水庫(kù)大壩局部壩基揚(yáng)壓力異常原因分析

李瑞東

（山西水務(wù)工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，山西 太原 030000）

1 工程概況

某水庫(kù)于1998 年基本建成，是所在流域上游控制性水利工程，兼具發(fā)電、灌溉等綜合效益，遺憾的是該水庫(kù)自大壩建成蓄水以來(lái)始終未設(shè)置大壩觀測(cè)設(shè)施。由于對(duì)監(jiān)測(cè)工作缺乏應(yīng)有的重視及有效的管理和維護(hù)，1999 年以后大壩內(nèi)部監(jiān)測(cè)儀器失效較多，工作不穩(wěn)定，漏測(cè)和缺測(cè)現(xiàn)象嚴(yán)重，并于2004年3月暫停觀測(cè)工作。2009 年對(duì)該水庫(kù)啟動(dòng)除險(xiǎn)加固處理，根據(jù)水庫(kù)除險(xiǎn)加固初設(shè)報(bào)告，對(duì)原大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)施進(jìn)行了更新改造與加固完善。現(xiàn)狀大壩主要包括防滲面板安全監(jiān)測(cè)、大壩表面變形觀測(cè)、滲流觀測(cè)及水位觀測(cè)等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。2010 年除險(xiǎn)加固過程中在大壩上游增設(shè)了防滲面板，同時(shí)對(duì)新增防滲面板結(jié)構(gòu)縫開合程度、新老面板結(jié)合變形、壩基變形、壩基滲透壓力、混凝土面板應(yīng)力應(yīng)變以及溫度等項(xiàng)目實(shí)施監(jiān)測(cè)。

2 揚(yáng)壓力異常問題描述

該水庫(kù)大壩測(cè)壓管埋設(shè)在645 m 高程基礎(chǔ)灌漿廊道最左與最右端，埋設(shè)孔鉆孔深度為基巖以下1.10 ～1.20 m，在將測(cè)壓管管體埋入孔內(nèi)后還應(yīng)在管內(nèi)安裝壓力傳感器，同時(shí)將管口裝置及壓力表加裝在管口位置，主要進(jìn)行基礎(chǔ)帷幕后揚(yáng)壓力及變動(dòng)趨勢(shì)的監(jiān)測(cè)。根據(jù)2010-2019年統(tǒng)計(jì)資料進(jìn)行分析，15#壩段測(cè)壓管UPR-1 和UPL-2 所對(duì)應(yīng)的揚(yáng)壓力最大值分別為46.66 m（684.66 m）和40.60 m（674.65 m）。結(jié)合所得出的揚(yáng)壓力歷時(shí)曲線圖，揚(yáng)壓力呈現(xiàn)出緩慢增大的變化趨勢(shì)，且與庫(kù)水位變化趨勢(shì)基本一致。由此可以判定，2019 年6-10 月為汛期且?guī)焖噬仙龖B(tài)勢(shì)。根據(jù)實(shí)際情況，該水庫(kù)在當(dāng)年上旬進(jìn)行大壩檢修時(shí)，庫(kù)水位基本已降至最低，檢修完成后又進(jìn)行了水位控制上漲，導(dǎo)致?lián)P壓力具有與庫(kù)水位一致的變化趨勢(shì)。10 月汛期過后庫(kù)水位基本穩(wěn)定，揚(yáng)壓力也趨于平穩(wěn)。根據(jù)兩者數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，右側(cè)帷幕防滲情況略微優(yōu)于左側(cè)，可見，水庫(kù)壩基揚(yáng)壓力滿足壩基滲流的變化要求。

進(jìn)入2020年汛期后，通過分析各揚(yáng)壓力測(cè)孔的實(shí)測(cè)資料，測(cè)壓管UPR-1 測(cè)值異常，必須對(duì)測(cè)壓管所在壩段重點(diǎn)分析。該測(cè)壓管位于水庫(kù)大壩左岸4#壩段2 078 m高程的灌漿排水廊道內(nèi)，2019 年11 月該測(cè)管損壞，在12 月于原位置附近重新埋設(shè)測(cè)壓管，從次年1 月開始工作。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，原測(cè)壓管所測(cè)水頭值基本維持在2 080.04 m，而新埋設(shè)的測(cè)壓管水頭測(cè)值突增至2 116.84 m，此后維持在2 028.41 m；壩基揚(yáng)壓力系數(shù)縱斷面分布情況詳見圖1。在這一過程中，庫(kù)水位較為穩(wěn)定。為此，必須結(jié)合新埋設(shè)測(cè)壓管所在壩段實(shí)際工況、多滲控條件、實(shí)測(cè)壩基揚(yáng)壓力進(jìn)行滲流有限元分析，確定出壩段揚(yáng)壓力異常的主要原因。

圖1 壩基揚(yáng)壓力系數(shù)縱斷面分布圖

3 有限元計(jì)算

3.1 計(jì)算模型

以大地坐標(biāo)為計(jì)算坐標(biāo)原點(diǎn)，X 軸平行于拱冠參考面軸線，Y軸則從右岸指向左岸，Z軸坐標(biāo)具體體現(xiàn)高程情況。將河床中心線作為參考基面，左右兩側(cè)分別向左右岸各截取400 m；上下游側(cè)則將經(jīng)過坐標(biāo)原點(diǎn)并與河床中心線垂直的截面作為參考基面，上下游兩側(cè)分別截取300 m和220 m；基礎(chǔ)深度則以低于壩基防滲帷幕底部60 m的深度為限。工程區(qū)滲流有限元模型離散后共包括33 564個(gè)節(jié)點(diǎn)和29 396個(gè)單元，并以重新埋設(shè)的測(cè)壓管為重點(diǎn)分析剖面。

3.2 邊界條件

結(jié)合工程實(shí)際及現(xiàn)有觀測(cè)資料，上下游應(yīng)分別取正常蓄水位2 080 m 和2 050 m，且上下游水位以下河床水頭均為已知。由于壩址區(qū)地下水為從兩岸向河床的補(bǔ)給走向，故將左右岸截取水頭邊界視為已知，并根據(jù)區(qū)內(nèi)地下水實(shí)測(cè)資料及外推插值法予以確定。壩體下游2 050 m高程以上的出滲域必須通過迭代確定，其余邊界均視為不透水邊界。

3.3 參數(shù)反演

基于壩址區(qū)長(zhǎng)期水文觀測(cè)資料，通過BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行壩體及壩基滲漏張量反演，具體分析時(shí)必選優(yōu)選降水量少、庫(kù)水位穩(wěn)定、測(cè)孔水位變化平穩(wěn)的測(cè)值。考慮到壩體混凝土滲透參數(shù)并無(wú)較大變化，在參數(shù)反演時(shí)可將其視為各向同性體，滲透系數(shù)固定取1.00×10-8m/s，此外，壩體防滲帷幕也視為各向同性體，壓水試驗(yàn)所得滲透系數(shù)1.60×10-8m/s。結(jié)合勘測(cè)資料及巖層實(shí)際分布情況，將壩址區(qū)巖體由外而內(nèi)劃分成強(qiáng)風(fēng)化層區(qū)、弱風(fēng)化層區(qū)、微風(fēng)化層區(qū)和新鮮巖體層區(qū)。若同時(shí)存在地下水位和流量觀測(cè)數(shù)據(jù)，滲透參數(shù)反演結(jié)果即為唯一，即依據(jù)地下水長(zhǎng)期觀測(cè)值便能反演出壩基全部巖層區(qū)相對(duì)滲透系數(shù)，且根據(jù)確定出的一個(gè)層區(qū)相對(duì)滲透系數(shù)，其余層區(qū)滲透系數(shù)值便會(huì)隨之得出。根據(jù)滲透系數(shù)分析結(jié)果，新鮮巖體層區(qū)各向滲透異性較小，故可將其視為各向同性體，其滲透系數(shù)取1.01×10-8m/s，其余層區(qū)滲透張量反演結(jié)果詳見表1。

表1 水庫(kù)大壩壩基巖體層區(qū)滲透張量反演結(jié)果統(tǒng)計(jì)表單位：m/s

3.4 計(jì)算結(jié)果

當(dāng)防滲維帷幕及排水孔均處于正常工作狀態(tài)下，則重新埋設(shè)的測(cè)壓管所測(cè)揚(yáng)壓力值為2 110.11 m，與孔口高程基本一致，根據(jù)對(duì)該測(cè)壓管所在位置剖面滲流場(chǎng)分布情況的分析，在這種工況下，壩基處等水頭線十分密集，能有效降低所在位置揚(yáng)壓力。

若僅有防滲帷幕處于正常工作狀態(tài)時(shí)，壩基排水孔是否正常工作對(duì)重新埋設(shè)的測(cè)壓管所測(cè)揚(yáng)壓力值影響不大，且所測(cè)揚(yáng)壓力值與孔口高程基本一致；左岸地下水位的變化也不會(huì)造成壩基揚(yáng)壓力值的大幅變更。

而當(dāng)壩段壩基防滲帷幕局部失效，壩基部位等水頭線分布將比帷幕正常工作狀態(tài)下稀疏，壩軸線上游巖體水頭也將高出防滲帷幕正常工作水頭，重新埋設(shè)的測(cè)壓管所測(cè)揚(yáng)壓力值必然會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出帷幕正常工作揚(yáng)壓力。此種情況下，如果排水孔正常工作，則揚(yáng)壓力水位將比孔口高程高出15～18 m；如果壩段范圍內(nèi)排水孔均失效，則揚(yáng)壓力水位會(huì)進(jìn)一步提升，至少高出孔口高程35～45 m。

若庫(kù)區(qū)相應(yīng)壩段防滲帷幕較淺部位巖層內(nèi)分布有局部強(qiáng)透水帶，則重新埋設(shè)的測(cè)壓管所測(cè)揚(yáng)壓力值為2 120.32 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出孔口高程，且接近實(shí)測(cè)值。與此同時(shí)，若該強(qiáng)透水帶并為延伸至防滲帷幕下游側(cè)，則揚(yáng)壓力值升高的部位便只局限在防滲帷幕結(jié)構(gòu)四周，下游側(cè)揚(yáng)壓力值不會(huì)發(fā)生較大變化。

綜合以上工況觀測(cè)結(jié)果，在壩基防滲帷幕結(jié)構(gòu)完好的情況下，排水孔工作與否、左岸地下水位變化與否，均不會(huì)造成局部壩段壩基揚(yáng)壓力值的明顯升高。而當(dāng)相應(yīng)壩段防滲帷幕結(jié)構(gòu)出現(xiàn)缺陷時(shí)，壩基揚(yáng)壓力值必將顯著提升，且提升的幅度與帷幕缺陷發(fā)生位置及嚴(yán)重程度直接相關(guān)。為此，必須對(duì)該水庫(kù)大壩防滲帷幕體的完好及穩(wěn)定程度進(jìn)行檢測(cè)，并采取有效措施加固補(bǔ)強(qiáng)，以杜絕對(duì)應(yīng)壩段壩基揚(yáng)壓力值異常現(xiàn)象的出現(xiàn)。根據(jù)相應(yīng)壩基防滲帷幕體加固前后揚(yáng)壓力變化程度的對(duì)比，采取加固措施后重新埋設(shè)的測(cè)壓管所測(cè)揚(yáng)壓力水位明顯降低。

4 結(jié)論

綜上所述，進(jìn)行水庫(kù)大壩壩基揚(yáng)壓力異常情況及原因分析時(shí)，必須檢查所在壩段壩基防滲帷幕運(yùn)行是否正常以及壩基內(nèi)部滲漏通道、局部強(qiáng)透水帶是否存在；通過壩基局部注漿補(bǔ)強(qiáng)有效阻斷滲透通道，提升帷幕阻水效果；此外，還應(yīng)全面檢查相應(yīng)壩段排水孔有無(wú)淤堵，及時(shí)疏通。該水庫(kù)在采取以上改進(jìn)措施后，重新埋設(shè)的測(cè)壓管所測(cè)壩基揚(yáng)壓力值有效降低，影響壩段揚(yáng)壓力異常的因素全部得到解決。