均质土坝坝内垂直砂墙的排水效果分析

李建军

（胜利石油管理局生产管理部，山东 东营 257000）

1 引言

均质土坝在坝体合适位置设置垂直砂墙排水，可以降低坝体浸润线高度、减小渗透压力，增加下游坝坡的抗滑稳定性。土坝设计中这是一个常用结构措施，常可取得良好效果。但设置砂墙排水其长期运行后效果如何，是一个需要探讨的问题，胜利油田耿井水库围坝设置了垂直砂墙排水，已经运行18年，2006年设置了自动化渗流监测系统，分析此原型观测资料，可以对此问题的研究提供一个有价值的资料。

2 工程概况

耿井水库是一座引黄供水的平原水库，设计蓄水位 10.4m，死水位 5.0m，设计库容 2080×104m3。1991年 9月开始蓄水运行，至今仍为向胜利油田供水的骨干水库之一，每年蓄水至设计高水位有3～4次，运行频繁。

水库围坝为均质碾压式土坝，就地取土填筑。坝顶高程11.8m，坝顶宽度7.0m，最大坝高 7.74m，围坝全长7.72km。坝基浅层为淤泥质粘土和粉质粘土，渗透系数在 1.66×10-5～2.50×10-6cm/s之间，坝体粉质粘土渗透系数4.78×10-5cm/s。在坝轴线下游6.5m处设厚1.0m的垂直排水砂墙，其顶高程8.0m，底高程3.25m。在砂墙底沿坝轴线每100m设一条通向下游坝脚集渗沟的碎石排水带，排水带剖面尺寸为0.6×0.6m，可将砂墙内渗水排至下游。

砂墙用料为中粗砂，要求填筑干密度为16.0kN/m3，渗透系数达到1.0×10-2cm/s。排水带碎石粒径上游段为2～4 cm、下游 4～8cm，均用 300 g/m3无纺土工布包裹。砂墙和碎石排水带施工，要求先填筑坝体，压实后挖沟填筑，以保证坝体土料不致混入排水体中影响排水效果。

3 监测仪器布设

建坝时曾埋设测压管监测浸润线高度，共设8个监测剖面，每个剖面布置6根测压管。这些测压管不久即逐渐淤堵，至1995年全部失效。

2006年10～11 月重新设置大坝渗流监测系统，观测项目包括渗透压力、渗流量和水库水位。渗透压力观测仪器采用振弦式孔隙水压计，渗流量用薄壁量水堰配堰上自记水位计，水库水位采用浮筒式自记水位计，均接入监测系统，实现数据自动采集、通信传输、资料整编一体化。监测系统设置了8个监测剖面，每个剖面设4～5个测点，测点布置以桩号5+440剖面为典型示于图1。由图1可见，在上游渗流入口附近、砂墙前后、渗流出逸附近各布设测点一个，K30是观测下游水位的测点，每坝段设一个。自动数据采集频率为每天1次。

图1 监测测点布置图

4 监测结果分析

对2006年12月1日至2008年3月30日的系列观测整编资料进行分析，计算各测点渗透压力水位与库水位之间的复相关系数，同时进行了反演分析和设计高水位条件下的有限元渗流计算，根据计算分析成果，可以得到如下认识。

4.1 库水位过程线和测点渗压水位过程线相关性分析

以桩号5+440剖面（如图2）为例分析，各测点渗压水位随库水位的升降而升降；随着测点距上游库水距离的增加，渗压水位逐渐降低，并且与库水位的相关性逐渐降低。在渗流入口测点渗压水位与库水位相关性很高，8个监测剖面的相关系数均值达到0.892，砂墙上游测点相关系数均值0.675，砂墙下游测点相关系数均值0.351，至下游坝脚处此值仅0.196，与库水位的相关性已很低。这一现象符合土坝渗流的一般规律。

图2 典型库水位和测点渗压水位过程线

4.2 排水效果分析

设计渗流计算给出设计蓄水位10.4m、下游水位4.5m条件下坝轴线下游6.5m（砂墙上游边）处浸润线水面高程6.23m，在下游坝坡的出逸高程5.79m。

整编原型观测资料系列范围内，库水位6次达到或接近设计库水位10.4m。分析2007年2月1日砂墙上游测点渗压水位可见，除桩号5+440剖面渗压水位达到6.50m、超过设计值6.23m以外，其它各监测剖面渗压水位值在4.0～5.36m之间，低于设计值约1～2m。另外，所有监测剖面渗流均未在下游坝坡出逸，只有北坝段（桩号5+440、6+640剖面）渗压水位在4.5m之上，其余各剖面渗压水位均低于4.0m，在3.5m～3.8m之间，现场未见渗流出逸。

由比较可见，坝体设置垂直砂墙排水对降低浸润线高度的效果还是明显的。北坝坡的渗压水位抬高与广利河的整治有关，广利河经流北坝段下游，距下游坝脚50m不到，河道拓宽出土抛于坝下，堵塞了碎石排水带出口，反证了垂直砂墙的排水作用。

4.3 渗流趋势分析

由对库水位与测点渗压水位过程线分析可见，在整编资料系列中，测点渗压水位有逐渐抬高的趋势。以2007年2月1日与2008年2月10日 （库水位均达到设计蓄水位10.4m）的测点渗压水位比较可见，砂墙上游测点渗压水位抬高值最少的为0+540剖面的0.22m，最高为3+139剖面的1.32m；砂墙下游测点的渗压水位抬高值最少的为0+540剖面的0.15m，最高的为1+840剖面的1.35m。这一现象说明，砂墙或水平碎石排水带有淤堵现象，使得渗流有向不利方向发展的趋势。

4.4 渗透稳定性分析

在对各监测剖面进行反演分析，调整坝体坝基土体渗流系数的情况下，在设计库水位10.4m条件下进行了渗流场有限元计算分析，计算对围坝的东、南、西、北坝段各取一监测剖面进行，计算成果表明，渗流均不在下流坝坡出逸，渗流沿程渗透稳定性均满足要求，因此近期渗流是安全的。

5 结 论

综合上述分析，可以得到如下结论：(1)均质土坝坝内设置垂直砂墙排水，对降低浸润线高度的效果是明显的。(2)砂墙排水长期运行，淤堵现象是存在的。为避免这一现象的出现，坝内排水体设计必须保证反滤构造满足防淤堵准则。(3)耿井水库大坝垂直砂墙经18年运行，渗流状态有向不利方向发展的趋势，但近期尚不致影响到大坝的渗流安全。