某水電站壩基揚壓力局部異常原因分析

陳 鍇，劉代彬，蘭有磷，張昌隆

（1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州，311122；2.福建華電高砂水電有限公司，福建 三明，365050）

0 引言

壩基揚壓力是監(jiān)控混凝土重力壩安全狀態(tài)的控制性指標之一，其大小及分布情況主要與基巖地質特性、裂隙程度、帷幕灌漿質量等因素相關，向上的壩基揚壓力減少壩體的有效重量，降低重力壩的抗滑穩(wěn)定性，其大小直接影響大壩安全性[1]。壩基揚壓力一般采用在壩基埋設滲壓計或布置測壓管的方式進行監(jiān)測，通過分析實測壩基揚壓水平及其變化規(guī)律來判斷是否正常，再計算壩基滲壓系數來判斷其是否在設計控制指標內[2]，從而及時掌握壩基防滲帷幕的防滲效果等情況。

異常的揚壓水位及滲壓系數是壩基揚壓力監(jiān)測資料分析的重點。筆者在現(xiàn)場測試壩基揚壓力的基礎上，結合壩基地質條件與工程結構特征，采用定性和統(tǒng)計模型定量等相結合的方法，對個別壩段壩基防滲帷幕后測壓管的異常揚壓水位進行綜合分析。

1 問題的提出

某水電站為閩江主要支流沙溪河段水電水運梯級開發(fā)的第六級，為三等中型工程，閘壩、泄洪閘等主要建筑物為3 級建筑物，相應的設計、校核洪水標準重現(xiàn)期分別為50年和500年，地震基本烈度為Ⅵ度。壩址以上集水面積11 329 km2，總庫容0.4億m3，為日調節(jié)水庫，總裝機容量為5萬kW。樞紐采用河床式布置，由攔河壩、電站廠房和船閘等主要建筑物組成。攔河壩為混凝土實體重力壩，壩頂全長316 m，最大壩高30.47 m，自左至右依次為左岸擋水壩段、船閘壩段、泄洪閘壩段、發(fā)電廠房壩段、右岸擋水壩段，其中泄洪閘壩段共設9 孔溢流孔，堰頂高程89.00 m，孔寬16 m。

根據工程的地質條件、工程結構特征等，工程設置較為完備的壩頂水平和垂直位移、壩基揚壓力、閘墩鋼筋應力等監(jiān)測項目。為監(jiān)測工程壩基揚壓力情況，在右岸2 號壩段、廠房1 號和2 號壩段、泄洪閘5～10號、左岸12號和13號壩段壩基帷幕后共布置14 個測壓管，其中在2 號廠房、7 號閘壩及13號岸坡壩段的順河向均布置有2個測壓管，其他壩段各布置1個。

對壩基揚壓力歷年實測資料進行分析發(fā)現(xiàn)，右岸裝配場、廠房壩段和左岸13 號壩段的揚壓水位較高，與上游庫水位存在較明顯相關性，高水位下滲壓系數超設計控制指標（0.5）較多，對壩體抗滑穩(wěn)定不利。

2 現(xiàn)場測試

在分析揚壓力測值前，需先判斷各測壓管的工作狀態(tài)，以掌握實測數據的可信度。現(xiàn)場采用注水方式對測壓管進行靈敏度測試，注水試驗在測壓管內水位穩(wěn)定的情況下進行。測試前，先測定管中水位，然后向管內注入清水，注水量在2～5 m；注水后按設定時間測定管中水位。第1次讀數在注水后2 h左右，第2次讀數在注水后24 h左右，第3次讀數在注水后48 h，第4次讀數在注水后5 d。若5 d后水位未恢復或未接近原注水前水位（差值不大于20 mm），應在7 d 左右再測一次，結束測試。部分測壓管的測試結果見表1。

表1 部分測壓管靈敏度測試結果Table 1 Results of the tests on the sensitivity of some piezometer tubes

經現(xiàn)場測試確認，本次所關注的右岸裝配場、廠房壩段和左岸13 號壩段上測壓管UP2、UPC1、UPC2-1、UPC2-2、UP13-1、UP13-2的靈敏度合格，表明以上測壓管的工作狀態(tài)較好，其揚壓水位測值可信。

3 壩基滲壓計算及分析

3.1 揚壓力變化

選取2010年1月～2018年12月間的環(huán)境量、壩基揚壓力測值進行分析，并繪制上下游水位、壩址降水量和氣溫、各典型測孔揚壓水位測值過程線，見圖1～3，由圖可知：

圖1 上、下游水位測值過程線Fig.1 Monitored upstream and downstream water level

圖2 壩址降水量、氣溫測值過程線Fig.2 Monitored precipitation and temperature at the dam site

圖3 典型壩基揚壓水位測值過程線Fig.3 Typical monitored uplift pressure in the foundation

（1）上游水位變化是影響壩基揚壓水位的主要因素，且有一定的滯后效應。壩基上游側測孔水位總體較下游側稍高。下游水位變化對河床壩段壩基揚壓水位也有一定影響。

（2）氣溫變化對個別揚壓測孔水位有一定影響。在相近的庫水位條件下，氣溫升高，個別測孔水位降低，氣溫降低則反之。初步分析認為主要是由于外界溫度變化會影響基巖裂隙開合度大小，氣溫升高，巖體及混凝土膨脹，裂隙壓緊，滲透減小，壩基防滲性能提高，壩基揚壓測孔水位相應降低，反之則導致測孔水位升高。降水量對個別揚壓測孔水位有一定影響，且有滯后效應，降水量大、庫水位較高時測孔揚壓水位較高，反之則較低。

（3）壩基揚壓水位沿壩軸線方向總體呈現(xiàn)兩岸壩段較高、中間河床壩段較低的分布規(guī)律，且這一分布規(guī)律基本不隨時間推移而改變，不同時段內水位變化也不大，表明各壩段壩基揚壓水位分布和揚壓水位總體較穩(wěn)定。

3.2 壩基滲壓系數

大壩防滲采用常規(guī)帷幕灌漿處理，在大壩上游側基礎設置單排帷幕灌漿孔，孔深7～15 m。單排帷幕中心線為壩下0+002.00 m，樁號壩左0+179.50～壩左0+226.00 m帷幕中心線設置在壩下0+001.00 m。大壩防滲帷幕與兩岸岸坡相接，該帷幕的作用是減少來自上游水庫的滲透壓力，大壩下游側無帷幕。根據設計要求，大壩壩基帷幕處滲壓系數取0.5。

壩基揚壓力是壩體和基巖結合面的浮托力和滲透壓力之和，影響壩基揚壓力大小的主要因素有上游和下游水位、帷幕防滲效果及壩前淤積情況等。壩基滲壓或揚壓系數計算公式[3]如下：

式中：HP為測點實測揚壓水位，單位m；HS為上游水位，單位m；HX為下游水位，單位m；HC為測點處基巖高程，單位m。

選取上游水位較高且下游水位較低工況，典型滲壓系數計算過程線見圖4。由圖4 可知：泄洪閘各壩段的壩基最大滲壓系數相對較小，均在設計控制指標內，說明泄洪閘壩段基礎的帷幕防滲效果較好，防滲系統(tǒng)運行正常。右岸裝配場壩段、廠房1號和2 號壩段以及左岸13 號壩段的壩基最大滲壓（或揚壓）系數為0.67～0.91，超出設計值（0.5）較多，其原因可能有以下幾點：

圖4 2018年上游高水位時段各測壓孔滲壓系數分布Fig.4 Seepage pressure coefficients in 2018 with high up?stream water level

（1）廠房壩段建基面為新鮮堅硬完整性好的厚層狀砂礫巖，該工程為中型規(guī)模電站，帷幕防滲的標準為q≤3 Lu。根據工程壩（廠）基帷幕灌漿情況，廠房機組段及裝配場壩段的單耗灰量很小，壓水試驗中，廠房機組段q≤3 Lu 的段數占90.3%，裝配場占79.3%，其余壩段占47.6%～80%不等。

（2）廠房壩段建基面低，橫河向呈折坡狀，基礎面滲徑較長，下游基礎面受壓應力的作用，所以廠房下游的滲透性比上游更小。廠房機組段及裝配場壩段本身滲透系數較小，帷幕對防滲折減性能的提高不多，上游水頭在帷幕處折減很小，導致滲壓系數偏高。

（3）對于左岸擋水壩段，揚壓力異常主要是受岸坡地下水位影響造成的。

（4）在工程設計階段，根據抗剪斷強度公式，對壩體、廠房進行穩(wěn)定分析，要求滿足基本組合工況下壩基面抗滑穩(wěn)定安全系數K′≥3.0，特殊組合工況下壩基面抗滑穩(wěn)定安全系數K′≥2.5。計算結果表明，在不同工況下，溢流壩壩段的壩基面抗滑穩(wěn)定安全系數K′在8.9 以上，廠房壩段的壩基面抗滑穩(wěn)定安全系數K′在11.17 以上，裝配場的壩基面抗滑穩(wěn)定安全系數K′在7.12 以上，表明溢流壩壩段、廠房壩段和裝配場壩段的抗滑穩(wěn)定安全系數均滿足規(guī)范要求，穩(wěn)定安全系數有較大的裕度。再結合工程最大壩高小于35 m、總體不高，考慮到大壩已安全運行多年，各壩段揚壓水位未見趨勢性變化，未發(fā)現(xiàn)大壩抗滑失穩(wěn)的可能性。

3.3 統(tǒng)計模型分析

由以上分析并結合相關壩工理論及滲流數學模型經驗可知，壩基揚壓力主要受大壩上下游水位、混凝土溫度狀況、時效及壩基防滲效果等的影響，另外降水還可能對岸坡壩段的滲流狀況有影響，因此采用統(tǒng)計回歸模型來分析壩基揚壓力與水壓、降水、溫度和時效之間的關系。經計算，各分量的分解及統(tǒng)計結果見表2，典型測點的實測值、擬合值及三個分量過程見圖5，不同測點位移分量特點和規(guī)律如下。

圖5 壩基揚壓力（典型測點）實測值、擬合值及各分量過程線Fig.5 Monitored and fitted uplift pressure at typical points in the foundation and the process lines of components

表2 壩基揚壓力回歸方程分量解析結果統(tǒng)計Table 2 Analysis results of the components in regression equation on uplift pressure in the foundation

3.3.1 水壓分量

（1）9 個回歸方程中，7 個有上游水位因子入選，8個有下游水位因子入選（除UP2），水壓分量變幅為1.71～5.84 m，占總變幅量比例為23.55%～85%，平均為62%，說明上、下游水位是影響各壩段壩基揚壓力最主要的因素。

（2）測孔UP2 所在2 號壩段岸坡段的建基面較高，該部位基本不受下游水位影響；其余壩段均受下游水位影響，同時泄洪閘部分壩段的壩基揚壓力受上游水位影響較小，這主要是下游水位變幅較上游水位要大，且大壩下游側無防滲帷幕。

（3）由于各水壓因子間的互補作用，水壓因子的系數有正有負，但整體呈現(xiàn)“水位升高，揚壓力增大；水位降低，揚壓力減小”的規(guī)律。

3.3.2 降水分量

9個回歸方程中，5個有降水因子入選（主要是左右岸岸坡壩段），且入選因子多為近期和前期組合，降水分量變幅為0.39～3.77 m，占總變幅量比例為7.99%～46.12%，平均為18.9%，說明降水對部分壩段（主要是左右岸岸坡壩段）的壩基揚壓力有一定影響，尤其是2 號壩段，且降水對岸坡壩段的影響有滯后效應，但總體不大。

3.3.3 溫度分量

（1）所有測點的回歸方程均有溫度因子入選，并且多為近期和前期溫度因子，說明溫度變化對壩基揚壓力具有普遍性影響，且溫度變化有滯后效應。

（2）溫度分量變幅為0.14～2.25 m，占總變幅量比例為5.3%～47.62%，平均為17.9%，溫度對不同壩段的影響有差異，8號壩段最明顯，但總體不大。

3.3.4 時效分量

9個回歸方程中，6個有時效因子入選，時效分量變幅為0.25～1.44 m，占總變幅量比例為3.46%～23.12%，平均為13.1%，說明時效對部分壩段（主要是左右岸岸坡壩段）的壩基揚壓力有一定影響，但總體不大。

綜上所述，壩基揚壓力主要受上下游水位的影響，其余因素影響不大。

4 結語

（1）該工程揚壓力測孔的工作狀態(tài)總體較好，測值可信度較高。各測孔揚壓力主要受上下游水位影響，氣溫、降水量有一定影響但總體較小，壩基揚壓力總體呈現(xiàn)兩岸壩段較高、中間河床壩段較低的分布規(guī)律。

（2）廠房和岸坡壩段壩基揚壓力、滲壓系數在運行過程中存在偏大現(xiàn)象，但揚壓力總體較穩(wěn)定、無明顯趨勢性變化。經回歸分析等確認其變化主要受上下游水位的影響，其異常偏大主要由基礎地質條件、防滲帷幕施工、壩基輪廓線及岸坡地下水位等因素所致。其他壩段揚壓力及其滲壓系數無異常。

（3）考慮到大壩已安全運行多年（超20年），壩高不高，壩基揚壓力總體較平穩(wěn)，不存在隨時間推移揚壓力出現(xiàn)進一步升高的情況，且大壩的穩(wěn)定安全系數有較大的裕度，可判斷局部壩段壩基揚壓力偏高對大壩的長期安全穩(wěn)定運行不會產生實質性影響。目前雖未見大壩發(fā)生抗滑失穩(wěn)的可能性，但后期仍需繼續(xù)加強監(jiān)測與分析、現(xiàn)場巡視檢查，并在必要時采取相應的工程措施。