關(guān)于大壩揚(yáng)壓力及其降低措施的幾點(diǎn)思考

穆平 鄧湘吉

摘? 要：非洲某碾壓混凝土重力壩最大壩高120m，壩頂長度1164m，混凝土總量353萬m3。該大壩基礎(chǔ)地質(zhì)情況復(fù)雜，河床壩段壩基為寒武紀(jì)輝綠巖，兩岸壩肩為奧陶紀(jì)砂巖，地質(zhì)條件復(fù)雜，導(dǎo)致大壩穩(wěn)定性分析和基礎(chǔ)處理難度均較大。在與國際咨詢工程師討論大壩抗滑穩(wěn)定性問題過程中，深感雙方在揚(yáng)壓力及其降低措施等觀念上存在差異。文章重點(diǎn)闡述揚(yáng)壓力形成的原理和本工程對于不同地質(zhì)條件降低揚(yáng)壓力所采用的措施。

關(guān)鍵詞：滲透壓力;滲透場;重力壩;降低揚(yáng)壓力措施

中圖分類號：TV698.1+2? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）14-0115-03

Abstract： The maximum height of a roller compacted concrete gravity dam in Africa is 120 m， the length of the top of the dam is 1164 m， and the total amount of concrete is 3.53 million m3. The geological conditions of the dam foundation are complex， the dam foundation of the riverbed dam section is Cambrian diabase， and the abutment of the dam is Ordovician sandstone， and the geological conditions are complex， which leads to the difficulty of dam stability analysis and foundation treatment. In the course of discussing the anti-sliding stability of the dam with the international consulting engineers， it is deeply felt that there are differences between the two sides in the concepts of uplift pressure and its reduction measures. This paper focuses on the principle of uplift pressure formation and the measures adopted in this project to reduce uplift pressure under different geological conditions.

Keywords： osmotic pressure; osmotic field; gravity dam; measures to reduce uplift pressure

1 概述

某工程碾壓混凝土重力壩最大壩高120m，壩長1164m，自左至右分別是：423.45m長左岸擋水壩段（17個壩段）、97m長發(fā)電引水壩段（5個壩段）、60m長導(dǎo)流底孔壩段、25m長泄洪底孔壩段、173.55m 長溢流壩段和385m 長右岸擋水壩段。

該碾壓混凝土重力壩輝綠巖壩基灌漿帷幕和排水帷幕的布置：上游灌漿廊道中間設(shè)置一道主帷幕，間距2m;在主帷幕上游0.8m設(shè)置一道副帷幕，向上游傾斜3度，間距2m;主帷幕下游1m設(shè)置一道壩基排水孔，向下游傾斜15度，間距3m，孔徑110mm;河床壩段下游交通廊道設(shè)置一排垂直排水孔，間距3m，孔徑110mm。

該碾壓混凝土重力壩砂巖壩基灌漿帷幕和排水帷幕的布置：上游灌漿廊道中間設(shè)置一道帷幕灌漿，間距2m;灌漿帷幕下游1m設(shè)置一道排水帷幕，向下游傾斜15度，間距3m，孔徑110mm。

2 大壩揚(yáng)壓力的形成原理

揚(yáng)壓力（Uplift Pressure）：指建筑物及其地基內(nèi)的滲水，對某一水平計(jì)算截面的浮托力與滲透壓力之和。擋水建筑物的揚(yáng)壓力是在上、下游凈水頭作用下形成的滲流場和浮托力之和，是靜水壓力派生出來的荷載。

浮托力（Buoyant Force）：即浮力，根據(jù)阿基米德浮力原理，物體放入水中，排出水的重力即為水給物體的浮力。大壩浮力公式是F浮=ρ水gV（V是指壩體淹沒體積）。

滲透壓力（Seepage Pressure，）：滲流壓力是指液體在滲流時(shí)所產(chǎn)生的動水壓力（Hydrodynamic pressure）。壩（閘）基滲流時(shí)所產(chǎn)生的滲流壓力分布于整個壩底輪廓上，并與壩底輪廓垂直，此種滲流壓力對壩的穩(wěn)定不利。

圖1深色區(qū)域?yàn)闈B透壓力典型分布，實(shí)際分布應(yīng)通過監(jiān)測儀器測得。壩基面滲透壓力最大處應(yīng)在壩踵處，約等于壩前水頭（210-壩基高程）m。因壩趾處無水頭，壩趾處水頭為0m，即滲透壓力為0m水頭。壩趾與壩踵之間的滲透壓力受地質(zhì)情況影響較大，設(shè)計(jì)階段計(jì)算時(shí)一般假設(shè)為一條斜直線（如圖1）。單寬壩段壩基滲透壓力與深色陰影面積成正比，即壩基面滲透壓力可用F滲透=0.5kA（A為深色區(qū)域面積，k=ρ*g*1為常數(shù)）表示。A與壩前水位和壩后水位成正比，即A=（H壩前-H壩后）L，（L為壩基長度，受揚(yáng)壓力作用的壩基長度）。

滲流場（Seepage Field）：研究滲流問題時(shí)，將壓力相等的點(diǎn)連成線即等壓線（圖2壩基中的虛線），與等壓線垂直的線為流線（圖2壩基中的實(shí)線），等壓線和流線所組成的圖稱為滲流的水動力學(xué)場，也可以叫做滲流場。圖2為理論化標(biāo)準(zhǔn)滲流場，實(shí)際滲流場受地質(zhì)情況影響較大。

動水（Moving Water）：為什么水會在壩基內(nèi)運(yùn)動，而且是從上游壩前水庫底部向下游運(yùn)動，根本動因是因?yàn)闈B流場的存在，就像電磁場和引力場，水分子為質(zhì)點(diǎn)，在滲流場中從高勢能區(qū)域向低勢能區(qū)域運(yùn)動。

無滲透壓力差的情況，即大壩上、下游水位相等（不考慮山體地下水對河床的補(bǔ)充），水會處于靜止?fàn)顟B(tài)。就像在電磁場中，電子有從勢能高位向低位運(yùn)動的趨勢，即有勢能差就會導(dǎo)致運(yùn)動趨勢。圖2中虛線為滲流場等應(yīng)力線，應(yīng)力線之間存在勢差，水分子在滲流場中就會有向下游移動的趨勢。在水分子運(yùn)動過程中，受到巖石等的阻力，勢能逐步降低，直到降低到壩趾處水頭（如無水則為0m水頭）。先有滲流場才有滲流現(xiàn)象的發(fā)生，而滲流場是由于上、下游水位差導(dǎo)致的。

滲透場與電磁場類似。在電磁場中，隨著電子的移動，勢能會越來越低，直到變?yōu)?。滲流場亦如此，在上游的水分子的勢能比下游水的勢能高，到了壩址處勢能為0。但實(shí)際的勢能的遞減跟地質(zhì)情況密切相關(guān)，實(shí)際的滲流場難以量化。

理解大壩揚(yáng)壓力的關(guān)鍵在于理解滲透場和滲透壓力，揚(yáng)壓力是滲透壓力和浮托力的和。

3 降低揚(yáng)壓力的措施

設(shè)計(jì)人員為了降低大壩壩基滲透量和揚(yáng)壓力，一般在壩基布置灌漿帷幕和排水帷幕。一般認(rèn)為灌漿帷幕和排水帷幕組合作用是降低滲流量和揚(yáng)壓力，“一般”表示針對不同的地質(zhì)情況，作用會有所不同，下面將詳細(xì)解釋。

灌漿帷幕：在大壩基巖中建造一道連續(xù)、完整的、比大壩基巖滲透性低、平面上呈條帶狀、立面上形似舞臺上的帷幕的防滲結(jié)構(gòu)。一般要達(dá)到一定滲透標(biāo)準(zhǔn)，本工程河床壩段帷幕合格標(biāo)準(zhǔn)是3lu，岸坡壩段一般為5lu。

在巖石上筑壩，為了防止壩基滲漏，多采用灌漿方案建造防滲帷幕，簡稱“灌漿帷幕”，利用這種防滲措施并結(jié)合排水是減少大壩基巖滲漏、降低揚(yáng)壓力的主要的和有效的方法。灌漿和排水帷幕設(shè)計(jì)的基本原則是先灌漿以防滲，后排水以降壓。這種措施一般可分為四種情況：

（1）透水性強(qiáng)的地區(qū)，灌漿帷幕防滲效果一般均較顯著，宜采用以“阻”為主，結(jié)合排水的措施。透水性強(qiáng)的地質(zhì)條件，帷幕灌漿吸漿量一般較大，灌漿效果好的情況下滲水量會明顯降低，可防止大壩基巖被長期沖刷破壞。

（2）透水性微弱的地區(qū)，灌漿帷幕防滲效果一般不會很顯著，因滲漏量不很大，故宜采用以“排”為主，結(jié)合帷幕灌漿的措施。對于吸漿量很小的地質(zhì)條件，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)排水。在透水性較弱的地質(zhì)條件下，壩基揚(yáng)壓力通過帷幕灌漿降低幅度會非常有限，所以一般考慮采用排水的方式降低揚(yáng)壓力。壩體排水孔的設(shè)置也是依據(jù)此項(xiàng)原則。

（3）一般透水性的地區(qū)則多采用“阻”“排”結(jié)合的技術(shù)措施。

（4）特殊地質(zhì)條件地區(qū)，例如斷層、擠壓破碎帶、泥化夾層等，有時(shí)巖石透水性雖然不大，但為了防止管涌，確?；鶐r的滲透穩(wěn)定，仍采用“阻”“排”并重，或以“阻”為主，結(jié)合排水的措施。同時(shí)在排水孔中，應(yīng)采取專門措施，以防止細(xì)顆粒流出。此項(xiàng)措施也是為了防止大壩基礎(chǔ)被沖刷破壞，在砂巖壩段，基礎(chǔ)排水孔內(nèi)需要布置防護(hù)套管，防止砂巖層間泥化夾層顆粒被滲水帶出。

為了降低壩基滲透壓力，一般壩基均設(shè)置灌漿和排水帷幕（如圖3）。水庫中的水從壩基下部通過帷幕后，壩基滲透壓力值就會衰減，通常用H1/H=α1表示。至排水孔處滲透壓力又有衰減，通常用H2/H=α2表示。α1一般取0.45-0.6，α2一般取0.25-0.3。本工程大壩河床壩段揚(yáng)壓力折減系數(shù)取0.25，岸坡波段揚(yáng)壓力折減系數(shù)取0.35，均是在排水孔處進(jìn)行折減。

4 結(jié)束語

根據(jù)分析，對于裂隙發(fā)育少，吸漿量較低的地質(zhì)條件，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)大壩排水帷幕的布置，以有效降低壩基揚(yáng)壓力。本工程大壩兩岸砂巖基礎(chǔ)存在多條水平軟弱夾層，且基礎(chǔ)灌漿吸漿量普遍偏小，因此應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注砂巖壩段基礎(chǔ)排水孔的布置，不僅是壩基面，還要關(guān)注基礎(chǔ)下部軟弱夾層面的排水和揚(yáng)壓力折減。

本工程大壩地質(zhì)情況復(fù)雜，針對不同的地質(zhì)情況，降低揚(yáng)壓力的措施應(yīng)有所側(cè)重。對于輝綠巖大壩基礎(chǔ)，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)帷幕灌漿的布置，在主帷幕的基礎(chǔ)上，上游增設(shè)一排副帷幕;對于砂巖大壩基礎(chǔ)，因帷幕灌漿吸漿量有限，在盡量做好帷幕灌漿施工的前提下，應(yīng)更加注重排水帷幕的設(shè)計(jì)，比如增加護(hù)壁保護(hù)管（見圖4）防止砂巖層間泥化夾層顆粒被滲水帶出。

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