华安闸坝闸基扬压力异常性态分析

何金平，施玉群，吴云芳

（武汉大学a.水资源与水电工程科学国家重点实验室；b.水利水电学院，武汉 430072）

华安闸坝闸基扬压力异常性态分析

何金平a，b，施玉群a，b，吴云芳a，b

（武汉大学a.水资源与水电工程科学国家重点实验室；b.水利水电学院，武汉 430072）

闸基扬压力性态是反映闸坝安全与否的重要指标。通过定性和定量分析，研究了华安闸坝部分老测压孔和部分新测压孔水位异常的成因，分析了判断扬压力测值“伪异常”的方法。研究表明，P7老测压孔水位异常在于该测压孔被淤堵，P8，P9老测压孔水位异常在于测压孔所在部位防渗帷幕效果被削弱，或坝体上游面与P8，P9老测压孔之间存在渗流通道；P1，P7，P8，P9新测压孔水位异常在于测压孔施工质量欠佳。华安闸坝闸基扬压力测压孔水位异常现象不仅反映了因环境变化、结构变异、防渗措施等因素引起的孔内水位异常，而且反映了因施工质量原因造成的孔内水位异常。

大坝安全；扬压力监测；性态分析；数学模型

1 工程概况及扬压力监测布置

华安水电站位于福建省九龙江北溪干流中游华安境内，拦河闸坝为华安水电站的主要挡水及泄水建筑物，共19孔。闸坝最大高度31.1 m，设计水位96.36 m，为日调节水库。闸坝基础部位为混凝土结构，上部为砌石圬工溢流坝，实用宽顶堰，堰顶高程89.0 m。闸墩下部为钢筋混凝土，上部为浆砌花岗岩条石。

闸基共布置了11个扬压力测压孔，分别位于1＃，3＃，4＃，7＃，8＃，9＃，11＃，14＃，15＃，16＃及18＃闸墩，编号分别为P1，P3，P4，P7，P8，P9，P11，P14，P15，P16及P18。

华安闸坝于2000年3－12月对闸体、基岩进行了灌浆加固，并于2001年5－6月对闸基扬压力孔进行了改造。2001年5月前，闸基扬压力采用老测压孔进行观测；2001年7月以后，闸基扬压力采用新测压孔进行观测。同时，由于2000年闸基扬压力监测资料受闸坝安全改造施工用水等因素的影响较大，不能反映闸基扬压力的实际情况，因此，在分析时，将测压孔监测资料划分为2个阶段：第一阶段为1989－1999年，第二阶段为2001年7月以后。

2 第一阶段闸基扬压力性态分析

老测压孔孔口位于闸墩顶检修门槽下游侧的浆砌花岗岩条石结构的闸墩中心线上，在闸基灌浆帷幕下游侧约150 cm处。测压孔穿过闸墩砌石体后进入

基岩约1.0～2.2 m。钻孔中安装有镀锌钢套管直到闸墩底部，并在管壁与闸墩之间进行了灌浆处理。

2.1 闸基扬压水位的异常表现

（1）通过绘制各测压孔扬压力过程线发现，在第一阶段P1，P3，P4，P11，P14，P15，P16和P18测压孔孔内水位表现正常，而P7，P8和P9测压孔孔内水位表现异常。其中P8，P9孔内水位严重偏高，孔内多年平均水位分别为89.465 m和89.344 m（上游多年平均水位约为93.5 m），如图1；P7孔内水位不仅偏高（孔内多年平均水位92.723 m），而且存在数次明显的突变，如图2。

图1 P8，P9测压孔孔内水位变化过程线Fig.1 Curves of water levels in measuring pressure hole P8 and P9

图2 P7测压孔孔内水位变化过程线Fig.2 Curve of water levels in measuring pressure hole P7

（2）通过计算闸基渗透压力折减系数发现，P1，P3，P4，P11，P14，P15，P16和P18测压孔所示渗透压力折减系数均较小，满足设计要求；而P7，P8，P9测压孔所示渗透压力折减系数普遍偏高，不满足设计要求；P7测压孔还出现渗透压力折减系数大于1的极不合理现象。

从测压孔孔内水位变化过程和闸基渗透压力折减系数来看，华安闸坝P7，P8和P9测压孔实测扬压力性态异常。

2.2 闸基扬压力异常原因分析

2.2.1 P7测压孔扬压力异常原因分析

P7测压孔孔内水位出现异常的主要原因在于测压孔孔底出现了淤堵。如图2，由于孔底淤堵，导致1989年1月至1991年11月间孔内水位持续偏高；1991年11月底对P7测压孔进行了抽水处理（但未清淤），因此1991年12月孔内水位突降；此后水位缓慢上升，1992年7月5日至7月8日坝址连续4天出现较大降雨，闸墩顶部雨水流入管内，而管底仍被淤堵，排泄不畅，致使1992年7月孔内水位突升，并导致此后孔内水位持续保持特殊高水位的假象（也因此导致出现渗透压力折减系数大于1的极不合理现象）；1998年6月对P7孔再次进行了抽水和清淤处理，因此孔内水位出现了突降，此后水位维持在85 m附近正常变化。

2.2.2 P8，P9测压孔扬压力异常原因分析

为分析P8和P9测压孔扬压力性态异常的原因，分别建立其孔内水位监测统计模型，进行定量分析。

在运行期内，影响坝基扬压力变化的因素主要有水压（包括上游水压、下游水压）、降雨和时效等。在建立闸基扬压力（测压孔孔内水位）统计模型时，取6个代表性上游水压因子，6个代表性降雨因子和4个代表性时效因子［1，2］。

P8，P9扬压力统计模型见式（1）和式（2），拟合情况见表1。

表1 华安闸坝闸基P8，P9扬压力测压孔孔内水位统计模型拟合情况表Table 1 Simulated results obtained by statisticalmodel of water level in measuring pressure holes P8 and P9

P8，P9扬压力统计模型的复相关系数R分别为0.781和0.864，均大于0.75，表明所建立的统计模型基本上是合理的，能反映出闸基扬压力的变化规律。统计模型表明：

（1）从水压分量比重来看，P8，P9统计模型中均有水压因子入选。P8统计模型中，水压分量所占比重达73%；P9统计模型中，水压分量所占比重约52%。这说明P8，P9两测压孔水位变化与上游水位变化关系十分密切。

（2）从水压分量因子回归系数来看，P8，P9统计模型中入选的水压因子回归系数均为正值。这表明上游水库水位上升，测压孔水位也上升；上游水库水位下降，测压孔水位也随之下降。

（3）从水压分量因子形式来看，P8统计模型中，入选的水压因子为H0－1和H31－60，其中因子H0－1回归系数明显大于H31－60；P9统计模型中，入选的水压因子为H1－4和H31－60，其中因子H1－4回归系数也大于H31－60。这说明P8，P9测压管水位对观测日当日的上游水位及近期上游水位的变化很敏感，关系密切。

（4）从水压分量变化过程来看，P8统计模型水压分量变化过程线与水库水位变化相似，特别是在水库放空时对上游水位变化更加敏感（因为此时水库水位变化较大），例如1990年、1992年、1994年、1996年以及1999年水库放空时，P8统计模型水压分量均存在大幅度下降，而且时间上也基本同步。P9统计模型水压分量变化曲线也与上游水位变化相似，对水库放空也很敏感。这进一步表明P8，P9测压管孔内水位变化与上游水位变化关系密切。

综上所述，P8和P9测压孔水位长期异常偏高的主要原因在于测压孔水位与上游水位密切相关，而造成这一密切相关性的原因主要有2个方面：①8，9号闸坝段部位的防渗帷幕效果可能已被削弱，闸基存在渗流通道，导致测压孔内水位偏高；②砌石坝体与测压孔之间可能存在渗流通道，上游库水通过渗流通道沿不密实的测压孔套管外壁进入测压孔，导致测压孔孔内水位偏高。

3 第二阶段闸基扬压力性态分析

鉴于以上对1989－1999年闸基扬压力监测资料的分析，初步判断P7测压孔已淤堵，P8，P9测压孔部位防渗帷幕可能已削弱或坝体可能存在渗流通道。为此，华安水力发电厂于2000年对闸体进行了补强固结灌浆，对基岩进行了补强帷幕灌浆。

2001年5－6月，对闸基扬压力测压孔进行了改造，设置了新的扬压力测压孔。新测压孔位于老测压孔旁，对老测压孔进行M15砂浆回填封堵后，在老测压孔下游侧15 cm处重新钻孔，形成新测压孔。新孔钻孔至基岩下500 mm，钻孔内安装直径80 mm镀锌钢套管，套管直到闸墩底部，距测压孔底200 mm，套管与墩壁之间进行灌浆处理。

3.1 新测压孔初期扬压力异常情况

新测压孔于2001年7月投入监测。初期的监测资料表明，部分新测压孔实测扬压力出现异常，主要表现为：

（1）P7，P8，P9新测压孔孔内平均水位虽然均低于老测压孔，但依然处于偏高状态；P1新测压孔孔内水位则高于老测压孔，且明显偏高。

（2）从新测压孔渗透压力折减系数来看，P8，P9测压孔的渗透压力折减系数依然偏高，不满足设计要求；P1测压孔部分时段渗透压力折减系数也出现偏高，不满足设计要求；P7观测孔在施工完成初期，渗透压力折减系数较小，但之后持续上升，至2002年1月，折减系数已接近或大于设计限值。

由上可见，P1，P7，P8，P9新测压孔孔内水位处于异常状态。

3.2 新测压孔扬压力异常原因分析

由于华安闸坝刚完成补强加固改造，且测压孔为新完成的孔，此时即出现上述坝基扬压力异常的情况，应引起高度重视。从华安闸坝的实际情况来看，造成P1，P7，P8，P9四个新测压孔扬压力异常的可能原因大体有2个方面：一是闸坝进行的补强加固措施不力，没有达到预期效果，P1，P7，P8，P9测压孔部位的防渗帷幕效果依然较差，闸基依然存在渗流通道，从而导致扬压力异常偏高；二是新测压孔施工质量欠佳，测压孔套管外壁回填灌浆不密实，而闸坝上游面与测压孔之间又存在渗流通道，上游库水通过渗流通道进入测压孔，导致扬压力异常偏高。

3.2.1 补强帷幕灌浆效果分析

华安闸坝在完成闸体补强固结灌浆和基岩补强帷幕灌浆后，为检查固结灌浆和帷幕灌浆的效果，进行了检查孔压水试验。分别在3＃，9＃，11＃，14＃，15＃，18＃和19＃闸坝段各打一个检查孔，各检查孔均钻至帷幕底部高程。在进行试验的34个试段中，透水率ω值均小于0.016 L／min·m·m，其中30个试段的ω值小于0.01 L／min·m·m，符合设计规定的ω值小于0.03 L／min·m·m的标准。通过与补强灌浆前相同部位的压水试验值进行比较，补强灌浆后透水率ω值均有不同程度的降低。因此，从检查孔的试验结果来看，帷幕灌浆的效果是良好的。对1＃闸坝段，老测压孔实测扬压力一直较小，而此次对1＃闸坝段部位又进行了补强帷幕灌浆，补强后1＃闸坝段帷幕的防渗效果应比补强前好。因此，可以认为，华安闸坝补强加固的效果是好的，P1，P7，P8，P9新测压孔扬压力异常不是由于帷幕防渗效果引起的。

3.2.2 新孔施工工艺分析

对新测压孔施工过程和施工工艺进行检查，发现部分新测压孔在进行回填灌浆时存在问题。例如，P1新测压孔于2001年6月17日进行套管安装、灌浆，在灌浆过程中，泥浆泵多次受阻，经多次冲洗灌浆管和泥浆泵，才完成灌浆；所采用的粉煤灰进场较早，存在受潮结块现象；在灌浆过程中，孔口缺乏封堵，影响了灌浆效果。同时，在套管安装过程中，还出现了掉管。其他P7，P8，P9新扬压力观测孔在施工过程中，也存在类似的情况。

综合上述情况，新测压孔很可能施工质量欠佳，测压孔套管外壁与孔壁之间的回填灌浆不密实，而华安闸坝90～94 m高程坝体为浆砌条石，上游库水很可能通过浆砌条石的砌缝（灰缝）渗入，然后沿套管外壁与孔壁之间的不密实的回填水泥沙浆渗入测压孔底部，并涌入扬压力测压孔，从而导致孔内水位偏高，实测扬压力出现异常。

3.2.3 P1，P7，P8，P9新孔修复处理分析

华安水力发电厂对上述问题十分重视，曾多次要求施工单位对P1，P7，P8，P9四个新测压孔进行处理。施工单位也多次对这几个测压孔进行了补充灌浆，但效果仍不理想。2002年6月，再次对P1，P7，P8，P9四个新测压孔进行补充灌浆处理，处理方法为在P1，P7，P8，P9四个新测压孔附近位置（左右0.2 m）重新再钻新的灌浆孔进行灌浆。灌浆处理完成后，进一步加强测压孔扬压力跟踪监测。

截止2008年12月的长期观测资料显示，修复后的P1，P7，P8，P9新测压孔实测扬压力正常，渗压折减系数均满足设计要求。

修复后的P1，P7，P8，P9新测压孔实测扬压力正常的事实也间接表明：修复前的P1，P7，P8，P9新测压孔孔内水位偏高的原因在于施工质量不佳。

4 结 语

闸基扬压力观测的目的在于判断渗透压力折减系数是否符合规范的要求或设计的规定，从而判断闸基防渗帷幕工作性态是否正常。扬压力测值异常，并不代表防渗帷幕工作不正常。因其他原因而非防渗帷幕原因造成的扬压力异常现象，称为扬压力“伪异常”现象。只有在完全排除了“伪异常”现象之后，才能得出防渗帷幕存在问题的结论。

闸基扬压力测值一旦出现异常，应遵循以下原则来排除“伪异常”现象：

（1）判断是否属于因观测方法不当或观测记录有误而带来的“伪异常”。观测方法长期不当，将会带来严重的系统误差；观测记录错误，则会带来粗差。

（2）判断是否属于测压孔本身工作不正常而带来的“伪异常”。例如，测压孔淤堵致使孔内水位长期异常偏高是造成扬压力异常假象的主要原因之一，一旦出现测压孔水位长期居高，应及时对测压孔进行清淤，并进行加密观测，分析清淤后测压孔孔内水位的变化情况，从而判断是否属于因测压孔淤堵而带来的“伪异常”。此外，测压孔施工质量也是判断测压孔本身工作是否正常的一个重要方面。

（3）判断是否属于与测压孔连通的外来渗流通道带来的“伪异常”。以华安闸坝为例，由于其坝体为砌石结构，坝体上游面与测压孔之间存在沿砌缝（灰缝）的渗流通道，上游库水通过渗流通道沿不密实的测压孔套管外壁进入测压孔，导致孔内水位偏高，造成闸基扬压力测值偏高的“伪异常”。

（4）一旦排除了“伪异常”现象，则应从更广泛的角度、采取更多的分析方法来诊断防渗帷幕是否存在缺陷；一旦确诊防渗帷幕存在问题，应立即采取工程措施和非工程措施进行处理，确保工程安全。

华安闸坝老测压孔观测资料显示，P7，P8，P9测压孔水位异常；新测压孔观测资料显示，P1，P7，P8，P9测压孔水位异常；修复后的新测压孔观测资料显示，各测压孔水位均正常。本文从数据序列过程、环境变量影响、加固改造状况、结构性态变化以及施工工艺技术等角度出发，采用定性和定量分析方法，对华安闸坝部分测压孔异常水位的成因进行了较为详细、深入的多方位研究，得出合理的结论。华安闸坝闸基扬压力测压孔水位上述异常现象具有很好的代表性，不仅反映了因环境变化、结构变异、防渗措施等因素引起的孔内水位异常，而且反映了因施工质量原因造成的孔内水位异常。本文的研究思路和研究结论对于其他大坝扬压力观测资料分析和大坝安全评价具有良好的借鉴作用。

［1］ 李珍照.大坝安全监测［M］.北京：中国电力出版社，1997.（Li Zhen-zhao.Dam Safety Monitoring［M］.Bei-jing：China Electric Power Press，1997.（in Chinese））

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［3］ 吕世德，陈浩然.嶂山闸闸基渗流异常现象初步分析［J］.水电自动化与大坝监测，2004，28（2）：57－59.（LU Shi-de，CHEN Hao-ran.Analysis of seepage abnormally of Zhangshan Gate Base［J］.Hydropower Automation and Dam Monitoring，2004，28（2）：57－59.（in Chinese））

［4］ KREUZER H.Uncertainty in the assessment of failure probabilities［J］.International Journal on Hydropower and Dams，2003，10（6）：98－101.

（编辑：王 慰）

Abnormal Behavior Analyses of Foundation Uplift of Huaan Sluice

HE Jin-ping，SHIYu-qun，WU Yun-fang
（State Key Laboratory ofWater Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan 430072，China；School ofWater Resources and Hydropower，Wuhan University，Wuhan 430072，China）

The foundation uplift behavior of sluice is an important index reflecting safety of a sluice.By analysis of quality and quantity，the abnormal reasons are studied of partial old and new piezometric holes located in the Huaan Sluice，themethod to judge false abnormality phenomena is analyzed.The research result indicates that abnormal water levels are due to the following conditions：the P7 old piezometric holewas silted up，the impervious curtain in front of P8 and P9 old piezometric holeswasweakened or there are some seepage channels between upstream face of sluice and these holes，and construction quality of P1，P7，P8，P9 new piezometric holes was not good enough.These abnormal water levels of piezometric holes not only reflect the environmental，structural and seepage control variation，but alsomirror the construction quality.

dam safety；upliftmonitoring；behavior analysis；mathematicalmodel

TV698

A

1001－5485（2010）03－0025－04

2009-04-15；

2009-06-11

何金平（1964-），男，湖北罗田人，博士，副教授，主要从事大坝安全监测与老化病害诊断研究，（电话）027-68772221（电子信箱）whuhjp＠163.com