韓江高陂水利樞紐工程下閘蓄水期揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)成果分析

黃偉杰，劉浩陽(yáng)

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，廣州，512200)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，清潔的水電能源需求不斷增加，我國(guó)水電資源的開(kāi)發(fā)利用也越來(lái)越多[1-2]。但隨著大壩服役時(shí)間的越來(lái)越長(zhǎng)，大壩壩基和壩體的運(yùn)行條件會(huì)發(fā)生不同程度的變化，均會(huì)影響大壩的安全狀況[3]。目前對(duì)大壩運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中，揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)能夠直觀反映大壩當(dāng)前的健康狀況。其中壩基揚(yáng)壓力包括下游水深產(chǎn)生的浮托力以及上、下游水位差產(chǎn)生的向上靜水壓力兩部分，對(duì)大壩的安全運(yùn)行影響較大，其直接作用在壩基面，約占?jí)误w自重的20%～30%，會(huì)大大削弱大壩的有效重力，對(duì)大壩的穩(wěn)定、應(yīng)力和變形都有明顯影響。因此，通過(guò)對(duì)揚(yáng)壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可準(zhǔn)確判斷混凝土壩灌漿帷幕和排水系統(tǒng)的效果，檢驗(yàn)土石壩壩基有無(wú)管涌、流土及接觸面的滲漏破壞。

國(guó)內(nèi)有部分學(xué)者采用不同回歸分析相互對(duì)照驗(yàn)證的方式構(gòu)建了揚(yáng)壓力預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型[4]，但有更多學(xué)者對(duì)大壩實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展討論分析，如耿樓樞紐節(jié)制閘、桃源水電站工程、小烏江堆石混凝土重力壩、里底水電站、南水北調(diào)臺(tái)兒莊泵站、黃龍帶水庫(kù)[5-10]等等一系列工程。本文對(duì)韓江高陂水利樞紐工程各個(gè)關(guān)鍵部位的揚(yáng)壓力分布進(jìn)行橫向和縱向分析，確定防滲性能，以探求當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)下該工程的健康狀態(tài)。

1 工程概況與監(jiān)測(cè)斷面布置

1.1 工程概況

韓江高陂水利樞紐工程是以防洪、供水為主，兼顧發(fā)電和航運(yùn)等綜合利用的大型水利工程，正常蓄水位為38.0m，校核洪水位為47.44m，其防洪庫(kù)容為2.673億m3，總庫(kù)容為3.656億m3，電站裝機(jī)容量為100.0MW。

工程等別為Ⅱ等，工程規(guī)模為大(2)型，其泄水閘、電站廠房、船閘上閘首、魚(yú)道及連接重力壩為主要建筑物，級(jí)別為2級(jí)；電站廠房非擋水部分、船閘閘室、下閘首為次要建筑物，級(jí)別為3級(jí)；廠房導(dǎo)水墻、船閘導(dǎo)航墻等其他次要建筑物級(jí)別為4級(jí)；臨時(shí)性建筑物為4級(jí)。

1.2 監(jiān)測(cè)斷面布置

高陂水利樞紐工程兩岸連接建筑物采用碾壓混凝土重力壩，左岸重力壩長(zhǎng)103.0m，最大壩高36.5m，右岸重力壩長(zhǎng)133.5m，最大壩高51.0m。在碾壓混凝土重力壩左右兩岸各布置1個(gè)壩基揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)斷面布置4支滲壓計(jì)，沿壩軸線布置1個(gè)揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)縱斷面，每隔一個(gè)壩段布置1支滲壓計(jì)；在廠房底部布置6支滲壓計(jì)，用于監(jiān)測(cè)揚(yáng)壓力變化情況。滲壓計(jì)布置在壩橫0+576.100(右岸)、0+095.0(左岸)、壩橫0+500.58、0+542.58(廠房)處。

1.2.1 右岸碾壓混凝土重力壩

在右岸碾壓混凝土重力壩壩橫0+576.100處布置滲壓計(jì)Pyb-1、Pyb-2、Pyb-3、Pyb-4。

1.2.2 左岸碾壓混凝土重力壩

在左岸碾壓混凝土重力壩壩橫0+095.0處布置滲壓計(jì)PB-1、PB-2、PB-3、PB-4。

1.2.3 廠房

廠房共布置14個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別為Pcf-1、Pcf1-1、Pcf1-2、Pcf1-3、Pcf1-4、Pcf1-5、Pcf1-6、Pcf-2、Pcf2-1、Pcf2-2、Pcf2-3、Pcf2-4、Pcf2-5、Pcf2-6，其分布在壩橫0+500.58和壩橫0+542.58上。其中Pcf2-1測(cè)點(diǎn)于2021年7月6日和7月7日數(shù)據(jù)明顯異常、Pcf2-4測(cè)點(diǎn)于2021年3月21日到3月30日數(shù)據(jù)明顯異常，選擇剔除。

2 揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)成果分析

2.1 右岸重力壩

2.1.1 橫向分布規(guī)律

由圖1、圖2可知，右岸壩基在壩橫0+576.100處各監(jiān)測(cè)點(diǎn)揚(yáng)壓水頭隨著上游水位的上升而增大，總體和上游水位呈正相關(guān)，且變化滯后期不超1d，監(jiān)測(cè)點(diǎn)水頭變化基本與當(dāng)天上游水位變化一致。各測(cè)點(diǎn)滲壓水頭在2021年8月31日達(dá)到最大值，其中Pyb-2、Pyb-3為壩底下部前后布點(diǎn)，二者所測(cè)滲壓水頭分別為36.37m和35.55m，相差為0.82m，當(dāng)日上下游水位分別為37.27m和24.11m。選取上游水位最大水位日2021年8月31日、蓄水前水位波峰日2020年3月8日各測(cè)點(diǎn)揚(yáng)壓水頭繪制揚(yáng)壓分布圖，見(jiàn)圖3。在下閘蓄水后，各測(cè)點(diǎn)水頭大幅度升高，且部分超出理論揚(yáng)壓水頭，表明防滲效果變差，但總揚(yáng)壓力值未超過(guò)洪水設(shè)計(jì)值的揚(yáng)壓力。

圖1 全時(shí)間段右岸重力壩橫向壩基滲壓水位過(guò)程線

圖2 蓄水后右岸重力壩橫向壩基滲壓水位過(guò)程線

圖3 右岸重力壩壩橫揚(yáng)壓水位分布

由于本部位沒(méi)有排水孔和止水帷幕，故選用監(jiān)測(cè)點(diǎn)揚(yáng)壓水頭和上游水頭的比值作為防滲效果定量分析手段。壩下監(jiān)測(cè)點(diǎn)Pyb-2、Pyb-3蓄水后每月平均比值系數(shù)采用公式α=hi/H1計(jì)算，其中hi為監(jiān)測(cè)點(diǎn)水位高程，H1為上游水位，洪水系數(shù)按上下游水位為百年一遇洪水設(shè)計(jì)值計(jì)算，上游47.44m，下游40.46m。理論系數(shù)為2021年以來(lái)每日上下游水位所算理論系數(shù)的平均值(見(jiàn)表1)。其中Pyb-2測(cè)點(diǎn)各月平均系數(shù)均小于理論系數(shù)且較為穩(wěn)定，說(shuō)明上游處防水效果較好且防滲效果較為穩(wěn)定；Pyb-3測(cè)點(diǎn)各月平均系數(shù)均大于理論系數(shù)，且系數(shù)有逐漸變小趨勢(shì)，說(shuō)明防滲效果隨著時(shí)間逐漸變好，但仍比設(shè)計(jì)差。

表1 蓄水后2021年各月平均比值系數(shù)

2.1.2 縱向分布規(guī)律

由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知(見(jiàn)圖4、圖5)，蓄水后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)揚(yáng)壓水頭隨著上游水位的上升而增大，總體和上游水位呈正相關(guān)，且變化滯后期不超1d，監(jiān)測(cè)點(diǎn)水頭變化基本與上游水位變化一致。其中Pyb2測(cè)點(diǎn)處儀器最為靈敏，水頭變化趨勢(shì)與上游水頭高度吻合；Pyb3測(cè)點(diǎn)處位于壩基靠近下游一側(cè)，由圖4、圖5可知該點(diǎn)揚(yáng)壓水頭基本與上游水頭相當(dāng)，推測(cè)原因是附近可能存在滲水通道等異常影響，需要進(jìn)一步加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

圖4 全時(shí)間段右岸重力壩縱向壩基滲壓水位過(guò)程線

圖5 蓄水后右岸重力壩縱向壩基滲壓水位過(guò)程線

2.2 左岸重力壩

2.2.1 橫向分布規(guī)律

整體來(lái)看，左岸壩基在壩橫0+095.0處各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水頭變化基本與當(dāng)天上游水位變化一致，揚(yáng)壓水頭隨著上游水位的上升而增大(見(jiàn)圖6、圖7)，總體和上游水位呈正相關(guān)，且變化滯后期不超1d。各測(cè)點(diǎn)揚(yáng)壓水頭在2021年8月31日達(dá)到最大值。其中PB-2、PB-3為壩底下部前后布點(diǎn)，所測(cè)滲壓水頭分別為36.17m和35.80m，相差為0.37m，當(dāng)日上下游水位分別為37.27m和24.11m。選取上游水位最大水位日2021年8月31日、蓄水前水位波峰日2020年3月8日各測(cè)點(diǎn)揚(yáng)壓水頭繪制揚(yáng)壓分布圖(見(jiàn)圖8)?？梢钥闯鲈谙麻l蓄水后，各測(cè)點(diǎn)揚(yáng)壓水頭升高，PB-3測(cè)點(diǎn)水頭超出理論揚(yáng)壓水頭，防滲效果變差，總揚(yáng)壓力值未超過(guò)洪水設(shè)計(jì)值的揚(yáng)壓力。

圖6 全時(shí)間段左岸重力壩橫向壩基滲壓水位過(guò)程線

圖7 蓄水后左岸重力壩橫向壩基滲壓水位過(guò)程線

圖8 右岸重力壩壩橫揚(yáng)壓水位分布

由于本部位沒(méi)有排水孔和止水帷幕，故選用監(jiān)測(cè)點(diǎn)揚(yáng)壓水頭和上游水頭的比值作為防滲效果定量分析手段。壩下監(jiān)測(cè)點(diǎn)PB-2、PB-3蓄水后每月平均比值系數(shù)采用公式α=hi/H1計(jì)算，其中hi為監(jiān)測(cè)點(diǎn)水位絕對(duì)高程，H1為上游水位。其中理論系數(shù)按上下游水位為百年一遇洪水設(shè)計(jì)值計(jì)算，上游47.44m，下游40.46m。理論系數(shù)為2021年以來(lái)每日上下游水位所算理論系數(shù)的平均值(見(jiàn)表2)。其中PB-2測(cè)點(diǎn)各月平均系數(shù)均小于理論系數(shù)，說(shuō)明上游處防滲效果較好；PB-3測(cè)點(diǎn)各月平均系數(shù)均大于理論系數(shù)，說(shuō)明該點(diǎn)防滲效果差于設(shè)計(jì)。

表2 蓄水后2021年各月平均比值系數(shù)

2.2.2 縱向分布規(guī)律

蓄水后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水頭變化基本與上游水位變化一致(見(jiàn)圖9、圖10)，總體和上游水位呈正相關(guān)，且變化滯后期不超1d。在5月16日后監(jiān)測(cè)點(diǎn)揚(yáng)壓水頭隨著上游水位的上升而增大，其中PB2增大速度逐漸減小，表明滲流逐漸穩(wěn)定，受上游水頭影響逐漸變小。

圖10 蓄水后左岸重力壩縱向壩基滲壓水位過(guò)程線

2.3 廠房

蓄水前各測(cè)點(diǎn)測(cè)得水位較為平穩(wěn)，變化幅度不大；蓄水后各測(cè)點(diǎn)水頭與上游水位的相關(guān)性提高，且波峰波谷處反映較為靈敏，滯后期不超過(guò)1d。在上游水位較為穩(wěn)定情況下，部分儀器存在水頭突然下跌或上漲情況，波動(dòng)后滲壓水頭數(shù)值變得繼續(xù)穩(wěn)定。Pcf1-5、Pcf1-6在2021年6月1日存在水頭突然較大幅度上漲，Pcf1-5測(cè)點(diǎn)水頭后續(xù)跌落，Pcf1-6測(cè)點(diǎn)水頭后續(xù)增大較快；Pcf2-6在2021年6月1日存在水頭突然較大幅度下跌，后續(xù)保持平穩(wěn)上漲。上游水位在2021年8月31日達(dá)到最大值，當(dāng)日上下游水位分別為37.27m和24.11m，繪制此日廠房壩橫0+500.58和壩橫0+542.58揚(yáng)壓水位分布圖。

圖11 全時(shí)間段廠房橫向斷面滲壓水位過(guò)程線

圖12 蓄水后廠房橫向斷面滲壓水位過(guò)程線

圖13 2021年8月31日廠房橫向斷面滲壓水位過(guò)程線

位于廠房壩縱0+008.00的Pcf1-3、Pcf2-3測(cè)點(diǎn)是兩個(gè)壩橫斷面的最高水位處；位于壩縱0+0021.50的Pcf-1、Pcf-2測(cè)點(diǎn)水頭相差最大，差值為13.69m；兩斷面下游面測(cè)點(diǎn)水頭均高于理論水頭，防滲效果較差；Pcf1-6測(cè)點(diǎn)水頭出現(xiàn)增高，與常規(guī)水頭規(guī)律不一。壩橫0+542.58處各測(cè)點(diǎn)總揚(yáng)壓力小于壩橫0+500.58，防滲效果整體比另一斷面較好。

3 結(jié)論

本文以韓江高陂水利樞紐工程為研究對(duì)象，利用大壩揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)儀器所采集的揚(yáng)壓力數(shù)據(jù)，對(duì)該樞紐工程的滲流狀況進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論：

(1)在下閘蓄水后，左岸碾壓混凝土重力壩、右岸碾壓混凝土重力壩各測(cè)點(diǎn)橫向揚(yáng)壓力大幅度升高，且部分超出理論揚(yáng)壓水頭，表明防滲效果變差，但總揚(yáng)壓力值未超過(guò)洪水設(shè)計(jì)值的揚(yáng)壓力，推測(cè)左岸、右岸壩體可能存在滲流通道，應(yīng)采取加強(qiáng)監(jiān)測(cè)措施，必要時(shí)進(jìn)行工程治理，確保安全；各測(cè)點(diǎn)縱向揚(yáng)壓水頭隨著上游水位的上升而增大，總體和上游水位呈正相關(guān)。

(2)廠房蓄水前各測(cè)點(diǎn)測(cè)得水位較為平穩(wěn)，變化幅度不大；蓄水后各測(cè)點(diǎn)水頭與上游水位的相關(guān)性提高，且波峰波谷處反映較為靈敏，滯后期不超過(guò)1d。位于壩縱0+0021.50的下游面測(cè)點(diǎn)水頭均高于理論水頭，防滲效果較差；壩橫0+542.58處各測(cè)點(diǎn)總揚(yáng)壓力小于壩橫0+500.58，防滲效果整體較另一斷面好。

(3)本文各斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)顯示部分壩基揚(yáng)壓力存在異常，局部防滲帷幕可能有潛在的滲流孔洞，壩基揚(yáng)壓力異常點(diǎn)附近也可能有固定的滲流通道，影響大壩的正常安全運(yùn)行，后續(xù)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)異常點(diǎn)附近的監(jiān)測(cè)與分析。另外，大氣溫度、降雨量以及壩體兩岸地下水位等外界環(huán)境條件也會(huì)影響揚(yáng)壓力，對(duì)此需要作進(jìn)一步的分析。