渗压水位上升,浸润线也上升,浸润线上升是由于土体逐渐饱和所致;库水位下降,心墙内渗压水位下降,浸润线也下降,自由水面附近土体逐渐释水,自由水面附近土体颗粒之间空隙逐渐失水,浸润线变化过程缓慢,与土体渗透性等因素有关.无论浸润线上升或下降都会使心墙渗压水位发生变化,也就是由于这个原因,黄土心墙实测水位变化滞后于库水位变化.库水位变化心墙内浸润线随之变化,1988-1997年,3实测最大值1727.14m,低于历史最大值1728.27m;实测最大值1712.08m,高于(19r761988年)统计最大值17l1.82m,也高出电模拟试验值1712.O0m,心墙下游部分浸润线明显上升.实测数据表明,黄土副坝心墙渗压水位变化由两种方式引起:(1)渗压分布变化,这种变化对库水位变化反应敏感,尤其库水位在低水位或高水位运行时问较长,坝内浸润线基本达到相对平衡状态,库水位上升或下降初期,从实测数值变化看具有一定的同步性;(2)渗压分布变化引起浸润线位置变化,这种变化是由于土体颗粒之间空隙充水或释水,自由水面上升或下降,变化较缓慢,达到浸润线相对平衡位置时间较长,滞后库水位变化特征.也正是由于上述两种方式的影响及黄土副坝心墙渗流介质分布非均匀性,使心墙内渗流水位变化复杂,测压管实测水位与库水位关系复杂.并且测压管有一定孔径,渗流水位变化测压管也有充水或释水时间,黄土副坝3测压管现场抽水实验表明:测压管抽水后,管内水位回升较陕,抽水量100oHd,管内水位下降94cm,间隔14h后,测压管内水位升至1717.52m,说明管内充水陕,测压管充水时间较短.黄土副坝测压管水位滞后库水位是由于心墙渗透性小引起.从黄土心墙坝实测水位变化看,当心墙前部浸润线及渗流水位低于库水位,心墙渗压水位及自由水面呈现逐渐下降.1988年库水位较低,低水位运行时间较长,心墙测压管实测水位逐渐下降.表2是1988年12月8Et黄土心墙实测水位与对应观测El库水位对比表,从表2中可见位于坝轴线附近的3,6,测压管观测水位高于库水位,2,3,4,8,9,10#测压管实测水位也高于库水位.这些测压管水位呈逐渐下降趋势,说明坝内浸润线下降过程较缓慢.1测压管水位变化与其它测压管水位变化有所不同.2.3黄土心墙1测压管水位变化分析黄土心墙坝1测压管实测水位,1993年1月13El测值1701.80m,1993年1月13El3月29El测值逐渐上升,相应库水位也有逐渐上升趋势.1993年4月-12月,1测压管水位在1703.O01703.95m之间变化,库水位下降,1测压管水位下降不明显.19941995年,1测压管水位变化有不稳定情况;1996年2月8El3月22El库水位逐渐上升,1测压管水位由1705.59m逐渐上升到1706.62m.从1测压管实测数据变化看,库水位变化对1测压管水位有影响,1测压管水位上升并非孔底淤积造成.1998年现场抽水试验表明,1测压管抽水最低高程1700.96m,抽水完成后72h,水位恢复至l705.68m,说明孔底淤积高程在1700.96m以下,抽水后测压管水位是可恢复的,1测压管水位与管外水位保持联系.1996年412月,1测压管水位在l706.37一l706.85m之间变化,变化范围小,水位保持均衡稳定状态.1996年l1月7El1997年3月llEl,1测压管水位变化与库水位有关,从表3可以看出,库水位下降,1测压管水位下降,库水位上升,1测压管水位上升,但库水位与1测压管表21988年1月2月8日黄土副坝实测水位,库水位对比表Table2:ComparisonofreservoirwaterlevelsfromJan.to8thFeb.of1988atsecondarysoildam(单位:m)El期库水位l2348l19880l07l705.65l701.26l7lO.2ll7l8.66l709.44l720.8Ol7l2.55l723.8Ol7l7-3O1988-01-22l705.97l701.32l7lO.1ll7l7.97l709_37l720.63l7l2.46l723.75l7l7_3l1988.一D2-一D8l7O5_33l7O1.25l7lO.ool7l7.16l709.16l72o.48l7l2.43l723.68l7l7.27马毅,等:刘家峡黄土心墙土石坝非恒定渗流稳定性分析设计研究表31测压管水位与库水位对比表(19961107-1991-03-11)Table3:ComparisonofreservoirwaterlevelwiththatinpressuretubeNo.7(单位:m)日期1996-ll-071996-l1-221996一l291996-1223l997-01-13197_0123l9978l99724l997-03-ll库水位l726.68l725.3ll727.48l729.481726.42l724.45l726.34l727.12l728.561孔水位l7o6.4ll7o6.37l7o6.40l7o6.48l7o6.4717o6.42l7o6.55l7o6.56l7o6.58表4绕刺墙稳定渗流平均坡降Table4:Avergegradientsofsteadyseepagearoundkeywal1年份管号水位(m)渗透坡降年份管号水位fm)渗透波降ll704.45Jl0.38ll703.19Jl0.43198l2l7l3.75J3-_,0.6019842l7l3.75J3-20.603l726.96Jl0.483l727.32Jl0.52ll703.77J2_l0.381l703.5lJl0.4l19822l7l3.38Jw0.5919852l7l3.43J20.663l727.6lJl0.483l728.27Jl0.53ll703.67J2一l0.401l702.3lJ2_l0.4319832l7l3.66J20.61l9862l7l275J3-20.573l727.6lJl0.513l725.48Jl0.51水位不成线性对应关系,说明库水位变化渗压分布变化对其周围渗压水位有微小的影响.1测压管水位由17o2m左右逐渐上升到1706m,维持在l706111左右变化.从l测压管水位上升过程及1997年实测数据变化看,1测压管水位仍受库水位变化影响,但库水位下降或上升,此孔水位变化较小,水位保持均衡状态.分析1测压管水位上升原因:(1)库水位运行方式与1989年前有所不同,库水位最低运行水位上升,变幅减小,使黄土副坝心墙渗流水位上升变幅减小,浸润线提高;(2)在混凝土联接副坝上,下游高程17011704m之间,填土质量较差,合格率低于40%,而l孔水位变动范围在l701l705113之间,填土质量对1孔水位可能也有影响.1993年1测压管水位上升过程,测值变化也在17011704m之间,1测压管周围17011704m填土质量差,其它高程填土质量较好,填土质量对土坝渗透性影响,形成土体渗透水分带性.库水位运行方式变化,黄土副坝渗流水位上升,1测压管水位上升到1704m以上,1测压管周围渗流水位变化在填土质量较好土层内,土涔渗透性较弱,l测压管周围渗流水位变化相对较小,变化幅度减小,平均水位偏高,这可能是1测压管水位偏高变化小的原因.1测压管周围渗流水位上升到填土质量较好土层,且1测压管水位变化小,这也有;刊于渗流介质的稳定.3黄土心墙绕刺墙的渗透稳定3.1黄土心墙绕刺墙的渗透坡降比较1,2,3测压管用于监测绕刺墙右端及下游的渗透压力.由于库水位的变化,使坝体渗流为非恒定流,分析绕刺墙的渗流介质稳定时,选择19811986年,l,2,3测压管每年最高水位,计算刺墙的平均坡降(见表4),近似为对应库水位l735m恒定流平均坡降,从表4看出,J.最大值为0.43,J3-2J最大值分别为0.66和0.53,出现在1985年.绕刺墙的允许平均坡降尚无规范可循.在苏联水工建筑地下轮廓设计中,建议一级建筑物土壤接触允许渗透坡降为0.45,二级建筑物为0.5,三级建筑物为0.55.这比上述按测压管最高水位计算的比降要小.从近20a的运行情况看,1,2测压管实测最大值分别为1705.46m,1713.89m.测压管水位变幅较小.滞后于库水位的时间也较长,一般在80-90d,这反映刺墙周围的填土是密实的.1测压管至出逸点的渗透比降小于0.15,又有较厚的反滤层保护,在正常情况下不致发生渗透破坏.3.2黄土心墙绕刺墙的渗透坡降变化1985年库水位在1735m以上运行时间较长,3管最高水位达到历年最大值,滞后最高库水位时间36d;1,2管水位滞后时为88d,该年度1和2管间,2DesignstudyByMaYi:AnalysisonunsteadyseepagestabilityforLiujiaxiaSecondaryDam和3管间的水位差也最大,见表5,电模拟试验值(设计值)3与2水位差16m,2与l水位差4.5m与实测值相差较大.1986年最高库水位l735.55m,3营实测最高水位为l725.48m,与1985年最高管水位l728.27m,相比下降了2.79m,滞后最高库水位时间14d.2实测最高水位为l7l3.09m,滞后最高库水位5668d.l孔1986年水位变化与往年略有不同.6月9Et实测值l701.91m,然后逐渐上升到9月9日测值l703.05m,9月22Et测值l702.65m,10月一11月测值在1702.81l702.95m之间波动,l2月测值开始下降.1987年最高库水位l730.21m,l,3管最高水位分别为l702.05m,l710.42m和l722.88m,滞后最高库水位时间为38d,7ld,21d.从以上资料可以看出,1985年库水位在l735m运行时间较长后,1986年和1987年l,3测压管滞后库水位时间比其它年份要早,并且1986年1管水位变化与其它年份也不同.在混凝土联接副坝上下游高程l7l5l720m之间与l701l704m之间,填土质量较差,合格率低于40%pI,而l孔水位变动范围在l701l705m之间,填土质量对l孔水位变化有一定影响.表519801987年3L和2L1水位差最大值Tab/e5MaxW8terheadof一andin198019873-2每年2-I每年日期日期最大值(m)最大值(m)l98Oll一2414.15198OO7249.56l98ll20714.67198lO92410.51982-l1-2214.531982一O6D99.81983-12-旬514.951983032410.2l984一lll914.93l9840724l1.18l985-ll08l6.76l985-02-23l1.78l986-10-20l2.89l986-050710.64l987-09-2ll2.79l987-050710.94靠近填土下游面砂砾石层内的渗透坡降为O.1lO.13,8测压管下方局部出逸坡降O.15,此部位实测渗透坡降近0.1673,最大水力坡降发生在165至坝后集水洞附近.根据20a实测地下水资料,499孔至165孔间的最大水位差为l2.10m,出现在1981年l2月23日,相应的水力坡降O.1l.测lO至测8间的最大水位差5.98m,出现在1985年2月23日,相应的水力坡降约为0.185,这个数值大于已往分析值,其原因是以往分析所采用的测压管水位都是lOl1月数据,而在此期间l测压管之间的水位差,没有l4月水位差大(表6),故根据实测最大水位差计算的最大水力坡降,更符合实际.测8至测ll间的最大水位差为3.34m,出现在1987年7月31日,相应的水力坡降约为0.123.从上面的数值可见,测lO至测8段水力坡降最大,多年平均最大坡降0.163,每年最大坡降出现时间一般在1-4月之间(表6),最小坡降出现在lO月间.每年出现最大坡降时测1O管的观测水位在1717.221718.80m,测8管水位l7l2.32-l7l3.48m间,因此当出现最大坡降时,测l孔水位高出红砂岩顶部O.991.77m,测8孔水位高出红砂岩顶部OO.6m.从地质条件看砂砾石层沉积较久,底部有1.0m厚砂砾石层已被碳酸盐类胶结,其余1.0m多可以说相对比顶部卵石层紧密,而在发生最大坡降时,测lO至测8段渗透水位在砂砾石层底部2m内变动,这对渗流稳定是有利的.1981年l1月l1日,测8水位为l7l5.71m,测10水位为l719.15m,均为历年实测值中的最大值,高于红砂岩顶部分为2.85m和1.99m,但此时的水力坡降仅为O.1l,另外根据多年平均水位差3.92m,计算的水力坡降约为O.12左右,故若库水位长期在正常蓄水位附近运行,测10至测8段水力坡降估计为0.12左右.从上述情况可见,虽然测lO至测8段水力坡降超过设计允许比降值O.1,但未超出其安全储备范围.根据多年实测资料,除库水位较低的l9871988年外,测8和测lO水位没有明显的趋势性变化,尚未发生异常情况.但在今后运行中应加强观测,做好观测分析工作,及时发现问题,确保大坝安全运行.4砂砾石层非恒定渗透坡降及渗透稳定问题5结论黄土副坝坝基及坝头区砂砾石层上料颗粒级配中缺乏中间粒径,不均匀系数大于2O,属管涌土.设计砂砾石层渗透系数为0.015cm/s,允许水力坡降J=O.1,安全系数为3.根据电模拟试验,大水沟边坡局部出逸坡降为0.125,地质沟口至坝右0+623.25m之间,(1)刘家峡黄土心墙坝渗流符合土坝渗流变化规律.龙刘水库联合调度,刘家峡库水位运行方式改变后,黄土心墙土石坝3,6观测管水位仍滞后于库水位变化,黄土副坝渗流没有出现向不利方向发展的趋势,渗流介质状态稳定.c?一一茎I马毅,等:刘家峡黄土心墙土石坝非恒定渗流稳定性分析设计研究表619791984年测10测8最大水位差出现时间比较Table6TimecomparisionofoccurenceofmaximumwaterheadatNo.10toNo.8in1978-1984(单位:m)日期测lO测8水位差日期测lO测8水位差1979-01-25l7l8.23l7l3.6o4.831979102Ol7l8.54l714.973.571979O2一l2l7l8.17l7l3.165.Ol1979-11-05l7l8.70l7l5.173.53l979一O324l717.64l7l2.724.921979-11-27l7l8.47l714.6l3.861982-01一l6l7l8.46l7l3.964.5l982-10-02l7l6.6ol7l3I433.17l982-02-l5l7l8.54l7l3I225I32198210一lll7l6.6ol714.422.18l982一O3一Oll7l8.53l7l3.1O5.431982-1111l7l8.58l7l5.1l3.47l982一O4一lOl7l8.40干孔/1982-ll-22l7l8.57l714.963.6l1983-0l一24l7l8.53l7l3.644.8919831014l7l6.441714.651.79l983一O223l7l7.76l7l3.364l41983一lO一26l7l6.29l7l5.651.641983-03-l2l7l7I32l7l3.43.921983-11-22l7l8.70l7l5I223I48l983一O4一lll7l7.O8l7l3.383.7l983-l2-05l7l8.62l714.O83.541984-0lo9l7l8.59l714l294.319841009l7l7.15l714.762.39l984一O2一lOl7l8.56l7l3.545.O2l9841029l7l8.46l7l5.043l421984-03-10l7l8I25l7l3.444.8ll984-l1-09l7l8.84l714.953.8