松树岭大坝坝基渗压系数超标现象分析

牟 猷，张 成，陈 刚，吴 勇

(1.武汉大学水利水电学院，湖北 武汉 430072；2.国电竹溪水电开发有限公司，湖北 十堰 442000)

坝基扬压力是判断混凝土重力坝安全状态的主要控制性技术指标[1]，一般在大坝坝基布置测压孔或埋设渗压计以观测坝基扬压力[2]，然后通过分析测压孔或渗压计实测扬压水位的变化过程来判定坝基扬压力的变化规律是否正常，通过计算渗压系数来判断坝基扬压力是否超过设计允许值，从而及时了解坝基防渗帷幕和排水孔幕的防渗排水效果是否正常，并对坝基扬压力性态作出评价。异常扬压水位分析是坝基扬压力监测资料分析的重点[3]，本文通过对松树岭水电站2、3号坝段坝基测压孔扬压水位过程线与上游水位变化过程线进行比较分析、建立统计模型进行定量分析以及现场测试成果的分析，对上述坝段坝基测压孔扬压力超标现象进行了综合分析，以期为类似大坝坝基扬压力分析提供借鉴和参考。

1 工程概况

松树岭水电站位于汉江水系官渡河中段湖北省竹山县境内，主要由拦河重力坝、引水发电系统、发电厂房和输送电系统等组成。共分8个坝段，从左岸到右岸依次编号为1～8号，由非溢流坝段、溢流坝段、冲沙底孔坝段等组成；除右坝肩坝段(8号)长22.00 m、冲沙底孔坝段(7号)长16.00 m外，其余6个坝段均长15.00 m。松树岭大坝正常蓄水位为394.00 m，设计洪水位为395.10 m(50年一遇)，校核洪水位为398.21 m(500年一遇)，死水位(汛前限制水位)384.00 m，极限(运行)死水位378.50 m。松树岭水电站大坝于2005年9月中旬下闸蓄水，2006年5月竣工。

松树岭水电站大坝布置了变形、渗流和应力应变及温度等监测项目。在1～8号坝段基础廊道布置了17个测压孔以监测坝基扬压力。其中，2、3号坝段各布置了1孔测压孔，测点编号分别为ULP3和ULP2，两测压孔均位于排水孔幕中心线附近，其监测布置情况见表1；2005年9月下闸蓄水后便开始进行观测，均从一开始就在孔口安装压力表的方法进行坝基扬压力的观测；ULP3测压孔压力表在2007-06-21日～2007-12-21日期间出现了故障，2008-01-01日更换压力表后，测值恢复正常；2016年10月～2017年11月期间松树岭水电站对2、3号坝段防渗帷幕进行了补强灌浆处理。

表1 2、3号坝段坝基测压孔布置情况一览表 m

2 坝基渗压系数超标现象

根据松树岭水电站大坝坝基扬压力监测资料分析，可得到初步结果：松树岭水电站大坝2、3号坝段坝基存在扬压水位偏高、渗压系数超标等异常现象。

图1为2号坝段ULP3测压孔、3号坝段ULP2测压孔2010年1月～2016年10月期间的扬压水位变化过程线。由图1可知：2号坝段ULP3测压孔、3号坝段ULP2测压孔实测扬压水位过程线基本平稳，变化规律基本相似，与上游水位变化基本同步；实测扬压水位数值偏高，且与上游水位较为接近。

图1 2、3号坝段排水孔幕中心线附近测压孔实测扬压水位变化过程线图

图2为ULP3、ULP2测压孔2010年1月～2016年10月期间的渗压系数变化过程线。2、3号坝段均为岸坡坝段，设计渗压系数控制值为0.4。由图2可知：ULP3、ULP2测压孔2010年1月～2016年12月全时段渗压系数基本在0.6～0.8之间，均超过设计控制值0.4，渗压系数明显偏大。

3 坝基渗压系数超标成因分析

3.1 现场测试情况

松树岭水电站首轮定检期间于2013-01-24日～25日对坝基测压孔进行了现场测试，从现场测试情况来看，2号坝段ULP3、3号坝段ULP2等2个测压孔在拧开水龙头后有一定流量的水流连续地流出，表明测压孔为有压孔，也间接说明测压孔未有局部淤堵。采用“放水法”对上述测压孔进行灵敏度现场测试，即：先人工观测1次测压孔孔口压力表，记录相应的观测时间和压力表读数；然后开启水龙头进行放水，放水完毕后记录相应的压力表读数(原则上此时压力表读数应归零)；然后拧紧水龙头，2 min后观测1次压力表读数，24 h后再观测1次压力表读数。

图2 2、3号坝段排水孔幕中心线附近测压孔实测渗压系数变化过程线图

安装压力表的有压测压孔灵敏度评价采用以下两个方面的评价标准。

1)水龙头放水完毕后，测压孔压力表读数应处于归零状态(重点测试压力表的灵敏度)。

2)目前对安装压力表的有压测压孔灵敏度测试成果的评价无明确的规范可循。根据其他类似工程的评价经验和行业习惯性做法，采用0.003 MPa(相当于0.30 m水头)作为控制标准，即当放水后24 h的压力表读数与放水前的压力表读数之差不大于0.003 MPa时，认为测压孔灵敏度合格；大于0.003 MPa时，认为测压孔灵敏度不合格。

采用“放水法”进行灵敏度现场测试结果见表2，测试结果表明：ULP3、ULP2测压孔灵敏度合格，工作状态良好，因此至少可以初步认为造成上述测压孔实测扬压水位偏高的原因并不是测压孔本身的技术性能存在问题引起的，实测扬压水位偏高应该是对扬压水位状况的真实反映。

表2 2、3号坝段坝基测压孔灵敏度测试成果表 MPa

3.2 与上游水位的关系

3.2.1 测压孔实测扬压水位与上游水位变化规律分析

从图1中ULP3、ULP2测压孔实测扬压水位过程线来看，同上游水位变化过程进行比较：①两测压孔实测扬压水位数值与上游水位较为接近；②测压孔实测扬压水位过程线与上游水位变化过程具有明显的同步性；当测压孔出现高扬压水位的时期,对应上游水位也基本表现为高水位时期；上游水位出现高水位的时候,测压孔和渗压计也基本同时出现高扬压水位。

对测压孔实测扬压水位与上游水位进行相关性分析,计算简单相关系数，ULP2和ULP3测压孔实测扬压水位与上游水位相关系数分别为0.7577、0.6553，均大于0.6，说明测压孔扬压水位与上游水位之间的相关性强，上游水位对测压孔扬压水位变化有较大影响。

总体来看，ULP2和ULP3两个测压孔实测扬压水位数值与上游水位较为接近，与上游水位变化过程存在明显相关性。

3.2.2 统计模型上游水压分量分析

已有的坝工知识和渗流监测数学模型经验表明，混凝土大坝坝基扬压力主要受上下游水位、温度、降雨及时效等因素的影响[4]。松树岭大坝下游水位资料不全且下游水位变化过程十分平稳，变幅较小，定性分析也表明下游水位对测压孔扬压力影响较小，因此建模过程中不考虑下游水位因子。渗流统计模型的一般表达式为

2016年10月～2017年11月期间电厂对2号和3号坝段防渗帷幕进行补强灌浆，灌浆前后数据不具备衔接为同一测值序列的条件，因此统计建模时段取为2006年1月～2016年10月。对ULP2和ULP3测压孔建立统计模型，在建模过程中，选择了不同因子组合进行了试算[5]，统计模型的质量较好。各统计模型建模结果详见表3，各分量比重情况见表4。

表3 2、3号坝段坝基测压孔扬压水位统计模型拟合情况表 m

统计模型结果表明：ULP2和ULP3测压孔实测扬压水位统计模型的复相关系数均大于0.9，表明实测扬压水位统计建模预置因子较好地描述了扬压水位的变化规律；两测压孔统计模型上游水压分量均较大，均大于40%，且水压分量的数值也较大，说明上游水位变化对2、3号坝段坝基扬压水位的影响较为明显，这些坝段坝基扬压水位与上游水位之间具有明显的相关性。

总体来看，2号坝段ULP3测压孔、3号坝段ULP2测压孔实测扬压水位变化与上游水位变化过程具有同步性，统计模型上游水压分量均大于40%，因此上述坝段坝基扬压水位与上游水位之间相关性较强。

3.3 成因分析

从现场测试成果来看，造成2、3号坝段坝基扬压水位偏高、渗压系数超标的原因并不是测压孔本身的技术性能或者存在局部缺陷问题引起的，实测扬压水位偏高、渗压系数超标是对坝基扬压力状况的真实反映；从与上游水位的比较分析来看，上述坝段扬压水位变化与上游水位变化基本同步，坝基扬压水位与上游水位之间具有明显的相关性；从统计模型上游水压分量来看，上游水压分量均大于40%，表明上游水位变化对2、3号坝段坝基扬压力的影响较为显著。因此，松树岭水电站大坝2、3号坝段坝基扬压水位偏高、渗压系数超标的异常现象很可能是由于坝基防渗帷幕和排水孔幕的防渗排水效果没有达到设计要求。

4 改造处理及效果

鉴于上述分析，2、3号坝段坝基防渗帷幕和排水孔幕的防渗排水效果没有达到设计要求，因此，有必要对防渗帷幕进行补强加固，对排水孔幕进行疏通或增加排水孔。松树岭水电站对2、3号坝段防渗帷幕进行了补强灌浆，帷幕补强灌浆工程于2016年10月份开工，2017年11月份完工。2、3号坝段坝基测压孔2010年1月～2018年12月实测扬压水位和渗压系数过程线见图3和图4，其中补强灌浆期间部分数据因施工原因无法进行观测。

图3 ULP2 与 ULP3测压孔 实测扬压水位变化过程线图

图4 ULP2 与 ULP3测压孔 实测渗压系数变化过程线图

由图3和图4可以看出：坝基防渗帷幕补强灌浆后2个测压孔实测渗压水位和渗压系数均有大幅度下降；3号坝段ULP2测压孔经过帷幕补强灌浆后渗压系数完全达到设计要求，2号坝段ULP3测压孔经过帷幕补强灌浆后，渗压系数虽仍不满足设计要求，但渗压系数已明显下降，与设计允许值(0.4)基本接近。一方面表明2号和3号坝段防渗帷幕补强灌浆效果良好，另一方面也间接地表明2号和3号坝段处原防渗帷幕防渗效果不理想。

5 结 语

松树岭水电站大坝2、3号坝段坝基存在扬压水位偏高、渗压系数超标等异常现象，本文通过对坝基测压孔灵敏度现场测试成果的分析，对扬压水位变化过程和上游水位变化过程的定性分析，并借助数学统计模型对上游水压分量的定量分析，认为2、3号坝段坝基测压孔表现出的扬压力超标情况很可能是由于坝基防渗帷幕和排水孔幕的防渗排水效果没有达到设计要求。从松树岭电厂对上述坝段防渗帷幕进行补强灌浆的处理措施及效果来看，上述分析判断具有一定的合理性。