大化电站左岸重力坝基础扬压力偏大原因再分析

黄耿

（广西桂冠大化水力发电总厂，广西大化，530800）

大化电站左岸重力坝基础扬压力偏大原因再分析

黄耿

（广西桂冠大化水力发电总厂，广西大化，530800）

大化水电站运行30余年来，左岸重力坝全部9个坝段的基础扬压系数普遍偏大，远超过大坝荷载设计采用的渗透压力折减系数。历次大坝观测资料分析指出，扬压水位偏高主要受下游水位及地下水的影响。二期工程施工期间，开挖了与其相邻的接头土坝，且不存在岸坡地形，投产以后多数坝段扬压水位呈现明显“先降后升”现象，根据历次观测资料分析结论调查分析，结合左岸重力坝下游侧设计加固的挡土墙和接头土石坝形成三面合围土体的实际情况，进一步分析土体内地下水从坝趾基础和下游侧渗透对坝基扬压水位的作用机理，指出扬压水位普遍偏高的直接原因，并提出防范建议。

左岸重力坝；扬压水位；分析

1 工程简介

大化水电站一期工程于1975年开工，1986年建成投产，二期工程于2007年7月开工，2009年6月投产。枢纽为Ⅱ等工程，工程规模为大（2）型，拦河坝、厂房为二级建筑物，枢纽按重现期100年洪水设计，重现期1 000年洪水校核（土坝按洪水重现期2 000年校核）。

工程从右至左依次布置有：右岸土坝、右岸重力坝、船闸、右岸河床式发电厂房、13孔溢流坝、左岸重力坝、二期工程右侧土石坝、左岸河床式发电厂房、左侧土石坝段。

大化水库正常蓄水位155 m，水库死水位153 m，调节库容0.39亿m3，按设计日调节方式发电运行，水位多在153.8～155 m之间变化，多年平均库水位154.02 m，多年平均下游水位131.26 m，最低尾水位126.33 m。

大坝已运行30余年，至今保持安全稳定和良好的健康状况。但是，从大坝多年来观测结果发现，左岸重力坝共10个坝段的基础扬压系数普遍偏大，基本在0.68～0.99之间变化，有些甚至达到1.0，远远超过大坝荷载设计采用的左、右岸重力坝渗透压力折减系数为0.5的设计值。尤其2009年二期工程投产以后，左岸重力坝段成为左岸厂房引水渠的右侧挡墙，其工作条件有所改变，从原正常蓄水位工况下不直接参与挡水的岸坡坝段变为直接承受水库水压并承受流速相对较大的水流冲刷作用的挡水建筑物。这种情况下，扬压力的影响因素可能发生了改变，但扬压水位还依然处在较高水位，这一直是大坝安全运行管理人员高度重视的问题。

2 左岸重力坝及其坝基扬压力观测布置

2.1 左岸重力坝布置

左岸重力坝总长144.55 m，共分10个坝段（左闸检室、左0～左8）。坝段长度除按绕坝渗径大于3倍水头外，还根据地形地质情况，呈直线和折线形式布置。其中左闸检室为直线布置，左0坝段左侧轴线下移14.5 m，与左1坝段衔接；左1～左4按折线布置；左5～左8按直线布置［1］。坝顶高程174.5 m，最大坝高44.5 m。坝顶宽11 m，上下游侧各设2 m宽人行道，见图1。

图1 左岸重力坝段下游视图Fig.1 Gravity dam on the left bank,view from downstream

左重力坝段位于左岸坡地，原地面高程155～165 m，风化岩层较厚，弱风化岩石在135～145 m高程，原布置方案为强风化基岩重力坝方案。1978年2月，坝基开挖发现强风化基岩节理十分发育，岩性软弱，强度低，不宜作为重力坝基础，经设计、施工和地质三方共同研究，决定把大坝基础放在弱风化岩石上，同时为避开F7断层，在0+766桩号处，将左1～左4按挡水前缘下移11.5 m，左岸重力坝就改为弱风化基岩重力坝方案［1］。典型坝段剖面见图2。各坝段的坝体结构特征值见表1。

图2 典型坝段剖面图Fig.2 Section of typical dam block

从表1可看出：左重坝段的建基面基本高于多年下游水位131.26 m。

2.2 坝基扬压力测压孔、观测点布置

扬压力是作用在坝基和坝体上的重要荷载，它的大小取决于防渗与排水情况、施工质量和地质条件。本工程坝址地质复杂，基岩渗透性较强，坝基处理设计中，在坝踵之后布设防渗帷幕和幕后排水孔，以折减坝基扬压力。为了解帷幕灌浆及基础排水孔的实际效果，掌握运行期间扬压力的变化规律，沿大坝纵向每个坝段各布置1～2个测孔。

坝基扬压力监测设施经过1996年的自动化改造后，削减了部分监测施工期及运行初期坝基扬压力的测孔，主要保留了灌浆廊道帷幕后的测孔，形成沿坝轴线方向的1个纵向监测断面（沿大坝纵向基本每个坝段布置1个测孔），共52个，测孔编号UP43～UP52。测点基本资料见表2，测点布置图见图3。

表1 各坝段的坝体结构特征值Table 1 Characteristic value of dam body structures

表2 坝基扬压力测点布置情况考证表Table 2 Investigation of the points for uplift pressure monitoring

图3 左岸重力坝段扬压力测点布置图Fig.3 Distribution of points for uplift pressure monitoring on the left bank

3 历年实测左岸重力坝基础扬压水位数据

收集整理左岸重力坝建成投运以来（1986～2016年）的扬压水位观测资料发现，相对溢流坝、厂房等其他坝段，左岸重力坝的9个坝段坝基扬压水位变化不大，但均处在较高数值范围。在30年实测数据系列中选取2006年自动化监测系统升级改造以后的11年数据进行统计，9个坝段的扬压水位处在较高的水平，其变化范围见表3。取左8号坝段进行扬压力变化趋势和规律说明和分析，见图4。

从表中可看出：与原二期工程围堰正交的左1～左3坝段扬压水位较之其他坝段均较低。而左0、左5～左8坝段均在151～155 m之间，尤似扬压水位与上游水位相接近的现象。2007年下半年～2009年5月，大化扩建工程引水渠开挖，原位于左5～左8坝段上游面的水塘不存在，4个坝段的扬压水位均出现下降，2009年6月，大化扩建工程引水渠蓄水，此后，部分岸坡坝段（左4～左8坝段）扬压水位升高，随后与之前基本保持在一个水平。

对比扬压水位与上、下游水位的数据，发现在下游水位高于坝基面高程的情况下，部分测孔的扬压水位相应地有所改变，而下游水位高的时段均为汛期或降雨季节。除此以外的大部分时段，导致过高的扬压水位的原因需要进一步分析研究。

同样，整理左岸重力坝段坝基渗漏量观测数据发现，多年以来，该9个坝段坝基汇集的渗漏量一般在2～20 mL/s，近几年甚至无渗漏水。

4 历次大坝定检对左岸重力坝扬压力的评价

左岸重力坝扬压力偏高问题存在已久，在前几次大坝定检和之前多次大坝观测资料分析报告中，都进行了相应的分析、评估，其结论基本一致。

4.1 1997年第一次大坝定检有关分析情况［2］

从1987～1992年扬压力观测资料看，有观测资料的左0～左8的幕后渗透压力系数较原设计采用值（α1=0.4，α2=0.2）大。接近建基面高程的左0～左4五个坝段中，从有实测资料的左0、左1、左4三个坝段的水头与渗压系数看出，当水头为16 m时，实测α值比原设计采用值大得多。

4.2 2004年第二次大坝定检有关结论［3］

左岸坡坝段的左0、左4～左8坝段的扬压水位较高，扬压系数均超过设计值0.45，根据现场情况，扬压系数偏高主要受地下水位及坝前水池的影响。首次定检时曾以这些测孔实测最大扬压系数对坝体进行稳定复核，其安全系数满足现行规范要求。与首次定检相比，没有升高趋势。

表3 左岸重力坝左0（UP44）～左8（UP52）号坝段扬压水位、扬压系数年最大值统计表（扬压水位单位：m）Table 3 Statistics of the maximum uplift level and uplift pressure coefficient measured by UP44～UP52

图4 左岸重力坝8号坝段测压管（UP52）2006～2016年扬压力测值过程线图Fig.4 Measured uplift pressure from 2006 to 2016 by piezometric tube UP52 on the block 8 of gravity dam

4.3 2008年第三次大坝定检时有关分析结论［4］

（1）左岸重力坝段的扬压系数普遍偏大，UP44、UP48～UP52的最大扬压系数在0.68～0.99之间。2007年下半年后，由于左岸土坝开挖，这些测孔扬压力明显减小，目前UP44、UP48～UP51平均扬压系数在0.48～0.64之间，仍超过设计值。

（2）左、右岸重力坝段基础扬压力受降雨的影响较明显。

4.4 2014年第四次大坝定检有关分析评价［5］

（1）左岸重力坝段扬压水位相对较高，最高为155.33 m（UP51，测孔灵敏度不佳），UP49最大年变幅为8.18 m；测孔水位变幅相对较大，与上游水位相关性不强。

（2）UP48、UP50、UP51扬压水位受降雨影响较为明显，这是因为降雨是影响两岸地下水位的主要因素之一，如左6（UP50）坝段，见图5。

（3）UP44水位和上游水位相关性较好，反映帷幕局部防渗效果可能较差。

（4）2007年7月～2009年6月左岸二期工程施工开挖期间，UP44、UP48～UP52水位呈现明显的“先降低，后升高”变化，变幅最大在8 m左右，过程线见图6。推测这是因为左岸土坝挖开后导致左岸地下水位降低，左岸扩建工程完工蓄水后地下水位又随之升高。

（5）左岸重力坝段大部分测孔扬压系数超过设计值，主要是受地下水位较高影响。大坝安全首次定检和第二次定检按实测最大扬压力对大坝抗滑稳定进行了复核，结果均满足规范要求。这些测孔水位大部分和上游水位无明显相关，且运行多年总体上没有升高趋势，故防渗帷幕应该是有效的，不影响大坝抗滑稳定。

5 扬压力偏高原因的进一步探讨分析

5.1 需要探讨的问题

两岸较高的地下水位是左岸重力坝扬压水位的主要影响因素，在2007年之前，该坝段尚属于真正意义的岸坡坝段，这个结论比较容易理解。但2009年6月以后，大化扩建工程破除上游围堰，引水渠蓄水，原位于围堰或水塘覆盖的各坝段上游面直接挡水，形成真正意义上的拦河大坝。同时，左岸重力坝的左侧为扩建厂房的过水流道及其右侧的土石坝，坝的下游侧仅存在范围不大的岩坎，不与山体相连，似乎又不能直接说明地下水位与扬压水位的相关性。那么，地下水位是怎样作用于左岸重力坝呢？

图5 UP50扬压水位与降雨量过程线图Fig.5 Relationship between the uplift level measured by UP50 and precipitation

图6 UP49、UP50、UP52扬压水位过程线图Fig.6 Graphs of uplift level measured by UP49,UP50 and UP52

5.2 地下水位作用机理的探讨

为进一步查清扬压力偏高的问题，拟从左岸重力坝渗控工程设计、工程处理和边界等方面着手进行深入的调查和分析。

5.2.1 左岸重力坝坝基帷幕灌浆及排水［1］

5.2.1.1 帷幕灌浆

（1）孔排距：由于坝址基岩岩性软弱，承载能力较小，防渗帷幕采取双排密孔低压灌浆。两排帷幕孔，下游排为主帷幕，上游排为副帷幕，排距1.5 m和1.0 m，孔距2m，两排孔按连续三角形布置，均为垂直孔。对于建基面较高的左5～左8坝段和两岸土坝段，只布置一排帷幕孔，孔距2 m，各帷幕孔间作浅部基岩固结灌浆，以提高防渗效果。

（2）单位吸水量值：左岸重力坝段主帷幕防渗标准为ω≤0.03Lu。相应帷幕深度达到基岩ω=0.03Lu线以下5 m。

（3）灌浆压力：帷幕灌浆是在有坝体廊道底板混凝土做为盖重的情况下施工，灌浆压力参照尾岩抗力体固结灌浆时所做的无盖重的岩石抬动试验成果，并遵循在帷幕表层段不小于1倍坝前净水头，在孔底段不小于2倍坝前净水头的原则确定。

（4）灌浆材料：全线采用纯水泥浆。

5.2.1.2 排水孔

幕后排水孔为一排斜孔，沿灌浆廊道下游边布设，孔距3m，向下游倾角75°，孔深为主帷幕孔深的1/2。

5.2.2 建设期左岸重力坝加固处理情况［1］

左岸重力坝段基础为弱风化岩石，其设计要求与溢流坝相同，计算荷载情况及各种荷载组合与右岸重力坝相同。

根据坝基深层抗滑稳定核算成果，左岸重力坝加固着重在坝后进行加固。

左1～左4坝段采取坝后填土加高的处理方案。为了与相邻坝段的处理协调，同时根据当时的施工状况，填土（包括反滤和护坡层）须填至158 m高程。为拦挡左1～左4坝段坝后的填土，须在左0坝段下游面垂直坝轴线方向增修一道挡土墙。挡土墙为重力式，墙顶高程为158 m，长度44.25 m，最大墙高18 m，见图1和图2。

基础如此处理后，左重9个坝段下游侧的坝趾均埋于29～20 m之下。

5.2.3 左岸重力坝上下游坝面以及与土坝衔接的情况

2007年9月以前，左0～左5坝段是与一期工程预留二期工程围堰正交的部分，左岸重力坝上游立面掩埋在围堰（顶高程169.0 m）两侧坡面之下；左5～左8坝段的上游立面则被左岸接头土坝的坡面覆盖。下游坝坡面左0～左6坝段的158 m高程以下则掩埋在挡土墙内，各坝段坝趾掩埋深度在29～9 m之间；左6～左8坝段则为左岸接头土坝的坡面所覆盖。

2007年9月～2009年6月间，一期工程预留围堰和原接头土石坝被挖除，左重力坝上游面覆盖和掩埋层也被削薄。

2009年6月以后，左岸重力坝各坝段上游面直接挡水，形成真正意义上的拦河大坝，下游面仍保留原状。

5.3 地下水位作用过程分析

（1）地下水位从坝体上游面渗透影响分析：从左重力坝坝基帷幕灌浆及排水设计施工效果和第四次大坝定检的评价结论可推测，地下水位从坝基上游面渗透影响的能力较低。

（2）地下水位从坝体下游面渗透影响分析：由于在左0坝段下游面垂直坝轴线方向修建了顶高程为158.0 m的挡土墙，将左岸坝段以左的地表水存贮其中，地下水位一直保持较高且不易排出。

这种现象可用电站运行管理单位日常巡查所发现的廊道坝段间伸缩缝渗漏水状况加以证明，检查结果和统计发现：每当降雨过后，左5～左6、左6～左7、左7～左8间伸缩缝即出现渗漏水，渗漏点位于约151.0 m高程部位，其水质呈黄色浑浊状，从廊道下游侧立面或顶部渗出，降雨过后几天渗水逐渐减弱或停止，可见“扬压水位受降雨的影响较明显”，其影响的相关性见图4。

同样，各坝段扬压力测压孔距坝趾仅7～17 m，渗透路径较短，在前述“越往左岸的坝段其地基岩层风化基岩节理较为发育”的地质条件下，地下水位沿着坝趾或更深层基岩向坝基上游或下游坝面段间伸缩缝渗透的可能性很大。这足以说明，左岸重力坝段基础扬压力受地下水位影响较大。

为加固而修建的坝体下游挡土墙顶高程为158.0 m，垂直于坝轴线且与下游河床混凝土护坡相连，挡土墙轴线与折线形布置的左1～左6坝段和与之近乎平行的左6～左8坝段，在地形上形成一个三面合围的形状，在这个相对不透水的三面合围体内，储存着不易排出的较高水位的地下水，通过坝趾处或基岩节理裂隙间渗透，使左岸重力坝的扬压水位基本保持在较高的水位。

这种地下水的渗透，在得到降雨补充的时段，扬压水位就相应地抬高，这从对实测数据的分析中已经得到充分反映。当然，各坝段的坝基地质不同，地下水位的作用也不一样。

另外，每年汛期下游水位抬高，部分坝段的扬压水位也相应增高，亦是一样的道理。

（3）关于2007年7月～2009年6月期间，UP44、UP48～UP52水位呈现明显的“先降低，后升高”变化的分析。

根据以上分析，左岸扩建工程开挖期间，原左岸土坝不存在，左重力坝上游侧的地下水位降低，下游侧也因尾水渠开挖使地下水改变方向，流向左侧下游的基坑，影响了左重各坝段下游侧地下水位的作用，从而使扬压水位降低。一旦扩建工程尾水渠、右侧土石坝建设完成，地形地质又恢复了2007年之前的状态，因而，左岸扩建工程完工蓄水后地下水位又随之升高，扬压水位则又恢复到原有的高度。

6 结语

（1）根据历次大坝监测资料分析结论和以上进一步分析，可以认为：

①左岸重力坝扬压力普遍偏高，主要是受地下水位较高影响，且主要受到坝体下游侧挡土墙以左三面合围体内地下水的影响。该地下水位与降雨量或其他生产活动排水的补充有关。降雨量大或时间长，扬压水位则明显保持在较高的水平。

②根据大坝安全首次定检和第二次定检按实测最大扬压力对大坝抗滑稳定的复核，结果均满足规范要求。这些测孔水位大部分和上游水位无明显相关，且运行多年总体上没有升高趋势，第二次定检以来实测水位未超过复核采用的水位，故防渗帷幕应该是有效的，大坝抗滑稳定满足规范要求。

（2）在对正常运行工况下坝趾建基面高于下游水位且埋置较深的重力坝进行受力分析时，需重视对作用于坝体的荷载中可能存在地下水或其他潜在影响因素的分析和核算。

（3）大坝安全运行管理人员必须高度重视扬压力偏大问题，开展分析研究，查明扬压力持续偏高的原因，研究它的变化趋势，研究它对大坝安全稳定的影响，现场检查左0坝段下游混凝土挡土墙墙体排水孔洞排水是否顺畅，应及时疏通墙体排水孔，使墙内土体的地下水顺畅排出，以减小左岸重力坝下游侧和挡土墙背的地下水压力。■

[1]广西壮族自治区电力工业局勘测设计院.红水河大化水电站技术设计报告——第三分册[R].1984.

[2]广西大化水电站大坝安全定期检查专家组.广西大化水电站大坝安全定期检查报告[R].1994：10.

[3]国家电力公司大坝安全监察中心.大化水电站大坝监测资料分析总报告[R].2002：54.

[4]国家电力公司大坝安全监察中心.大化水电站大坝安全监测系统评价及监测资料分析报告[R].2008：96.

[5]国家能源局大坝安全监察中心.大化水电站大坝安全监测系统评价及监测资料分析报告[R].2014：60,65.

Analysis on high uplift pressure at foundation of Dahua gravity dam on the left bank

HUANG Geng//Dahua Hydropower Plant

Dahua hydropower station has been in operation for more than 30 years.For the 9 gravity dam blocks on the left bank,the uplift pressure of dam foundation is much higher than designed value.By analysis on monitoring data,the conclusion is gotten that the high uplift pressure is caused by water level downstream and underground water.After the second stage construction,the uplift pressure was decreased first and then increased.Combined with the actual project condition,the influence of underground water on uplift pressure,by seepage through dam toe foundation and downstream of the dam,is analyzed.The cause reasons for high uplift pressure are presented,as well as the prevention suggestions.

left gravity dam;uplift pressure;analysis

TV698.1

B

1671-1092（2017）03-0040-07

2017-02-18；

2017-04-04

黄耿（1964-），男（壮族），广西都安人，高级工程师，注册监理工程师，主要从事大坝安全和水利水电施工技术管理工作。

作者邮箱：271855062@qq.com