基于监测资料与隐患探测的水库大坝震后安全评价方法_徐红.pdf

第 59 卷 第 5 期2023 年 5 月GANSU WATER RESOURCES AND HYDROPOWER TECHNOLOGY甘 肃 水 利 水 电 技 术Vol.59，No.5May，2023DOI：10.19645/j.issn2095-0144.2023.05.012收稿日期：2023-04-14作者简介：徐 红（1976-），女，甘肃金昌人，高级工程师，学士，主要从事水利工程建设与管理，E-mail：。基于监测资料与隐患探测的水库大坝震后安全评价方法徐红（金昌市水利工程建设服务中心，甘肃 金昌 737100）摘要：根据工作实践总结出了一种高效、实用的大坝震后安全评价方法，对全面、科学评估大坝震后安全状态、保障工程安全运营具有重要意义。以永昌县西大河水库为例，通过对监测资料的分析，重点分析了地震前、后监测数据的变化情况，对大坝防渗系统震损情况进行了评估。同时，采用高密度电法和地质雷达法对大坝进行了隐患探测，主要检测内容为大坝是否存在渗漏、裂缝等安全隐患。采用安全监测资料分析与隐患探测相结合的手段，对大坝震损情况进行了综合评价，取得了良好的评价效果。关键词：水库大坝；监测资料分析；隐患探测；安全评价中图分类号：TV698.1+3文献标志码：A文章编号：2095-0144（2023）05-0050-061前言根据 水库大坝安全鉴定办法（水建管 2003271号）第五条的规定，水库大坝运营过程中遭遇特大洪水、强烈地震、工程发生重大事故或出现影响安全的异常现象后，应该组织专门的安全鉴定。在地震发生后，对地震影响范围内的水库，首先需要开展震后专项检查。但是，专项检查只能排查建筑物外观震损情况，对于建筑物内部震损情况难以全面掌握。按照SL 258-2017 水库大坝安全评价导则 进行全面安全评价，需要的时间一般比较长。迅速查明大坝震损情况，并且采取应急处置措施，对减少地震及次生灾害损失和保障大坝安全运营具有重要意义1。因此，有必要研究出一种高效、实用、全面、科学的震后大坝安全评价方法。李红梅等2结合现场检查和对大坝变形、渗压、渗漏量等效应量与库水位变化规律的分析，评价了吉林台一级水电站震后的运营情况。吴云星等3采用有机融合层次分析法、信息熵和变权法，在现场检查的基础上，对某水库开展了震损评估。韩晓育4采用MSA方法，基于数据统计，提出了土坝群体震损评价方法。杨德玮等5采用层次分析法，建立了综合评估指标体系，评估了红刺藤水库震损情况。赵剑明等6在考虑前期震动影响的情况下，将数值模拟和试验方法有机融合，对紫坪铺大坝进行了震后评价。陈启振7借助有限元法求解某土石坝震后永久变形情况，对震后坝坡稳定性进行了评价。倪小荣等8通过震损水库评价指标体系，对汶川地震后绵阳某水库的关键指标进行了震损评价。以受到地震影响的永昌西大河水库为例，总结出了一种快速、全面评估震后大坝安全状况的评价方法，取得了良好的评价效果。2工程概况西大河水库位于永昌县城西南60 km处的大河坝滩，水库建成于1974年，集雨面积788 km2，总库容量6 816万m3，是一座以农业灌溉为主，兼有防洪、发电、养殖等综合利用的中型水库。主要承担着永昌县新城子镇、红山窑镇、焦家庄乡、城关镇以及军马四场、黑土洼农场共40万亩农田的灌溉任务。2002-2004年水库进行了除险加固后，正常蓄水位2 870.50 m，死水位2 849.50 m。防洪标准为50年一遇，设计洪水位2 870.87 m。工程等别为等，主要建筑物级别为3级，工程区地震基本烈度为度，抗震设防烈度为度。水库枢纽由大坝、溢洪道和泄洪输水洞组成，大坝为壤土心墙砂砾石坝，坝顶长度294 m，宽度5 m，最大坝高37 m，坝顶高程2 873.2 m；壤土心墙顶高50程 2 872.0 m，厚度 4 m，大坝典型横断面如图 1 所示。溢洪道为侧槽式，共有 5 孔，实用堰顶高程2 869.0 m，最大泄流量338.0 m3/s。泄洪输水洞为直径3 m的圆形压力隧洞，进口底板高程2 838.0 m，最大泄流量109.0 m3/s，设计灌溉面积40万亩9。2022年1月8日1时45分，青海省海北州门源县发生6.9级地震，地震震中距离永昌县城82 km，距离西大河水库仅34 km，水库震感强烈。地震发生后，水库管理部门立即启动应急预案，第一时间对水库进行了震后隐患排查。经过全面检查，未发现大坝存在塌陷、渗水等异常现象。但是，大坝内部是否存在震损破坏，需要通过监测资料分析和现场隐患探测后，进一步做出科学评估。3安全监测资料分析3.1监测点布置西大河水库在2002-2004年除险加固过程中，增加了渗流压力监测设施。主要采用钻孔直接埋设渗压计方式自动监测渗流压力，在大坝桩号0+162、0+210和0+250处设置了监测断面。在各断面上分别布置了3、4、3条监测垂线，监测垂线上设置了23个监测点，合计布置了20个渗流压力监测点。大坝安全监测设施平面布置见图2。3.2渗流监测资料分析渗流监测设施自2004年8月投入运行以来，一直能够正常使用。以实测数据为依据，进行监测资料分析10-12，重点分析地震前后监测数据的变化情况，来判定大坝防渗系统是否遭受到地震破坏。选取具有代表性的桩号0+210断面渗流监测资料进行分析，渗流压力监测断面见图3。在0+210断面设置了K5a、K5b、K5c、K6a、K6b、K7a、K8a和K9a共8个渗流压力监测点，各测点渗流压力水位过程线见图4。地震发生后，在2022年3月2日监测到的最高水位为2 868.82 m，监测点K5c处水位2 867.12 m，K6b处水位2 848.12 m，K7a处水位2 837.19 m，K8a处水位2 835.37 m，实测浸润线见图5。震前、震后测点渗流压力水位过程线见图6。由图46可以看出：2 870.87 m 设计洪水位2 870.50 正常蓄水位1 2.51 2.751 3.0坝砂砾1 0.41 1.0壤土铺盖2 874.00K1壤土心墙K1c红土心墙K1b砼心墙K2bK1aK2aK21 2.5K31 2.5K41 2.51 0.4坝砂砾K4aK3a图1大坝典型横断面图沉降观测点0+270K10S1-3K11S2-3K12S3-3K13S4-30+210K5S1-2K6S2-2K7S3-2K8S4-2K9K1S1-1K2S2-1K3S3-1K4S4-1K压力计S位移标点西大河0+120图2大坝渗流监测设施平面布置2 8822 8722 8622 8522 8422 832高程/mK5aK5cK5bK6bK9aK8aK7aK6a图30+210断面渗流压力监测断面第5期徐 红：基于监测资料与隐患探测的水库大坝震后安全评价方法第59卷51（1）8个监测点的监测值排序为：K5cK5bK5aK6bK6aK7aK8aK9a。在 过 程 线 图中，各监测点渗流压力水位基本符合上述规律，表明监测值可信度较高，基本反映出了大坝渗流的真实情况。（2）监测点K5a、K5b、K5c与库水位呈现较好的2 8752 8652 8552 8452 8352 825水位/m050100150200250降雨量/mm2004-08-082007-05-052010-01-292012-10-252015-07-222018-04-172021-01-11日期K7a降水量K8a水位库水位K9a水位K5c水位K5b水位K6a水位K5a水位K7a水位K6b水位库水位K5cK5aK5bK6bK6aK9aK8a图40+210断面测点渗流压力水位过程线2 8822 8722 8622 8522 8422 832高程/m2 868.822 835.37K5cK6bK7aK8a图50+210断面实测浸润线（2022-03-02）2 8722 8672 8622 8572 8252 8472 8422 8372 832水位/m048121620降雨量/mmK7aK5bK5aK5cK6bK6aK8a2021-11-082021-11-282021-12-182022-01-072022-01-272022-02-16日期降水量K8a水位库水位K5b水位K5c水位K5a水位K6a水位K6b水位K7a水位图60+210断面震前、震后测点渗流压力水位过程线相关性，主要原因是监测点K5a、K5b和K5c靠近大坝上游侧，与库水水力连通性较好。（3）监测点K9a的监测值由2016年4月19日的2 834.76 m突变至2016年4月20日的2 848.88 m，此后一直稳定在2 849.00 m附近，已经远远高于下游地面高程2 836.00 m。现场检查未发现相应坝后坡和下游地面有渗流异常现象。经过进一步了解，在2016年电站增容改造施工过程中，监测点K9a仪器2023年第5期甘肃水利水电技术第59卷522 8732 8682 8632 8582 8532 848高程/m0+1000+1200+1400+1600+1800+2000+2200+2400+2600+2800+300桩号/m1 5001 000800600500300200100100电阻率/（m）1 0008001006005001 500300200600500300200100200300800500600300图7高密度电法探测反演图像遭到了损坏，导致检测数据出现异常。（4）实测浸润线显示渗流压力水位在心墙内下降速度较快，经过心墙后，浸润线变得相对平缓，形态基本正常，没有发生渗流从坝坡下游溢出的现象。心墙前后渗流压力水位变化明显，表明大坝心墙消减了大部分水头压力，心墙的防渗效果整体上较好。（5）典型断面0+210的过程线显示出，震前、震后各测点渗流压力水位未发生明显变化，震后监测点水位没有异常升高，说明地震没有破坏该断面的防渗系统，该断面的渗流性能正常。4隐患探测工程物探是一种快捷、连续、体积性的探测手段，它所观测的物理场分布与变化，不仅与待探测地质体的物理性质和几何形态有关，还与周边的地形、地质条件有关。根据测试目的和实际地形、地质条件，选择了高密度电法和地质雷达法。两种方法操作简单，探测效率高，探测结果直观，对土石坝常见的渗漏、脱空等隐患探测具有较好的应用效果13。4.1测线布置在大坝坝顶下游侧布置了1条高密度电法测线，探测段桩号0+1000+300，长度200 m。探测装置选择温纳装置，电极距2 m，电极101根。在大坝坝顶、下游一级马道和下游二级马道处各布置了1条地质雷达法测线，测线总长度610 m，采用中心频率40 MHz的天线进行探测。4.2探测结果分析4.2.1 高密度电法探测结果采用Res2dinv软件，对探测数据进行模型反演与成像处理，数据反演基于平滑抑制的最小二乘优化算法，反演结果见图7。探测断面处的坝体材料自上而下依次为砂砾石坝壳（坝顶至壤土心墙顶部）及壤土心墙。坝基材料自上而下依次为砂砾石、片麻状花岗岩（中等透水带）和片麻状花岗岩（相对不透水层）。根据SL 436-2008 堤防隐患探测规程，亚黏土电阻率在10100 m，砂砾石电阻率在3006 000 m，花岗岩电阻率在60010 000 m。岩（土）体的电阻率与含水率密切相关，含水率越高，电阻率越小。由图7可以得出以下结果。（1）上部区域主要为坝壳砂砾石层，下部区域为坝体壤土心墙，两边区域为坝肩山体，地层结构与大坝实际情况基本相符。（2）中部区域主要为壤土心墙，如果心墙存在集中渗漏通道的话，相应位置的电阻率值应该小于10 m。反演图像反映出心墙区域电阻率均大于10 m，未见明显电阻率异常区，表明大坝壤土心墙填筑质量完好，不存在明显渗流通道。（3）两岸山体未见电阻率异常区域，表明两岸山体不存在绕坝渗漏通道。4.2.2 地质雷达探测结果对现场采集的 3 条地质雷达剖面（测线 L1L3）数据，采用专用软件进行处理之后，得到地质雷达探测结果图像（图810）。由图810可以得出以下结果。（1）坝顶测线L1下部地层为砂砾石坝壳与壤土心墙，地质雷达探测结果可以见到两种不同介质的