白石水庫(kù)混凝土重力壩壩基揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)分析

劉 亮

(遼寧省白石水庫(kù)管理局有限責(zé)任公司，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

0 前 言

揚(yáng)壓力是分析大壩穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，是影響大壩壩體穩(wěn)定性的重要荷載，影響揚(yáng)壓力的因素包括上下游水位、時(shí)效、節(jié)理裂隙發(fā)育、帷幕防滲、壩體排水等因素[1]。壩基揚(yáng)壓力升高會(huì)使大壩抗剪強(qiáng)度降低，壩體材料也會(huì)受到溶解破壞，較大的揚(yáng)壓力會(huì)嚴(yán)重威脅大壩安全，在實(shí)際工程中運(yùn)用帷幕防滲、抽(排)水等技術(shù)措施可有效降低大壩壩體的揚(yáng)壓力。

白石水庫(kù)位于遼寧省北票市，壩址處河床寬380m，河床平均高程94m，壩基巖石為玄武質(zhì)安山巖，全晶斑狀結(jié)構(gòu)，呈厚層單斜狀產(chǎn)出，有三組節(jié)理，節(jié)理裂隙比較發(fā)育，壩基開(kāi)挖共發(fā)現(xiàn)12條斷層，多為扭性或壓扭性斷層。

1 壩基揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)模型

白石水庫(kù)大壩壩基共布設(shè)47個(gè)揚(yáng)壓力測(cè)點(diǎn)，其中36個(gè)縱向揚(yáng)壓力測(cè)點(diǎn)，11個(gè)橫向揚(yáng)壓力測(cè)點(diǎn)。水庫(kù)大壩自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在2015—2019年間發(fā)生過(guò)幾次雷擊事件，造成數(shù)據(jù)采集模塊損壞，部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失。為便于研究揚(yáng)壓力規(guī)律，選取2016年01月01日-2018年12月31日兩岸壩肩(UP1-UP4，UP31-UP35)、河床處(UP15-UP18)共計(jì)13個(gè)縱向揚(yáng)壓力測(cè)點(diǎn)和16#壩段(UP16-1-UP16-4)4個(gè)橫向揚(yáng)壓力測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.1 模型選擇

庫(kù)水位、時(shí)效、溫度、降雨等是影響揚(yáng)壓力的主要因素，文章根據(jù)監(jiān)測(cè)資料對(duì)影響揚(yáng)壓力的各因子進(jìn)行分析研究，揚(yáng)壓力統(tǒng)計(jì)模型表達(dá)式為：

(1)

式中：YHS為上游水位分量，hi為觀測(cè)日當(dāng)天、前1d、前2d、前3d至前4d、前5d至前14d和前15d至29d的平均上游水位；YHX為下游水位分量，a7為下游水位分量因子回歸系數(shù)；YT為壩基溫度分量；YP為降雨分量；Yθ為時(shí)效分量，θ為觀測(cè)日至始測(cè)日累計(jì)天數(shù)除以100，每增加1d，θ增加0.01。

1.2 模型分析

通過(guò)對(duì)縱向揚(yáng)壓力測(cè)點(diǎn)和橫向揚(yáng)壓力測(cè)點(diǎn)建立數(shù)學(xué)模型，縱向測(cè)點(diǎn)和橫向測(cè)點(diǎn)的復(fù)相關(guān)系數(shù)都在0.85以上，分析結(jié)果如下：

1)帷幕上游面各測(cè)點(diǎn)受水壓分量和時(shí)效分量影響顯著，水壓分量占比都在50%以上，其中測(cè)點(diǎn)UP1-UP2、UP34、UP16-1占比在60%以上；時(shí)效分量占比在20%左右，基本呈負(fù)相關(guān)；溫度和降雨影響較小，其中兩岸壩肩處測(cè)點(diǎn)的降雨分量占比相對(duì)較高，占比在15%左右[2]。

2)測(cè)點(diǎn)UP1-UP2、UP15-UP16、UP34-UP35和UP16-1-UP16-2揚(yáng)壓力的變化滯后于上游庫(kù)水位，測(cè)點(diǎn)UP32-UP33與上游庫(kù)水位觀測(cè)日當(dāng)天的回歸系數(shù)較大，滯后性不明顯。

3)UP3-UP4、UP17-UP18、UP31、UP16-3-UP16-4等測(cè)點(diǎn)位于帷幕下游，幾乎不受各因子的影響。

4)縱向揚(yáng)壓力兩岸壩肩處和橫向揚(yáng)壓力測(cè)點(diǎn)UP16-1-UP16-2的擬合值和實(shí)測(cè)值相差較小，解析成果理想。

2 基揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)成果分析

2.1 壩基縱向揚(yáng)壓力分析

揚(yáng)壓力受庫(kù)區(qū)上游水位影響明顯，時(shí)效其次，受降雨和溫度影響較小，根據(jù)2016年01月01日-2018年12月31的監(jiān)測(cè)資料繪制揚(yáng)壓力過(guò)程線，詳見(jiàn)圖1、圖2和圖3。

圖1 UP1-UP4壩基縱向揚(yáng)壓力過(guò)程線

圖2 UP15-UP18壩基縱向揚(yáng)壓力過(guò)程線

圖3 UP31-UP35壩基縱向揚(yáng)壓力過(guò)程線

分析結(jié)果如下：

1)由圖1、由圖2、由圖3可知揚(yáng)壓力呈兩岸高、河床底分布的規(guī)律。兩岸壩肩揚(yáng)壓力測(cè)點(diǎn)水位較高，初步分析可能受繞壩滲漏及地下水影響。河床處揚(yáng)壓力較低，與F2、F17、F18斷層通過(guò)此壩段有關(guān)，壩基雖經(jīng)灌漿處理，但是仍存在局部透水性較好的情況，降低了河床處的揚(yáng)壓力水位。相較于帷幕上游測(cè)點(diǎn)，帷幕下游測(cè)點(diǎn)UP3-UP4、UP17-UP18、UP31揚(yáng)壓力值較小，經(jīng)分析是由于水庫(kù)下游經(jīng)常處于低水位運(yùn)行，一定程度上減小了下游水位對(duì)壩體產(chǎn)生的托浮力。

2)2016-2018年各測(cè)點(diǎn)測(cè)值無(wú)較大變化，其中灌漿帷幕上游的大部分測(cè)點(diǎn)測(cè)值與庫(kù)水位具有相關(guān)性，且當(dāng)庫(kù)水位超過(guò)115m后，相關(guān)性更加明顯，除受水力坡降影響的測(cè)點(diǎn)外，其余測(cè)點(diǎn)的水位遠(yuǎn)低于庫(kù)水位，表明壩基縱向揚(yáng)壓力穩(wěn)定[3]。

2.2 壩基橫向揚(yáng)壓力分析

白石水庫(kù)大壩壩基按照橫向廊道分別布置三個(gè)揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)分別為UP9-1-UP9-4、UP16-1-UP16-4、UP24-1-UP24-3，為便于比較，選取數(shù)據(jù)采集連續(xù)性和穩(wěn)定性都比較好的UP16-1-UP16-4測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析研究。

2.2.1 壩基橫向揚(yáng)壓力過(guò)程線分析

16#壩段壩基橫向揚(yáng)壓力過(guò)程線，如圖4所示。

圖4 16#壩段壩基橫向揚(yáng)壓力過(guò)程線

分析結(jié)果如下：

1)帷幕上游測(cè)點(diǎn)UP16-1揚(yáng)壓力水位較高，2016年2月至5月期間該測(cè)點(diǎn)的揚(yáng)壓力值出現(xiàn)較大的波動(dòng)，此期間水庫(kù)水位未出現(xiàn)驟升或驟降的情況，出現(xiàn)該異常情況可能與此期間發(fā)生的一次雷擊事件有關(guān)。測(cè)點(diǎn)UP16-2過(guò)程線平緩，變化不大。各測(cè)點(diǎn)測(cè)值較2016-2017年無(wú)異常變化[4]。

2)位于帷幕下游的測(cè)點(diǎn)UP16-3-UP16-4過(guò)程線平緩，受水位、時(shí)效、降雨等因子影響較小，表明揚(yáng)壓力水位通過(guò)帷幕有很大折減。

2.2.2 壩基橫向揚(yáng)壓力分布圖

根據(jù)揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)資料，選取2018年4個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)對(duì)揚(yáng)壓力的水柱分布圖進(jìn)行了分析，詳見(jiàn)圖5。

圖5 16#壩段壩基橫向揚(yáng)壓力分布圖

由圖5可知，帷幕上游測(cè)點(diǎn)UP16-1揚(yáng)壓力水柱較高，測(cè)點(diǎn)UP16-2揚(yáng)壓力水柱較小且無(wú)明顯變化，測(cè)壓管可能出現(xiàn)堵塞情況，帷幕下游測(cè)點(diǎn)UP16-3-UP16-4揚(yáng)壓力水柱基本沒(méi)有變化，且揚(yáng)壓力水柱出現(xiàn)顯著的減小，壩基防滲效果較好。

2.3 壩基揚(yáng)壓力系數(shù)

根據(jù)監(jiān)測(cè)資料，對(duì)2018年01月03日縱向揚(yáng)壓力和橫向揚(yáng)壓力的揚(yáng)壓力系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，壩基揚(yáng)壓力系數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 壩基揚(yáng)壓力系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

由表1可知，帷幕上游側(cè)測(cè)點(diǎn)的揚(yáng)壓力系數(shù)普遍大于下游側(cè)的揚(yáng)壓力系數(shù)，分析結(jié)果如下：

1)壩基揚(yáng)壓力系數(shù)較大的測(cè)點(diǎn)為UP1-UP2、UP16、UP35 、UP16-01等，揚(yáng)壓力系數(shù)最大值為0.80，測(cè)點(diǎn)UP3 、UP4 、UP31及UP16-2-UP16-4揚(yáng)壓力系數(shù)較小，均未超過(guò)設(shè)計(jì)值。

2)防滲帷幕下游側(cè)測(cè)點(diǎn)的揚(yáng)壓力系數(shù)小于設(shè)計(jì)系數(shù)，揚(yáng)壓力在壩基處受阻，防滲效果較好。

3)河床處測(cè)點(diǎn)UP16揚(yáng)壓力系數(shù)較高的，經(jīng)分析是由于滲水的析出物堵塞了壩體的排水孔，排水不暢導(dǎo)致?lián)P壓力升高，現(xiàn)已對(duì)相關(guān)的排水孔進(jìn)行疏通；防滲帷幕上游測(cè)點(diǎn)UP16-2揚(yáng)壓力系數(shù)較低可能存在測(cè)壓管堵塞情況，需要及時(shí)對(duì)測(cè)壓管進(jìn)行疏通，以便更好對(duì)揚(yáng)壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)[5]。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)白石壩基揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)資料的分析，可以得出以下結(jié)論：

1)壩基揚(yáng)壓力受下游水位、時(shí)效、節(jié)理裂隙發(fā)育、帷幕防滲、壩體排水等因素影響，帷幕上游面各測(cè)點(diǎn)受水壓分量和時(shí)效分量影響顯著，帷幕下游面各測(cè)點(diǎn)受庫(kù)水位、時(shí)效、降雨等因子影響較小，揚(yáng)壓力通過(guò)帷幕有很大折減，帷幕防滲效果良好。

2)靠近兩岸壩肩測(cè)點(diǎn)的揚(yáng)壓力水位相對(duì)較高，揚(yáng)壓力呈明顯的V型分布。

3)由于帷幕灌漿存在局部缺陷及受斷層影響，灌漿上游面測(cè)點(diǎn)UP15-UP16揚(yáng)壓力值較小。對(duì)于一些揚(yáng)壓力值較高的測(cè)點(diǎn)，及時(shí)對(duì)相關(guān)排水孔進(jìn)行了疏通，從而很好地降低了揚(yáng)壓力。

4)通過(guò)對(duì)揚(yáng)壓力的監(jiān)測(cè)與分析，揚(yáng)壓力測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)值穩(wěn)定，大壩處于正常運(yùn)行狀態(tài)。