某水库大坝扬压力异常原因分析

孙昌利， 张 挺， 朱信华

(1.广东省水利水电科学研究院， 广东 广州 510635;2.广东省岩土工程技术研究中心，广东 广州 510635;3.广东省乐昌峡水利枢纽管理处， 广东 韶关 512200)

坝底扬压力作为坝基的一种重要荷载，其在大坝安全监测中占有十分重要的地位，重力坝坝基扬压力对大坝稳定、变形、应力有重要影响。重力坝在水压力及其他荷载作用下，主要依靠坝体自重产生的抗滑力来满足稳定要求；同时依靠坝体自重产生的压应力来抵消由于水压力所引起的拉应力，以满足强度要求[1-2]。还有些水闸基础位于透水层上，当防渗系统失效，扬压力过大引起底板移位、折断或上浮等，为工程带来险情[3]。

大坝扬压力过高的原因比较多，有些与防渗帷幕效果被削弱，局部形成渗流通道、排水孔淤堵等有关系，也有些因测压管淤堵带来的测压管“伪异常”现象[4]；也有些因测压管靠近岸坡，由于地下水位过高引起的[5]，或测压管安装不当导致异常[6]，因此，大坝在运行过程中出现扬压力异常的原因也较多，需区别对待。

1 工程概况

某水库位于广东省乐昌市，枢纽于2013年建成完工，枢纽以防洪为主，结合发电，兼顾航运和灌溉，工程等别为Ⅱ等，水库正常蓄水位为154.5 m，死水位为141.5 m，防洪限制水位为144.5 m，设计洪水位为162.2 m，校核洪水位为163.0 m，总库容为3.44亿m3，防洪库容为2.11亿m3，调节库容为1.04亿m3，为季调节水库。

水库大坝为碾压混凝土重力坝，高为83.2 m，长为256 m，顶宽为7 m，坝顶高程为163.2 m。

枢纽坝体设计安装了测压管，用于监测坝底扬压力情况，运行过程中，发现测压管UP7从2012年3月埋设取得监测数据后，测压管水头缓慢升高，至2014年11月16日测得最大水头值为131 m，其后采取了洗孔措施，水头降低至110 m附近，此后测压管位势最大约为0.30，大于规范要求的0.25，坝底扬压力长期处于较高水平，需对测压管扬压力过高的原因展开分析，为制定科学处置措施提供依据。

坝基大部分位于强风化石英砂岩，沿坝基纵断面设有帷幕灌浆廊道和排水孔。

2 测压管埋设情况

测压管采用Φ50 mm的PVC管，孔径为110 mm，孔底深入建基面以下1.0 m，测压管断面结构示意如图1所示。

坝基灌浆廊道沿线设置1个监测纵剖面，共布置16根测压管；设置1个监测横断面，共布置4根测压管，共计19根测压管，编号为UP1～UP19，埋设位置见图2，每根测压管放置1支渗压计，观测方式采用渗压计自动化监测和压力表人工校核两种方式，坝基灌浆廊道沿线布设排水孔间距为2 m。

其中发生扬压力异常的UP7接近大坝底部，孔口高程为91.37 m，埋设深度为9.2 m，底板底高程为83.0 m。

3 测压管数据分析

3.1 测压管过程线分析

通过绘制测压管水位过程线，利用测压管水位过程线鉴别测压管的灵敏性、可靠性，以及确定其滞后时间和某些测次数据的取舍等，比查阅观测记录表更直观、清晰。在正常情况下，过程线的形状，靠上游的测压管大体上与外江水位(或者库水位)相似；靠下游的测压管则大体上与下游江水位过程线相似。如果过程线出现的异常，可根据具体情况分析原因，判断测压管是否失效，资料是否可用。

根据收集到的测压管数据，时间跨度从2014年5月至2016年11月，大部分测压管与上游水位没有明显的一致性，表明坝体基础渗透性较弱，测压管水位与上游水位关联性不强。

测压管UP7过程线如图3所示，在2014年12月之前，测压管水位与上游水位关联性较好，变化趋势与上游水位基本一致，且滞后时间并不明显，2014年测压管水位异常升高，最高达131 m，2014年9月排水孔疏通后，测压管水位有明显的降低，在2017年4月在UP7附近新增排水孔之后，测压管水位进一步降低至105 m附近，但由于排水孔出水量较大且有沉淀物析出，可能导致渗透通道扩大，排水管关闭后，水头又重新回到111 m左右。

3.2 测压管圈套图分析

通过绘制测压管水位和与库水位的相关线时，若已消除了迟后时间，则测点应密集于1条直线或光滑曲线上，若相关线发生了转折，管水位不随库水位而变时，则表明管进水段位置过高或某高程以下的进水段被淤堵，测点应弃之不用。倘若未校正迟后时间，直接取同一时刻的库水位和管水位进行点绘时，因未消除迟后时间，管水位随库水位变化的迹线呈圈套状，称为“圈套图”[7]。

图3 测压管UP7水位过程线示意

测压管UP7部分数据的圈套线如图4所示，测压管水位与上游水位基本呈线性关系，说明UP17与上游水位的关联性较好，表明坝基存在一定的透水性。

3.3 测压管位势分析

测压管位势是指测压管水头在渗流场中占总渗流水头的百分比，其计算公式为：

(1)

其中h为测压管水位，H1、H2分别为上、下游水位，当测压管埋设位置较高，H2已不能代表下游水位，这时取H2为底板底高程。

测压管UP7位势如图5所示，到2014年1月，测压管位势急剧升高，最高达0.635，高于规范要求，经过洗孔以后，测压管位势明显降低，略高于0.25，此后测压管位势在0.2～0.3之间变化，经过2017年4月在UP7附近新开排水孔以后，测压管位势降低至0.125，当关闭排水管时，则测压管位势恢复至开孔前数值。说明UP7附近排水孔淤堵是导致UP7水位上升的一个重要原因。

4 大坝廊道钻孔测试

为缓解UP7附近扬压力过高问题，枢纽管理处于2017年5月在UP6至UP8之间新安装3个排水孔，安装位置如图6所示，现场照片如图7所示，从上至下对排水孔编号为1#～3#，3个排水孔全部位于测压管上游侧1 m左右。其中1#孔位于UP6至UP7之间，2#孔位于与UP7等高程，在其上游侧1 m左右，3#孔位于UP7至UP8之间。在3个排水孔管口位置安装水表及开关进行测试。

为验证新开排水孔对大坝扬压力的影响，按以下几组工况分别测试各测压管的水头：①全关排水孔(初始状态)；②全开排水孔；③1#排水孔开，2#、3#关闭；④2#排水孔开，1#、3#关闭；⑤3#排水孔开，1#、2#关闭。

各组测试结果见表1，其中工况①排水孔全关时水头值作为参照点，其余测试结果与之进行对比。从测试结果看，3个排水孔全开状态下，UP7的水头值降低约7.35 m，只开2#排水孔时，UP7的水头降低约6.96 m；而1#及3#排水孔的开关对UP7及其它测压管基本没有影响。从出水量结果看，在全开时，2#排水孔的出水量明显高于其他2个排水孔。

测试表明，UP7附近的排水孔堵塞加上UP7附近可能存在透水通道，是导致UP7局部位置扬压力升高的主要原因。排水孔对其他测压管影响较小，且2#排水孔出水量明显较其他2个排水孔要大，说明渗透通道集中仅在UP7附近，其余位置坝基的渗漏可能性较小。

5 渗流场数值模拟及分析

设计方案中坝基防渗措施主要是上游侧的灌浆帷幕及下游侧排水孔，防渗措施的有效性对渗流场会产生一定的影响。结合现场情况，考虑灌浆帷幕是否失效及排水孔可能淤堵的几种情况，对坝基渗流场进行数值模拟，计算工况分为：

工况1：灌浆帷幕有效，排水孔畅通(正常使用状态)；工况2：灌浆帷幕有效，排水孔淤堵；工况3：灌浆帷幕失效，排水孔淤堵；工况4：灌浆帷幕失效，排水孔畅通。

计算边界条件采用2013年12月20日实测水位数据，即上游154.38 m，下游100.72 m。

计算模型如图8所示，坝基为强风化岩，强风化岩的渗透系数比弱风化岩高2个量级。灌浆帷幕宽度为0.8 m，灌浆帷幕的渗透系数与弱风化岩相等，取值为1.0×10-7cm/s。

通过有限元模拟，在灌浆帷幕有效的情况下，坝基的总水头等势线如图9及图10所示，等势线在灌浆帷幕附近较为集中，说明水头在灌浆帷幕附近有较大的降落，灌浆帷幕发挥了较好的截渗作用。

在灌浆帷幕失效的情况下，图11坝基总水头等势线总体较为均匀，总水头呈均匀衰减，图12是排水孔发挥作用的情况下，在廊道附近等势线较为密集，说明排水孔对降低水头发生了一定的作用。

将灌浆帷幕有效情况下坝基的总水头列于图13，将灌浆帷幕失效情况下坝基的总水头列于图14，对比2图可以发现，灌浆帷幕失效后，其坝基水头上升较大，说明灌浆帷幕的有效性是影响坝底水头分布发生的重要影响因素。

通过上述分析，说明在灌浆帷幕有效情况下，坝底水头整体较小，再结合廊道排水，则对降低坝底扬压力能起到较好的作用。

6 结语

测压管UP7在2014年12月之前，与上游水位关联性较好，变化趋势与上游水位基本一致，且滞后时间并不明显，同时圈套图呈现出线性关系，说明UP7测压管与上游水力联系较强，UP7附近的坝基灌浆帷幕可能失效，形成渗透通道。同时廊道钻孔测试表明，排水孔对其他测压管影响较小，说明渗透通道集中仅在UP7附近，建议采取灌浆措施进行封堵排除隐患。