地震前后大坝安全评估与方法研究

祖安君 吴 洁 曹 昕

(1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029； 2.水利部大坝安全管理中心，江苏 南京 210029； 3.常州市金坛区水旱灾害防御调度指挥中心，江苏 常州 213200)

我国西部地区为全球地震灾害最为严重的区域之一，且大部分地区地震烈度高、频率大[1]，可能导致大坝防渗系统破坏等十分严重的震害损失，因此，开展震后大坝安全评估对查明大坝是否出现震损、保障大坝安全运行至关重要。安全监测是大坝的“耳目”，安全监测资料是大坝安全影响因素综合作用的表征，是了解和评估大坝安全性态最直接、有效的方法；另一方面，据资料统计，我国已溃决土石坝中因渗流问题导致溃坝的比例近30%[2]。鉴于此，开展渗流压力监测工作并基于监测数据进行渗流安全分析评价，从而实时掌握土石坝渗流安全状况至关重要[3-5]，能够把握大坝渗流发展态势、预测可能发生风险，在发生险情之前提前做好防护措施，对保障大坝安全具有重要意义。

2022年1月8日凌晨和1月12日晚，青海省门源县分别发生6.9级地震和5.2级余震，本文以距离震中直线距离约55km的甘肃皇城水库为例，在通过测压管注水试验和渗压计人工比测对大坝渗流压力监测数据进行可靠性分析的基础上，对该水库前期除险加固至今大坝渗流压力监测资料开展分析评价工作，重点分析地震后渗流压力监测数据是否有朝不利方向发展的趋势，进而对震后该水库大坝防渗系统是否可靠、渗流性态是否正常作出评估。

1 工程概况

皇城水库位于甘肃省张掖市肃南裕固族自治县皇城镇境内。坝址位于东大河上游骆驼脖子处，属石羊河流域，控制流域面积1030km2，总库容8000万m3，是一座以工农业供水为主，兼有防洪、发电和养殖功能的中型水库。水库正常蓄水位2542.20m，汛期限制水位2539.80m，最低运行水位2520.00m。防洪标准为100年一遇洪水设计，设计洪水位2540.40m；1000年一遇洪水校核，校核洪水位2543.70m。工程等别Ⅲ等，主要建筑物级别3级，工程区地震基本烈度Ⅷ度，抗震设防烈度Ⅷ度。

水库始建于1974年，1980年底停工缓建，1982年复建，1985年8月工程投入运行。2002年1月，永昌县水务局鉴定为三类坝。2007年3月—2009年9月，对皇城水库进行了除险加固。

水库枢纽由大坝、输水发电隧洞(1号输水洞)、输水泄洪隧洞(2号输水洞)、坝后式水电站等组成。大坝为带有短铺盖的壤土斜墙砂砾壳坝，坝顶长501m、宽7.5m，最大坝高45.0m，设计坝顶高程2545.00m，防浪墙顶高程2546.00m。输水发电隧洞(1号隧洞)与输水泄洪隧洞(2号隧洞)位于大坝左岸近似平行布置，均为在花岗岩、砂岩中开凿的直径4.0m的深式进口圆形压力隧洞，进口底板高程均为2506.00m，设计最大泄水流量均为202m3/s，1号、2号隧洞洞身分别长256.37m、288m；进口设1扇4m×4m(宽×高，下同)事故检修平板钢闸门，出口设1扇3.5m×3m弧形工作钢闸门。发电支洞中心线位于发电输水隧洞洞身中心桩号0+203.84右侧，总长44.7m，设计引水流量14.58m3/s，总装机容量3×1250kW。

水库担负着金昌市工农业生产和生活用水供给重任，金昌市每年1.08亿m3的工业用水量中，从皇城水库通过专用渠道调水量达8800万m3；农业用水对象为东大河灌区，原设计灌溉面积42.5万亩，现有效灌溉面积30.2万亩。防洪保护下游灌区8万人口、41万亩耕地及兰新铁路、国道312线的安全[6]。

2 渗流监测布置

测压管为水库初建时埋设，2007—2009年除险加固在测压管内吊装渗压计实现渗流压力自动化监测。共布置16个渗流压力监测点，其中12个大坝渗流压力测点、4个绕坝渗流压力测点。大坝渗流压力监测设置3个横断面[7-9]，分别在0+165、0+265、0+375断面布置4个渗流压力测点；在左岸灌浆平洞内桩号0+494、0+514处分别布置K21、K22测点，右岸桩号0-055、0-033处分别布置K01、K02测点进行绕坝渗流监测(见图1、图2)。

图1 大坝渗流监测设施平面布置

图2 0+265断面渗流压力监测布置

3 监测数据可靠性评价

渗流压力监测数据有效可靠是开展后续监测资料分析的基础，直接关系到对大坝渗流性态评估的可靠程度。本文通过注水试验检验测压管灵敏度，并对测压管内渗压计进行人工比测，从而评价大坝渗流压力监测数据的可靠性[10-12]。

3.1 测压管注水试验

2022年4月20—25日，按照《土石坝安全监测技术规范》(SL 551—2012)要求对测压管进行注水试验，因K03、K07和两岸绕坝渗流压力测点处测压管内无水，故不进行试验，通过注水试验对剩余10根测压管灵敏度进行了检测。注水试验具体流程及判断标准为：首先测量测压管内初始水位，然后向测压管内注水，使测压管内水位上升3m左右后连续观测5天，根据5日后测压管水位判断其灵敏程度。

定义测压管灵敏系数=1-(5日后水位-初始水位)/(注水后水位-初始水位)，若灵敏系数小于0.70，则测压管灵敏度不合格；若灵敏系数为0.70～0.85，表示测压管淤堵，经清洗后尚可正常使用；若灵敏系数为0.85～1.00，则测压管灵敏度合格。

从10根测压管灵敏度检测成果(见表1)中可见，所有测压管灵敏度均合格。

表1 测压管注水试验检测结果

3.2 渗压计人工比测

2022年4月20日，对当前有监测数据且测压管内有水的9支渗压计进行了人工比测，从现场对比渗流监测系统自动化测值(计算水头)与测压管内渗压计实测水头值(实测吊装长度减实测水面深)成果(见表2)中可见，当前渗压计测量误差较小，可满足渗流监测要求。

表2 渗压计人工比测结果

4 渗流监测资料分析

2007—2009年，除险加固完成后实现了渗流压力自动化监测，形成了2008年10月20日—2022年6月20日连续的监测数据，以此数据为基础对渗流压力监测数据进行整编分析[13-16]。为清晰显示震后渗流压力水位变化情况，进而评估震后大坝渗流性态，分别绘制了5个典型断面震前、震后测点渗流压力水位过程线，且绘制了各典型断面震后相对高水位(2022年4月1日2541.18m)下的浸润线。

4.1 大坝0+165断面

0+165断面共设置K03、K04、K05、K06四个渗流压力监测点，绘制各测点渗流压力水位过程线(见图3～图5)。由图可见：

图3 0+165断面测点渗流压力水位过程线

图4 0+165断面震前、震后测点渗流压力水位过程线

图5 0+165断面实测浸润线

a.K03测值过程线为水平直线，测值为仪器安装高程，主要因渗压计位于空气中，未监测到水位。

b.K04、K05、K06测值与下游水位测值接近，因此过程线基本重合。

c.防渗斜墙下游侧测点K04、K05、K06渗流压力水位较库水位显著下降，表明防渗系统防渗效果较好。

d.根据实测浸润线图，经过壤土斜墙后渗流压力水位下降明显，符合壤土斜墙砂砾壳坝浸润线形态，表明该断面防渗系统工作正常，防渗效果整体较好；下游坝坡渗流出口低于坝脚地面高程，故该断面下游坝坡渗流处于安全状态。

e.震前、震后各测点渗流压力水位未出现明显变化，震后测点水位未出现异常升高，表明本次地震未破坏该断面防渗系统。

4.2 大坝0+265断面

0+265断面共设置K07、K08、K09、K10四个渗流压力监测点(见图2)，绘制各测点渗流压力水位过程线(见图6～图8)。由图可见：

图6 0+265断面测点渗流压力水位过程线

图7 0+265断面震前、震后测点渗流压力水位过程线

图8 0+265断面实测浸润线

a.K07自2021年5月后没有读数，且测值过程线为水平直线，测值为仪器安装高程，主要因渗压计位于空气中，未监测到水位。

b.K08、K09、K10测值与下游水位测值接近，因此过程线基本重合。

c.防渗体下游侧测点K08、K09、K10渗流压力水位较库水位显著下降，表明防渗系统防渗效果较好。

d.根据实测浸润线图，经过壤土斜墙后渗流压力水位下降明显，符合壤土斜墙砂砾壳坝浸润线形态，表明该断面防渗系统工作正常，防渗效果整体较好；下游坝坡渗流出口低于坝脚地面高程，因此，该断面下游坝坡渗流处于安全状态。

e.震前、震后各测点渗流压力水位未出现明显变化，震后测点水位未出现异常升高，表明本次地震未破坏该断面防渗系统。

4.3 大坝0+375断面

0+375断面共设置K11、K12、K13、K14四个渗流压力监测点，绘制各测点渗流压力水位过程线(见图9～图11)。由图可见：

图9 0+375断面测点渗流压力水位过程线

图11 0+375断面实测浸润线

a.K11测值过程线为水平直线，K11测值为仪器安装高程，主要因渗压计位于空气中，未监测到水位。

b.K13测值略高于上游测点K12测值，主要受测量误差影响。K12、K13、K14测值与下游水位测值接近，因此过程线基本重合。

c.防渗体下游侧测点K12、K14渗流压力水位较库水位显著下降，表明防渗系统防渗效果较好。

d.根据实测浸润线图，经过壤土斜墙后渗流压力水位下降明显，符合壤土斜墙砂砾壳坝浸润线形态，表明该断面防渗系统工作正常，防渗效果整体较好；下游坝坡渗流出口低于坝脚地面高程，故该断面下游坝坡渗流处于安全状态。

e.震前、震后各测点渗流压力水位未出现明显变化，震后测点水位未出现异常升高，表明本次地震未破坏该断面防渗系统。

4.4 绕渗测点

在大坝桩号0-055、0-033处坝轴线位置设置绕坝渗流测点K01、K02，监测右岸绕坝渗流，两个测点2019年9月由于仪器异常停测，2021年5月恢复监测后数值异常升高，测值不可信；在大坝桩号0+494、0+519处坝轴线位置设置绕坝渗流测点K15、K16，监测左岸绕坝渗流，两个测点2019年9月由于仪器异常停测，2021年12月恢复监测后数值异常升高，测值不可信。为消除库水位影响，对K01、K02、K15、K16测值作无量纲化处理，即获得绕坝渗流位势。绘制各测点渗流压力水位过程线、渗流位势过程线(见图12～图15)。由图可见：

图12 K01、K02测点渗流压力水位过程线

图13 K01、K02测点渗流位势过程线

图14 K15、K16测点渗流压力水位过程线

图15 K15、K16测点渗流位势过程线

a.K01、K02、K15、K16测点水位变化与库水位变化趋势基本一致，表明左、右坝肩监测部位与库水连通性好。

b.K01、K02测点位势接近(约40%)，未呈现增大趋势且整体不高，表明监测部位渗流稳定。

c.K15、K16渗流压力水位接近库水位，测点位势较为接近(约95%)，虽整体较高但未呈现增大趋势，表明监测部位渗流基本稳定，左岸与右岸相比，上游局部位置裂隙更加发育。

d.因绕坝渗流测点数量少，缺乏下游侧绕渗测点，无法根据监测数据判定绕坝渗流情况，但现场检查与运行过程中未发现左、右岸山体相关部位存在异常渗流现象，因此，两岸绕坝渗流并不严重。

5 结 语

a.K01、K02、K07、K15、K16当前无监测数据，应尽快恢复监测；K03、K07、K11测值过程线为水平直线，测值为仪器安装高程，主要因渗压计位于空气中，未监测到水位。

b.各监测横断面防渗体下游测点渗流压力水位较库水位显著下降，表明防渗系统防渗效果较好；实测浸润线图显示渗流未在下游坝坡出逸，表明各断面下游坝坡渗流处于安全状态；震前、震后渗流压力水位未出现明显变化，震后测点水位未出现异常升高，本次地震未破坏大坝防渗系统。

c.两岸绕渗测点水位与库水位相关性较好，左岸渗流压力水位接近库水位，表明左岸山体上游局部位置裂隙更加发育；两岸绕渗测点位势未呈现增大趋势，表明监测部位渗流稳定；因绕坝渗流测点数量少，缺乏下游绕渗测点，无法根据监测数据判定绕坝渗流情况，但现场检查与运行过程中未发现两岸山体相关部位存在异常渗流现象，因此，两岸绕坝渗流并不严重。

d.建议更新改造大坝安全监测系统，并重视巡视检查，每年定期对巡视检查与仪器监测资料进行一次系统整编分析。