某水庫大壩揚(yáng)壓力異常原因分析

孫昌利， 張 挺， 朱信華

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院， 廣東 廣州 510635;2.廣東省巖土工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510635;3.廣東省樂昌峽水利樞紐管理處， 廣東 韶關(guān) 512200)

壩底揚(yáng)壓力作為壩基的一種重要荷載，其在大壩安全監(jiān)測中占有十分重要的地位，重力壩壩基揚(yáng)壓力對大壩穩(wěn)定、變形、應(yīng)力有重要影響。重力壩在水壓力及其他荷載作用下，主要依靠壩體自重產(chǎn)生的抗滑力來滿足穩(wěn)定要求；同時依靠壩體自重產(chǎn)生的壓應(yīng)力來抵消由于水壓力所引起的拉應(yīng)力，以滿足強(qiáng)度要求[1-2]。還有些水閘基礎(chǔ)位于透水層上，當(dāng)防滲系統(tǒng)失效，揚(yáng)壓力過大引起底板移位、折斷或上浮等，為工程帶來險情[3]。

大壩揚(yáng)壓力過高的原因比較多，有些與防滲帷幕效果被削弱，局部形成滲流通道、排水孔淤堵等有關(guān)系，也有些因測壓管淤堵帶來的測壓管“偽異?！爆F(xiàn)象[4]；也有些因測壓管靠近岸坡，由于地下水位過高引起的[5]，或測壓管安裝不當(dāng)導(dǎo)致異常[6]，因此，大壩在運(yùn)行過程中出現(xiàn)揚(yáng)壓力異常的原因也較多，需區(qū)別對待。

1 工程概況

某水庫位于廣東省樂昌市，樞紐于2013年建成完工，樞紐以防洪為主，結(jié)合發(fā)電，兼顧航運(yùn)和灌溉，工程等別為Ⅱ等，水庫正常蓄水位為154.5 m，死水位為141.5 m，防洪限制水位為144.5 m，設(shè)計洪水位為162.2 m，校核洪水位為163.0 m，總庫容為3.44億m3，防洪庫容為2.11億m3，調(diào)節(jié)庫容為1.04億m3，為季調(diào)節(jié)水庫。

水庫大壩為碾壓混凝土重力壩，高為83.2 m，長為256 m，頂寬為7 m，壩頂高程為163.2 m。

樞紐壩體設(shè)計安裝了測壓管，用于監(jiān)測壩底揚(yáng)壓力情況，運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)測壓管UP7從2012年3月埋設(shè)取得監(jiān)測數(shù)據(jù)后，測壓管水頭緩慢升高，至2014年11月16日測得最大水頭值為131 m，其后采取了洗孔措施，水頭降低至110 m附近，此后測壓管位勢最大約為0.30，大于規(guī)范要求的0.25，壩底揚(yáng)壓力長期處于較高水平，需對測壓管揚(yáng)壓力過高的原因展開分析，為制定科學(xué)處置措施提供依據(jù)。

壩基大部分位于強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖，沿壩基縱斷面設(shè)有帷幕灌漿廊道和排水孔。

2 測壓管埋設(shè)情況

測壓管采用Φ50 mm的PVC管，孔徑為110 mm，孔底深入建基面以下1.0 m，測壓管斷面結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

壩基灌漿廊道沿線設(shè)置1個監(jiān)測縱剖面，共布置16根測壓管；設(shè)置1個監(jiān)測橫斷面，共布置4根測壓管，共計19根測壓管，編號為UP1～UP19，埋設(shè)位置見圖2，每根測壓管放置1支滲壓計，觀測方式采用滲壓計自動化監(jiān)測和壓力表人工校核兩種方式，壩基灌漿廊道沿線布設(shè)排水孔間距為2 m。

其中發(fā)生揚(yáng)壓力異常的UP7接近大壩底部，孔口高程為91.37 m，埋設(shè)深度為9.2 m，底板底高程為83.0 m。

3 測壓管數(shù)據(jù)分析

3.1 測壓管過程線分析

通過繪制測壓管水位過程線，利用測壓管水位過程線鑒別測壓管的靈敏性、可靠性，以及確定其滯后時間和某些測次數(shù)據(jù)的取舍等，比查閱觀測記錄表更直觀、清晰。在正常情況下，過程線的形狀，靠上游的測壓管大體上與外江水位(或者庫水位)相似；靠下游的測壓管則大體上與下游江水位過程線相似。如果過程線出現(xiàn)的異常，可根據(jù)具體情況分析原因，判斷測壓管是否失效，資料是否可用。

根據(jù)收集到的測壓管數(shù)據(jù)，時間跨度從2014年5月至2016年11月，大部分測壓管與上游水位沒有明顯的一致性，表明壩體基礎(chǔ)滲透性較弱，測壓管水位與上游水位關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)。

測壓管UP7過程線如圖3所示，在2014年12月之前，測壓管水位與上游水位關(guān)聯(lián)性較好，變化趨勢與上游水位基本一致，且滯后時間并不明顯，2014年測壓管水位異常升高，最高達(dá)131 m，2014年9月排水孔疏通后，測壓管水位有明顯的降低，在2017年4月在UP7附近新增排水孔之后，測壓管水位進(jìn)一步降低至105 m附近，但由于排水孔出水量較大且有沉淀物析出，可能導(dǎo)致滲透通道擴(kuò)大，排水管關(guān)閉后，水頭又重新回到111 m左右。

3.2 測壓管圈套圖分析

通過繪制測壓管水位和與庫水位的相關(guān)線時，若已消除了遲后時間，則測點(diǎn)應(yīng)密集于1條直線或光滑曲線上，若相關(guān)線發(fā)生了轉(zhuǎn)折，管水位不隨庫水位而變時，則表明管進(jìn)水段位置過高或某高程以下的進(jìn)水段被淤堵，測點(diǎn)應(yīng)棄之不用。倘若未校正遲后時間，直接取同一時刻的庫水位和管水位進(jìn)行點(diǎn)繪時，因未消除遲后時間，管水位隨庫水位變化的跡線呈圈套狀，稱為“圈套圖”[7]。

圖3 測壓管UP7水位過程線示意

測壓管UP7部分?jǐn)?shù)據(jù)的圈套線如圖4所示，測壓管水位與上游水位基本呈線性關(guān)系，說明UP17與上游水位的關(guān)聯(lián)性較好，表明壩基存在一定的透水性。

3.3 測壓管位勢分析

測壓管位勢是指測壓管水頭在滲流場中占總滲流水頭的百分比，其計算公式為：

(1)

其中h為測壓管水位，H1、H2分別為上、下游水位，當(dāng)測壓管埋設(shè)位置較高，H2已不能代表下游水位，這時取H2為底板底高程。

測壓管UP7位勢如圖5所示，到2014年1月，測壓管位勢急劇升高，最高達(dá)0.635，高于規(guī)范要求，經(jīng)過洗孔以后，測壓管位勢明顯降低，略高于0.25，此后測壓管位勢在0.2～0.3之間變化，經(jīng)過2017年4月在UP7附近新開排水孔以后，測壓管位勢降低至0.125，當(dāng)關(guān)閉排水管時，則測壓管位勢恢復(fù)至開孔前數(shù)值。說明UP7附近排水孔淤堵是導(dǎo)致UP7水位上升的一個重要原因。

4 大壩廊道鉆孔測試

為緩解UP7附近揚(yáng)壓力過高問題，樞紐管理處于2017年5月在UP6至UP8之間新安裝3個排水孔，安裝位置如圖6所示，現(xiàn)場照片如圖7所示，從上至下對排水孔編號為1#～3#，3個排水孔全部位于測壓管上游側(cè)1 m左右。其中1#孔位于UP6至UP7之間，2#孔位于與UP7等高程，在其上游側(cè)1 m左右，3#孔位于UP7至UP8之間。在3個排水孔管口位置安裝水表及開關(guān)進(jìn)行測試。

為驗證新開排水孔對大壩揚(yáng)壓力的影響，按以下幾組工況分別測試各測壓管的水頭：①全關(guān)排水孔(初始狀態(tài))；②全開排水孔；③1#排水孔開，2#、3#關(guān)閉；④2#排水孔開，1#、3#關(guān)閉；⑤3#排水孔開，1#、2#關(guān)閉。

各組測試結(jié)果見表1，其中工況①排水孔全關(guān)時水頭值作為參照點(diǎn)，其余測試結(jié)果與之進(jìn)行對比。從測試結(jié)果看，3個排水孔全開狀態(tài)下，UP7的水頭值降低約7.35 m，只開2#排水孔時，UP7的水頭降低約6.96 m；而1#及3#排水孔的開關(guān)對UP7及其它測壓管基本沒有影響。從出水量結(jié)果看，在全開時，2#排水孔的出水量明顯高于其他2個排水孔。

測試表明，UP7附近的排水孔堵塞加上UP7附近可能存在透水通道，是導(dǎo)致UP7局部位置揚(yáng)壓力升高的主要原因。排水孔對其他測壓管影響較小，且2#排水孔出水量明顯較其他2個排水孔要大，說明滲透通道集中僅在UP7附近，其余位置壩基的滲漏可能性較小。

5 滲流場數(shù)值模擬及分析

設(shè)計方案中壩基防滲措施主要是上游側(cè)的灌漿帷幕及下游側(cè)排水孔，防滲措施的有效性對滲流場會產(chǎn)生一定的影響。結(jié)合現(xiàn)場情況，考慮灌漿帷幕是否失效及排水孔可能淤堵的幾種情況，對壩基滲流場進(jìn)行數(shù)值模擬，計算工況分為：

工況1：灌漿帷幕有效，排水孔暢通(正常使用狀態(tài))；工況2：灌漿帷幕有效，排水孔淤堵；工況3：灌漿帷幕失效，排水孔淤堵；工況4：灌漿帷幕失效，排水孔暢通。

計算邊界條件采用2013年12月20日實(shí)測水位數(shù)據(jù)，即上游154.38 m，下游100.72 m。

計算模型如圖8所示，壩基為強(qiáng)風(fēng)化巖，強(qiáng)風(fēng)化巖的滲透系數(shù)比弱風(fēng)化巖高2個量級。灌漿帷幕寬度為0.8 m，灌漿帷幕的滲透系數(shù)與弱風(fēng)化巖相等，取值為1.0×10-7cm/s。

通過有限元模擬，在灌漿帷幕有效的情況下，壩基的總水頭等勢線如圖9及圖10所示，等勢線在灌漿帷幕附近較為集中，說明水頭在灌漿帷幕附近有較大的降落，灌漿帷幕發(fā)揮了較好的截滲作用。

在灌漿帷幕失效的情況下，圖11壩基總水頭等勢線總體較為均勻，總水頭呈均勻衰減，圖12是排水孔發(fā)揮作用的情況下，在廊道附近等勢線較為密集，說明排水孔對降低水頭發(fā)生了一定的作用。

將灌漿帷幕有效情況下壩基的總水頭列于圖13，將灌漿帷幕失效情況下壩基的總水頭列于圖14，對比2圖可以發(fā)現(xiàn)，灌漿帷幕失效后，其壩基水頭上升較大，說明灌漿帷幕的有效性是影響壩底水頭分布發(fā)生的重要影響因素。

通過上述分析，說明在灌漿帷幕有效情況下，壩底水頭整體較小，再結(jié)合廊道排水，則對降低壩底揚(yáng)壓力能起到較好的作用。

6 結(jié)語

測壓管UP7在2014年12月之前，與上游水位關(guān)聯(lián)性較好，變化趨勢與上游水位基本一致，且滯后時間并不明顯，同時圈套圖呈現(xiàn)出線性關(guān)系，說明UP7測壓管與上游水力聯(lián)系較強(qiáng)，UP7附近的壩基灌漿帷幕可能失效，形成滲透通道。同時廊道鉆孔測試表明，排水孔對其他測壓管影響較小，說明滲透通道集中僅在UP7附近，建議采取灌漿措施進(jìn)行封堵排除隱患。