基于原型監測的廣西樂灘電站大壩滲流特性分析

胡 波

［南瑞集團公司（國網電力科學研究院），江蘇省南京市 210003］

基于原型監測的廣西樂灘電站大壩滲流特性分析

胡 波

［南瑞集團公司（國網電力科學研究院），江蘇省南京市 210003］

基于原型監測實測數據，采用時程曲線、分布圖、特征值統計、相關分析、數學模型定量分析等方法相結合，對廣西樂灘電站運行期大壩壩基揚壓力的時空演化規律進行分析和評價。分析表明，揚壓水位岸坡部位明顯高于河床壩段，幕前測點高于幕后測點。帷幕后測點水位與下游水位高度正相關，下游水位是影響幕后測點揚壓力變化的最主要因素，上游水位、溫度、降雨和時效等因素影響均較小。綜合分析認為，樂灘壩基揚壓力測值變化平穩，幕后測點揚壓折減系數未超出控制指標，幕后測點揚壓力受上游庫水位影響較小，說明上水庫與壩基之間沒有大規模的滲漏通道，壩基揚壓力規律正常，大壩處于安全狀態。

原型監測；滲流；時空演化；統計模型

0 引言[1]

揚壓力是重力壩強度和穩定計算中的重要荷載［1，2］。大壩建成蓄水后，在上下游水位差的作用下，將在壩基產生滲流。滲流將對壩基產生向上的揚壓力，減少了大壩的有效重量，對壩基抗滑穩定產生不利影響。正確認識壩基揚壓力特性將直接影響到工程的安全性和經濟性，具有重大的工程價值和科學意義［3,4］。

在眾多的評價手段中，原型監測是最直觀、可信的方法之一［5］。模型試驗受加載技術的限制，揚壓力或滲水壓力一直難于模擬；純理論的力學分析成果也難于直接應用于工程實踐，存在力學模型難于簡化、邊界條件難于準確確定等困難；數值模擬在計算參數選取、不連續面特性描述等方面也存在困境。原型監測及分析是了解大壩工作狀態、監控大壩安全重要而傳統的手段，在壩工界歷來受到廣泛重視［6-13］。壩基揚壓力常埋設測壓管進行監測，必要時，亦可在管內放置滲壓計進行監測［14］。

本文基于原型監測成果，總結和歸納了樂灘壩基揚壓力的時空演化規律，并從中提煉了若干需要重點關注的“焦點”問題。針對這些問題，運用特征值統計、時間歷程線分析、物理成因建模分析、綜合比較等方法進行分析和探討，總結了壩基揚壓力變化規律，分析了揚壓力的主要影響因素、作用機制及發展趨勢，在此基礎上對樂灘壩基的滲流穩定性進行了評價。

1 工程概況

紅水河樂灘水電站位于廣西忻城縣紅渡鎮上游3km，電站是在原壩址上擴建的一座以發電為主，兼有航運、灌溉等綜合利用效益的大（Ⅱ）型水電工程，總裝機容量600MW。水庫總庫容9.5億m3，具有日調節能力。主要建筑物有攔河壩、河床式廠房、左岸邊坡、船閘及開關站等。

壩址河道為縱向U形河谷，區域構造情況相對穩定，巖層走向與河流大體一致，發育的斷層規模較小，以層間錯動為主。

壩基巖體以中厚層灰巖為主，多為弱風化～微風化，巖體較完整，地下水一般為溶隙、裂隙性滲透，局部有小溶洞滲流現象［15,16］。

2 原型監測設計

2.1 設計原則

監測系統設計主要遵行了以下原則［17-19］：

（1）目的明確，需求導向。主要目的是為了分析壩基揚壓力，了解揚壓力的時空分布規律，為物理成因分析、穩定性評價提供基礎數據保障，監測項目設置和測點布置以滿足分析需求為導向。

（2）系統布置，重點突出。按規范要求，結合工程實際，統籌安排監測項目和測點，做到監測項目全面、空間布局合理，同時對關鍵部位進行重點監測，盡可能滿足不同工況和極端工況下的監測需求。

（3）兼顧技術的可靠性、實用性和先進性。選擇耐久、可靠、實用的儀器，力求先進和便于實現自動化。

（4）恰當的經濟合理性。在保證分析需求的前提下，優化設計，力求以最少的投入取得最好的監測效果。

2.2 測點布置

壩基揚壓力采用在測壓管中安裝滲壓計進行觀測，根據各個測壓孔水位的不同變化規律，選用0.07Mpa、0.175Mpa、0.35Mpa、0.7Mpa四種規格。測值符號規定水位升高為正。

選擇3個典型觀測橫斷面，即在4號機右側橫向基礎廊道、2號機左側橫向基礎廊道內和6號壩橫向廊道內各設一個斷面，在帷幕前設1個測點，帷幕后設3個測點；其他機組壩段在帷幕后各設一個測點。共設32個揚壓力觀測點，測壓管鉆孔深度至壩基巖下1m，測點布置如圖1所示。

圖1 測點布置圖Fig.1 Layout of the monitoring points

3 成果分析

3.1 揚壓力時間演化規律

上水庫正常蓄水位112m，死水位110m，2007年以后上庫水位變化幅度較小（年變幅3.4m），相比而言下游水位變化較明顯（年變幅27.0m）。灌漿帷幕前和帷幕后的測點揚壓力呈現出截然不同的變化規律，典型過程線如圖2所示。

圖2 揚壓水位典型過程線Fig.2 The hydrograph of uplift pressure

幕前測點C4-1部位的揚壓水位高程略低于上游水位，測值變化明顯受上游庫水影響，2007年以后測值變化不大（年變幅3.2m）。幕后測點C4-3部位的揚壓水位測值與下游水位的相關性較高，相關系數達0.74，部分時段水位甚至略低于下游水位（滲壓系數為負值）。揚壓水位與上下游水位的相關分析成果見表1。

表1 揚壓水位與上下游水位相關系數表Tab.1 Correlation coefficient between uplift pressure and water level

可以看出，幕前測點揚壓水位高程大于幕后測點，符合一般規律。幕后測點揚壓水位高程與上游水位的相關性低，經計算發現幕后測點滲壓系數均未超過設計控制指標。這說明上游帷幕的隔水作用較好，上庫水與壩基之間沒有大規模的滲漏通道，這對大壩安全是有利的。

3.2 順河向揚壓分布規律

典型溢流壩段（6號壩段）和機組壩段（4號機）順河向揚壓力監測布置情況如圖1所示，典型時刻（以2008年11月6日數據為例）揚壓水位高程分布情況如圖3所示，揚壓水位高程與上下游水位相關分析結果如表2所示。

圖3 揚壓水位高程分布圖Fig.3 The distribution of uplift water level

表2 揚壓水位高程與上下游水位相關系數表Tab.2 Correlation coefficient between uplift pressure and upstream and downstream water level

由圖3和表2可以得到以下幾點認識：

（1）各監測橫斷面測點揚壓水位高程較低，幕后測點水位高程明顯低于下游水位，說明該部位大壩上游的隔水、排水系統運行良好。計算出的滲壓系數為負值，低于控制指標0.25，滿足設計要求。

（2）溢流壩段靠近下游面的揚壓水位高程甚至高于上游測點，說明帷幕隔水作用良好，該監測斷面幕后測點壩基揚壓主要受下游水位影響。結合過程線圖分析，2008年6月15日、2008年11月7日、2009年7月5日下游水位過程線出現3個波峰，測點揚壓水位高程與之對應的亦出現3個波峰，有較強的關聯性，也印證了該斷面測點揚壓主要受下游水位影響這一結論。

（3）2008年1月以來，下游水位對溢流壩段揚壓水位高程的影響明顯高于上游水位，揚壓水位高程與下游水位最大相關系數達0.88（B6-3）。

（4）溢流壩段幕前測點B6-1揚壓很小，應該與監測部位上游的舊溢流壩的阻水作用有關。

以6號壩段2008年11月6日數據為例，揚壓力及壩體自重應力、水壓等分布情況如表3和圖4所示。可以看出，該斷面的揚壓力不容忽視，揚壓力與壩體總壓應力比例最大值達32.5%（B6-4）。靠近下游的測點揚壓力與壩體總壓應力比例高于上游，這也進一步驗證了該斷面下游水位對揚壓力影響較大的結論。

表3 6號壩段2008年11月6日揚壓力測值Tab.3 The uplift pressure data at monolith 6 on Nov.6,2008

3.3 橫河向揚壓分布規律

2008年1月以來橫河向各測點滲壓系數特征值分布情況如圖5所示。以2009年9月29日測值為例，橫河方向揚壓水位高程的空間分布情況如圖6所示。

由以上圖表可以得到以下幾點認識：

總的來看，2008年1月以來，絕大多數壩段幕后測點的滲壓系數未超過設計控制指標，且大部分測點測值平穩，揚壓水位高程變化小，表明壩基幕后各測點的揚壓力總體正常。

圖4 6號壩段揚壓力分布圖Fig.4 The distribution of uplift pressure at monolith 6

圖5 滲壓系數特征值分布圖Fig.5 The distribution of seepage coefficient maximum and minimum value

圖6 橫河向揚壓水位高程典型分布圖Fig.6 The distribution of uplift water level along the dam axis

從空間分布規律來看，岸坡部位揚壓水位高程明顯高于河床壩段，經過與水位過程線進行對比發現，岸坡壩段揚壓水位高程與上游水位無明顯相關性，這與兩岸的地下水補給有關。

3.4 建模分析

影響壩基揚壓力大小的主要因素有上游水位W1、下游水位W2、壩基溫度T、降雨入滲P和時效t［2］。結合樂灘實際情況，揚壓水位高程H統計模型可表示為：

式中：HW1、HW2、HT、HP和Ht——分別為上游水位、下游水位、溫度、降雨量和時效分量；

H0——測點高程；

θ——觀測日至始測日的累計天數除以100；

Ai、Bi、Ci、Di和Ei——待定系數。

以C4-3測點2008年7月1日至2009年10月1日期間的監測數據為例，運用偏最小二乘法進行回歸分析，模型擬合值、實測值及殘差對比情況如圖7所示，揚壓水頭各影響因素分量如圖8所示。數學模型復相關系數為0.97，模型相對精度優于1%（相對精度為剩余標準差與測值變幅的比值），模型計算值與實測值十分接近，這說明模型有較高的精度。下游水位分量變幅約為15m，對揚壓的貢獻比例約94.2%（見表4）。

圖7 數學模型擬合值與實測值對比Fig.7 The comparison between observation value and mathematical model value

圖8 各影響因素水頭分量過程線圖Fig.8 The time history diagram of different influence factors

表4 拱冠梁位移分量分解表Tab.4 Cause analysis of displacement on arch crown

由成果可知，下游水位是影響測點C4-3揚壓力變化的最主要因素，其對揚壓力的貢獻比例最高，占93.8%；上游水位、溫度、降雨和時效等因素影響均較小，這與過程線圖定性分析的成果較為吻合。

時效分量的變化發展通常與基巖及防滲體微結構、材料徐變等因素有關，一定程度上反映了大壩的運行狀態。由圖8可知2008年以來，揚壓力時效分量變化極小，趨于穩定，這對大壩安全是有利的。

4 結束語

本文運用概化力學分析、時空分布分析、數學建模定量分析等多手段相結合的方法，對樂灘大壩運行期壩基滲流特性進行了深入分析，主要得到以下幾點認識：

（1）從時間演化規律上看，帷幕前測點的揚壓水位高程略低于上游水位，測值變化明顯受上游庫水影響，2007年以后測值變化不大（年變幅3.2m）。帷幕后測點的揚壓水位測值與下游水位的相關性較高，部分時段水位甚至略低于下游水位。

（2）順河向揚壓水位高程空間分布規律，大部分幕前測點揚壓水位高程大于幕后測點，帷幕后測點的揚壓折減系數均低于設計控制指標，說明大壩隔水、排水系統運行良好。部分測點揚壓折減系數為負值，主要因為該測點水位高程低于下游水位的緣故。

（3）橫河向揚壓水位高程空間分布規律總體來看，岸坡部位揚壓水位高程明顯高于河床壩段，經過與水位過程線進行對比發現，岸坡壩段揚壓水位高程與上游水位無明顯相關性，這與兩岸的地下水補給有關。

（4）相關分析和數學模型定量分析均表明，下游水位是影響樂灘壩基帷幕后測點揚壓力變化的最主要因素，其對揚壓力的貢獻比例最高（大于90%）；上游水位、溫度、降雨和時效等因素影響均較小，這與過程線圖定性分析的成果也較為吻合。揚壓力時效分量趨于穩定，變化極小。

（5）綜合分析表明，樂灘壩基揚壓力測值變化平穩，幕后測點揚壓折減系數未超出控制指標，幕后測點揚壓力受上游庫水位影響較小，說明上水庫與壩基之間沒有大規模的滲漏通道，壩基揚壓力處于可控狀態，未見危及大壩安全的大規模異常現象，大壩目前處于安全狀態。

［1］潘家錚.重力壩設計［M］.北京：水利電力出版社，1987.

［2］陳媛，張林，陳建葉等.基于相似理論的重力壩揚壓力等效模擬方法研究［J］.四川大學學報（工程科學版），2008，40（3）：53-58.CHEN Yuan,ZHANG Lin,CHEN Jianye,etc.Study on the equivalent method for simulating the uplift pressure of gravity dam based on the similarity theory［J］.Journal of Sichuan University(Engineering Science Edition),2008,40(3):53-58.

［3］吳中如，沈長松，阮煥祥.水工建筑物安全監控理論及其應用［M］.南京：河海大學出版社，1990.

［4］胡波，趙海濱，王思敬等.隧道錨圍巖拉拔模型試驗研究及數值模擬［J］.巖土力學，2009，30 （6）:1575-1582.HU Bo,ZHAO Haibin,WANG Sijing,etc.Pulling test of anchorage model and numerical analysis［J］.Rock and Soil Mechanics,2009,30(6):1575-1582.

［5］李敦仁，蔣道蘇.樂灘水電站壩址工程地質［J］.紅水河，2006，（2）：87-90.LI Dunren,JIANG Daosu.Dam site of letan hydropower station engineering geological condition［J］.HongShui River,2006,(2):87-90.

［6］趙志仁.大壩安全監測的原理與應用［M］.天津：天津科學技術出版社，1992.

［7］李作光，范永思.豐滿大壩重建工程基礎開挖對老壩壩基揚壓和漏水觀測值影響分析［J］.水電與抽水蓄能，2015，1（2）：45-51.LI Zuoguang,FAN Yongsi.Reconstruction of Fengman dam excavation the uplift pressure on dam foundation and leaking data analysis［J］.Hydropower and Pumped Storage,2015,1(2):45-51.

［8］李作光，范永思，于承躍，劉寶睿，劉桂紅.豐滿大壩重建施工期老壩漏水自動化設備改造及運行測試［J］.水電與抽水蓄能，2016，2（3）：68-72.LI Zuoguang,FAN Yongsi,YU Chengyue,LIU Baorui,LIU Guihong.The reform of water leakage monitoring equipment and operation tests in the dam rebuild［J］.Hydropower and Pumped Storage,2016,2(3):68-72.

胡 波（1980—），男，博士后、高級工程師，博士研究生，主要研究方向：水工結構及巖土工程安全監測理論、方法及應用。E-mail:hubonj@126.com

Analysis of Seepage Characteristics of Letan Hydropower Station

HU Bo
(NARI Group Corporation,State Grid Electric Power Research Institute,Nanjing 210003,China)

Based on prototype monitoring data,time-history curve,spatial distribution diagram,statistical analysis,correlation analysis and mathematical model analysis are integrated to study the seepage characteristics of the Letan dam.The results show that the uplift pressure before grout curtain is related to the upstream water level,and the uplift pressure after grout curtain is related to the downstream water level.The uplift pressure water level near the bank is much higher than which on bed.The uplift pressure water level before grout curtain is much higher than which after grout curtain.The uplift pressure coefficient is not beyond the control index,which indicate the waterproof and drainage system is in good condition.Downstream water level is the key factor to impact the uplift pressure after grout curtain.In conclusion,the temporal and spatial distribution of uplift pressure is interpreTab.and normal,and the dam in safety.

prototype monitoring; seepage; temporal and spatial distribution; statistic analysis model; comprehensive evaluation

TV642.3

A 學科代碼：570.25

10.3969/j.issn.2096-093X.2016.05.008

國家自然科學基金資助項目（51139001）；國家人力資源與社會保障部留學人員科技活動擇優資助項目（2009003）；江蘇省自然科學基金資助項目（BK2009479）；江蘇省博士后科研資助計劃（1101049C）。