石门拱坝建造于文化大革命时期，1972年投产至今已运行26年。大坝属前倾双曲拱坝，由于施工中欠挖，最大坝高、底宽未达到设计要求，该两值实际分别为88.6m和27.3m。全坝除左区座落在钙质片岩上，其他坝基为石英片岩，石英片岩较破碎透水性大，≥1吕荣试验段占总数的23%，钙质片岩裂隙少透水性很小，全部试验段吕荣值均小于1。岩石在垂直方向透水性有分带情况，深部有时吕荣值反而变大。最终实际形成的渗控布置见图1。右区有灌浆幕并排水；左区为钙质片岩透水性小，未设灌浆幕只有排水。

图1　石门拱坝灌浆帷幕和排水孔布置示意图

一、左区8^＃～12^＃坝段渗流性态
　　1.1　坝基扬压力反映　本文选取9^＃坝段作为左区五个坝段的代表，有图2所示的扬压力过程(1988～1995年)。由图可看出这种扬压力与一般拱坝、重力坝者很不相同，其特别处在于年内周期性变化强且春季有陡升陡降的突出“孤峰”出现。这种现象在左区整个坝段中普遍存在；而且自从有比较正规的监测资料以来，直到现在的时期内，该现象都同样存在。

图2　9^＃坝段场压水位变化的统计分析

　　有专家对扬压力进行了统计分析^*，统计中考虑了三种因子即库水位、气温和时效，分析结果见表1。

表1　扬压水位分解结果(1988～1995年)

标准差

复相关系数

图5　5^＃、9^＃坝段α(见正文)值过程线

　　1.2　坝基涌水量反映
　　图3给出左区、右区坝基涌水量1989年～1995年的过程线，由图可见左区这种周期性和春季陡升陡降现象，虽不似扬压力过程那样典型，但本质上仍然存在。

图3　坝基涌水量历年变化
(Q_4～7、Q_8～12分别为4^＃～7^＃坝段(右区总长63.3m)，
8号～12号坝段(左区总长73.9m)坝基涌水量)

　　另外一个情况是，左区坝区涌水量远较右区大。

二、左区特殊渗流机制
　　本区渗流的最大特点是扬压力和涌水量的周期性和春季的“孤峰”现象。虽然这种反映比较奇特，过去已成拱坝、重力坝中尚未见到，渗流反映完全不同，但笔者认为这种渗流反映的机制，主要与石门拱坝坝踵裂缝、水库快速泥沙淤积、大坝变形、基岩岩性、渗控布置甚至水库运行等具体情况有密切关系。
　　诸多资料证明，石门拱坝坝踵(沿坝基接触面或紧邻坝基接触面以下岩体中的第3组平缓裂面)已经开裂。例如图4所示，为9^＃坝段离上游面1m处设置的裂缝计H₄(全长2.5m)的开合度过程，显示1976年春季的某一个时刻(很可能约在1976年3月15日前后，这时正是低温并库水位首次达到最高高程615.70m)坝踵开裂。这时裂缝开度已到2.66mm，后期最大曾达3.018mm,20余年来开合度一直如图4中70年代后期所示情况在振荡变化着，裂缝深度在5～6m以内(限于篇幅另文讨论)。这样就在坝踵附近形成了一个很薄的，但某种意义上可以使地下水较少阻力，比较能自由流动的空腔，如图1—(c)、(d)中B所示。这个坝踵裂缝空间B对渗流的影响，曾就坝基扬压水位作了统计相关分析，部分成果见图2。统计中取坝踵裂缝计H₄的开合度为一个备选因子(其他3个为库水位因子、气温因子和时效因子)，分析证实开合度因子作用显著，入选回归方程。结果知开合度与扬压水位呈正相关，开度增大扬压力水位升高，反之亦然，由图3中可以看到这一点。分析得知坝踵开合度因子对坝基扬压水位变化的影响作用为16.5%(气温因子53.5%，库水位因子30%，时效因子为零)，由于坝踵裂缝开合度变化引起的扬压力水位变化的最大幅值为5.76m。

图4　9^＃坝段坝踵裂缝计(H₄)80年代以前开合度变化
(压缩量为负，反之正)

　　石门大坝虽然并未建造在多沙河流，但由于水库处于“蜀道难行”的窄狭河谷，底部库容很小，淤积仍然很快，1980年坝前即已淤到554m高程，高出建基面约22m(异重流引起)，1983年558m高程，1989年已达560m高程。根据水库管理局分析，淤泥为d₅₀=0.039mm的粉粘土颗粒，渗透系数为10^－5cm/s。文献［2］对本省另一坝所做实测表明，坝前淤积物界面干重为0.7g/cm³，界面以下1m处即大于1.0g/cm³“已具有一定防渗能力”。对于本坝应该说淤积天然铺盖早期即已形成。
　　石门水库是一座南方年调节以灌溉为主的水库，主要解决汉中盆地农作物生长期用水。春季水位蓄到最高，石门地区1月气温最低，考虑到滞后作用，也在春季大坝温度降到最低，两个因素正好叠加致大坝出现向下游位移极值。夏末不大的年调节水库水位被放到最低，库水位降低值有时可达32m(坝高的1/3以上)，夏末秋初坝体温度也达最高两个因素大体叠加大坝出现向上游的位移极值。根据1974年到1995年20余年的实际观测资料，大约相当于坝前淤积顶面的560m高程处春秋季间坝体径向位移上、下游向变幅平均7.23mm(春、秋季出现大坝向下、上游位移的极值，最大变幅近1cm)；大体反映建基面高程的540m处的周期变幅平均2.25mm，该数值与坝踵最大开裂值2.66mm或3.018mm同量级。某种意义上可以大致设想，春季坝体上游面与由高到低逐渐固结的坝前泥沙淤积层间，有一个最大宽度一般不超过7.23mm～2mm的空间，如图1—(c)中的A所示。这个坝前“空间A”(形成渗流通道部位)对渗流的影响，也可以由前述相关分析中得到定量解释。
　　前文谈到气温因子对坝基扬压水位变化的影响作用是53.5%，大于库水位因子的30%，也就是说气温对坝基扬压水位变化的影响最主要。为何气温对坝基渗流会有如此“巨大”的效应呢?笔者认为主要是气温变化引起坝体的温度场变化对坝体位移产生相当影响，在总变化中起主控作用，坝体每年周而复始向上游(夏秋之交)和下游(春末)位移的结果。当然必需说明库水位变化对坝体位移也有相当影响，但不如温度大，对于春末“A”的形成也有相应贡献。而且特别要注意，前文谈到过的由于水库性质造成的“低温高水位”同期存在的事实。我们也可以从另外一个思路做分析。由于渗流是“孤峰”性质的，那么也就是说年内还有“非孤峰”时期，例如前者出现在“春末”，后者出现在其他季节，如图2所示。虽然夏季水库大量放水，高温低水位叠合，与春末低温高水位差别很大，但由于水库库容不大，“非春末”季节，库水也均常在高水位600～618m运行(图2)，而且约有60%的年份最高库水位是在汛期出现(当然这些年春末库水位也依然很高)。也就是说除开“春末”，其他季节也同样会出现高水位。坝前泥沙淤积高程一般年内变化不会很大，是一种客观存在，如果没有坝前泥沙淤积抗渗效应的动态变化(并不一年四季都起固定作用)，那么为甚么在非春季节坝基扬压力会迅速降低和保持稳定值呢(需请联想到的另一点是左区坝段未设灌浆帷幕)?如果泥沙淤积有这种“抗渗动态”效应，那么只能是在紧邻上游坝面部分发生。只有“春末”季节“A”的动态逐渐形成，非春末季节“A”的动态逐渐破坏才能解释上述矛盾现象。尽管过去水工实践中没有见到过这种现象，但它确实是在石门拱坝的实际运行过程中反映出来的新问题，“A”是一种客观的存在。
　　这种A和B在右区存在否?笔者认为A同样存在，至于B′(图1)是否存在笔者没有直接证据(例如像9^＃坝段那样的裂缝计)证实或排除。但是从梁拱法计算、模型试验，特别近期所作应力和渗流综合的非线性有限元分析，均表明右区也应该同规模开裂，也应该形成坝踵渗流通道B′。既然如此，为什么右区的渗流就没有这种“孤峰”渗流反映呢?关键问题在于右区与左区渗控布置上存在着原则性不同，那就是右区在坝上游面后5.76m处设置了水泥灌浆帷幕而左区没有，尽管帷幕深度不大，但却较彻底地“封死”了B′直接通向廊道排水孔(图1中的C)的通道。也就是说灌浆帷幕起了很大作用，阻断了可能存在的可变渗流通道B′，不可能出现明显的“孤峰”现象。
　　A与B首尾相接，并分别与廊道排水空间和水库直接连通，形成通道。这个“A+B”虽然并非完全的“水流通道”，但至少可以认为是一种大体像大裂隙那样的“渗流通道”，或者“松弛通道”，沿程有相应能损，反映在观测孔处的扬压水位比库水位仍有一定的降低。这个A+B或可称之为“可变渗流通道”。这就形成了本坝春季扬压力和漏水量反映大，陡升陡降的“孤峰”现象。作一个设想，如果只有A存在B不存在，类似春末季节右区坝段那样(B′被灌浆幕阻断，相当于B不存在)，水流在相当程度上受阻，不可能或者基本不可能发生本坝的特殊情况(参见图5中5^＃坝段情况)。反过来如果A不存在B存在(类似在左区坝段非春末季节那样)，水流仍在很大程度上受阻，也不会明显出现本坝所特有的典型“孤峰”现象(参见图5中9^＃坝段非春末季节α变化平稳情况)。如果坝前没有泥沙淤积而又坝踵开裂了，那么只有B使库水与廊道内排水孔(通道C)孔口直接相通，从水流观点也许可以把它看成等价于“A+B”，其中A的宽度很大而B的比较小这种意义下的张开通道，这种情况下的坝基扬压水位应该会出现极高的数值。有意义的是我们确实在1976年3月中旬水库高水位615.70m时，观测到左区12^＃坝段的扬压水位高得惊人，居然与库水位只差约1m(这时坝踵已经开裂；坝踵无灌浆帷幕；12^＃坝基高程较高，正式蓄水刚年余泥沙尚未淤积到该坝段上游面基础高程)。
　　需要再次提请读者注意，本坝左区没有灌浆帷幕，如果在适当区域设置了可靠的灌浆阻水帷幕，则这种典型的春季“孤峰”现象至少可限制在极小的范围内(扬压力)，甚至基本消除。
　　这个可变渗流通道与大裂隙、开口裂隙形成的那种渗流通道有相同也有不同处。不同处在于前者通道的情况具可变性。它可以表现为具有明显缝宽的“缝”也可以表现为虽无明确缝宽，但却缝附近一定区域实际渗透性指标加大(坝前泥沙的松弛反映)、渗透性加强的一种“隐形渗水通道”，同时可以在不同的时空条件下二者互换。可变性还反映在另一方面，就是这个“渗流通道”中的“充填物”细颗粒移动交换情况可能更大，容易使渗流通道“堵、通不定”。当然这种堵与通不是在绝对意义上，而是在渗流难易这种工程意义上的。正由于这种可变性，使得图4中所反映的涌水量变化的“孤峰”，比图2中扬压力变化所表现出现比较典型的“孤峰”要差一些，有的年份“孤峰”较低。
　　随着春季低温高水位过程的结束，大坝向上游位移，“隐形渗水通道”被闭塞破坏，恢复了厚实的渗透系数可达10^-5cm/s的坝前天然铺盖。加之大坝的前移回返过程中，坝踵裂缝缝宽大幅度减少，与隐形渗流通道被完全破坏不一样，实测资料(图4)表明，坝踵缝不会完全闭合，始终有一个厚度较小的缝，而且缝中也不同程度地有充填，至少该缝的实际渗透性降低。这样春季中的那个可变渗流通道“A+B”基本上被阻隔破坏而不存在，加之左区坝段坝基为裂缝少渗透性弱的云母钙质片岩，整个坝基渗漏很小(试验段透水性均小于1吕荣)，表现为不论扬压力系数和坝基涌水量均较右区坝段小，该情况在较长时间内均较稳定。这样就形成了一年变化周而复始的“周期性”。
　　简言之，这种特殊渗流反映的机制是：春季低温高水位大坝后倒下移，形成了可变渗流通道“A+B”，致坝基扬压力和涌水量陡升。春夏之交随着灌溉用水逐渐加大且库容较小，库水降幅很大，加之夏季温升，坝体位移向上游并转动回返，破坏了可变渗流通道“A+B”的存在，扬压力和涌水量较快下降，这就形成了扬压力和涌水量的“孤峰”现象。由于“A+B”的被破坏，坝身天然铺盖作用并坝基岩体透水性很弱，渗水性很小，并稳定在一个较长时间内，这就最终形成了扬压力和涌水量变化的周期性。

三、右区坝段与左区坝段渗流反映主要相异点
　　图5示有右区5^＃坝段扬压力折减系数1989年～1995年的过程线，变化稳定，本区其他3个坝段大体也有相同变化。同期右区4^＃～7^＃坝段的坝基涌水量情况见图3，变化相对平稳。两者均不存在周期性和“孤峰”现象。从图5中可以看到春季扬压力(以9^＃坝段为例用扬压力折减系数α反映)右区比左区小，但其他季节反之右区比左区大。主要原因由于右区有帷幕灌浆，在相当程度上阻断了低温高水位情况下的渗流，另一方面也由于右区坝基是石英片岩和云母石英片岩裂隙发育，比左区的钙质片岩尤其发育。从图3中我们可以看到右区比左区坝基涌水量一年中一般均大，造成这种现象的原因，一方面是前面说到的岩石破碎情况不一外，另一个因素就是右区虽有帷幕但很浅，排水孔深度超过了它(图1)，而且前文说到过本坝渗透情况存在着垂直方向的分带性，右区坝段排水深孔打穿了低部相对透水层。第三个因素是右区排水孔(直径110mm)孔距密，中心距2m；左区排水孔孔距4m。除去上述3个情况外，右区可能存在着3元地下水渗流问题，例如右坝肩总体说基岩较左坝肩破碎等。

　　图3中1993年春季左区渗量比其他年大，且大于右区，主要原因是，1993年坝踵缝裂张开度为历史最大达3.018mm，可变渗流通道“A+B”阻渗相对较小，同时在统计时段中该年平均库水位最高。

四、结　论
　　石门拱坝20余年的观测表明，左区扬压力和坝基漏水量有春季“孤峰”出现。这种现象极为特殊，在拱坝实践中似未见过。这种现象的发生与坝踵裂缝、水库快速淤积、大坝变形、基岩岩性、渗控布置甚至水库运行等因素有关。
　　1.这种扬压力和涌水量的“孤峰”现象和年内周期性的渗流机制是：春季低温高水位大坝后倒下移→可变渗流通道“A+B”形成→扬压力及涌水量陡升“孤峰”现象开始→夏季库水大幅度下降和温升坝体位移向上游并转动回返→可变渗流通道“A+B”被封闭→坝前淤积和钙质片岩透水性小，坝基渗控条件变好→扬压力和涌水量较快降低“孤峰”消失→由于渗控条件好(泥沙淤积和钙质片岩的存在)，扬压力和涌水量平稳到达来年，最终形成了以上两值的周期性。
　　2.石门拱坝坝踵裂缝后，经渗流－力学综合有限元分析，应力情况变化不大，目前尚未对大坝安全构成威胁，但缝内反复加、卸水压对大坝工作情况不利。
　　3.左区和右区春季两种不同的渗控布置和地质条件，渗流情况大不相同。主要不同在于左区存在扬压力和涌水量的“孤峰”，右区的帷幕对切断文中所说的“可变渗流通道”有重要意义。另外帷幕对保持扬压力和涌水量年内其他季节的相对平稳也有积极意义。从目前坝前已淤积到560m高程以上的现实条件看，建议对8^＃

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