某水电站坝基扬压力局部异常原因分析

陈 锴，刘代彬，兰有磷，张昌隆

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州，311122；2.福建华电高砂水电有限公司，福建 三明，365050）

0 引言

坝基扬压力是监控混凝土重力坝安全状态的控制性指标之一，其大小及分布情况主要与基岩地质特性、裂隙程度、帷幕灌浆质量等因素相关，向上的坝基扬压力减少坝体的有效重量，降低重力坝的抗滑稳定性，其大小直接影响大坝安全性[1]。坝基扬压力一般采用在坝基埋设渗压计或布置测压管的方式进行监测，通过分析实测坝基扬压水平及其变化规律来判断是否正常，再计算坝基渗压系数来判断其是否在设计控制指标内[2]，从而及时掌握坝基防渗帷幕的防渗效果等情况。

异常的扬压水位及渗压系数是坝基扬压力监测资料分析的重点。笔者在现场测试坝基扬压力的基础上，结合坝基地质条件与工程结构特征，采用定性和统计模型定量等相结合的方法，对个别坝段坝基防渗帷幕后测压管的异常扬压水位进行综合分析。

1 问题的提出

某水电站为闽江主要支流沙溪河段水电水运梯级开发的第六级，为三等中型工程，闸坝、泄洪闸等主要建筑物为3 级建筑物，相应的设计、校核洪水标准重现期分别为50年和500年，地震基本烈度为Ⅵ度。坝址以上集水面积11 329 km2，总库容0.4亿m3，为日调节水库，总装机容量为5万kW。枢纽采用河床式布置，由拦河坝、电站厂房和船闸等主要建筑物组成。拦河坝为混凝土实体重力坝，坝顶全长316 m，最大坝高30.47 m，自左至右依次为左岸挡水坝段、船闸坝段、泄洪闸坝段、发电厂房坝段、右岸挡水坝段，其中泄洪闸坝段共设9 孔溢流孔，堰顶高程89.00 m，孔宽16 m。

根据工程的地质条件、工程结构特征等，工程设置较为完备的坝顶水平和垂直位移、坝基扬压力、闸墩钢筋应力等监测项目。为监测工程坝基扬压力情况，在右岸2 号坝段、厂房1 号和2 号坝段、泄洪闸5～10号、左岸12号和13号坝段坝基帷幕后共布置14 个测压管，其中在2 号厂房、7 号闸坝及13号岸坡坝段的顺河向均布置有2个测压管，其他坝段各布置1个。

对坝基扬压力历年实测资料进行分析发现，右岸装配场、厂房坝段和左岸13 号坝段的扬压水位较高，与上游库水位存在较明显相关性，高水位下渗压系数超设计控制指标（0.5）较多，对坝体抗滑稳定不利。

2 现场测试

在分析扬压力测值前，需先判断各测压管的工作状态，以掌握实测数据的可信度。现场采用注水方式对测压管进行灵敏度测试，注水试验在测压管内水位稳定的情况下进行。测试前，先测定管中水位，然后向管内注入清水，注水量在2～5 m；注水后按设定时间测定管中水位。第1次读数在注水后2 h左右，第2次读数在注水后24 h左右，第3次读数在注水后48 h，第4次读数在注水后5 d。若5 d后水位未恢复或未接近原注水前水位（差值不大于20 mm），应在7 d 左右再测一次，结束测试。部分测压管的测试结果见表1。

表1 部分测压管灵敏度测试结果Table 1 Results of the tests on the sensitivity of some piezometer tubes

经现场测试确认，本次所关注的右岸装配场、厂房坝段和左岸13 号坝段上测压管UP2、UPC1、UPC2-1、UPC2-2、UP13-1、UP13-2的灵敏度合格，表明以上测压管的工作状态较好，其扬压水位测值可信。

3 坝基渗压计算及分析

3.1 扬压力变化

选取2010年1月～2018年12月间的环境量、坝基扬压力测值进行分析，并绘制上下游水位、坝址降水量和气温、各典型测孔扬压水位测值过程线，见图1～3，由图可知：

图1 上、下游水位测值过程线Fig.1 Monitored upstream and downstream water level

图2 坝址降水量、气温测值过程线Fig.2 Monitored precipitation and temperature at the dam site

图3 典型坝基扬压水位测值过程线Fig.3 Typical monitored uplift pressure in the foundation

（1）上游水位变化是影响坝基扬压水位的主要因素，且有一定的滞后效应。坝基上游侧测孔水位总体较下游侧稍高。下游水位变化对河床坝段坝基扬压水位也有一定影响。

（2）气温变化对个别扬压测孔水位有一定影响。在相近的库水位条件下，气温升高，个别测孔水位降低，气温降低则反之。初步分析认为主要是由于外界温度变化会影响基岩裂隙开合度大小，气温升高，岩体及混凝土膨胀，裂隙压紧，渗透减小，坝基防渗性能提高，坝基扬压测孔水位相应降低，反之则导致测孔水位升高。降水量对个别扬压测孔水位有一定影响，且有滞后效应，降水量大、库水位较高时测孔扬压水位较高，反之则较低。

（3）坝基扬压水位沿坝轴线方向总体呈现两岸坝段较高、中间河床坝段较低的分布规律，且这一分布规律基本不随时间推移而改变，不同时段内水位变化也不大，表明各坝段坝基扬压水位分布和扬压水位总体较稳定。

3.2 坝基渗压系数

大坝防渗采用常规帷幕灌浆处理，在大坝上游侧基础设置单排帷幕灌浆孔，孔深7～15 m。单排帷幕中心线为坝下0+002.00 m，桩号坝左0+179.50～坝左0+226.00 m帷幕中心线设置在坝下0+001.00 m。大坝防渗帷幕与两岸岸坡相接，该帷幕的作用是减少来自上游水库的渗透压力，大坝下游侧无帷幕。根据设计要求，大坝坝基帷幕处渗压系数取0.5。

坝基扬压力是坝体和基岩结合面的浮托力和渗透压力之和，影响坝基扬压力大小的主要因素有上游和下游水位、帷幕防渗效果及坝前淤积情况等。坝基渗压或扬压系数计算公式[3]如下：

式中：HP为测点实测扬压水位，单位m；HS为上游水位，单位m；HX为下游水位，单位m；HC为测点处基岩高程，单位m。

选取上游水位较高且下游水位较低工况，典型渗压系数计算过程线见图4。由图4 可知：泄洪闸各坝段的坝基最大渗压系数相对较小，均在设计控制指标内，说明泄洪闸坝段基础的帷幕防渗效果较好，防渗系统运行正常。右岸装配场坝段、厂房1号和2 号坝段以及左岸13 号坝段的坝基最大渗压（或扬压）系数为0.67～0.91，超出设计值（0.5）较多，其原因可能有以下几点：

图4 2018年上游高水位时段各测压孔渗压系数分布Fig.4 Seepage pressure coefficients in 2018 with high up⁃stream water level

（1）厂房坝段建基面为新鲜坚硬完整性好的厚层状砂砾岩，该工程为中型规模电站，帷幕防渗的标准为q≤3 Lu。根据工程坝（厂）基帷幕灌浆情况，厂房机组段及装配场坝段的单耗灰量很小，压水试验中，厂房机组段q≤3 Lu 的段数占90.3%，装配场占79.3%，其余坝段占47.6%～80%不等。

（2）厂房坝段建基面低，横河向呈折坡状，基础面渗径较长，下游基础面受压应力的作用，所以厂房下游的渗透性比上游更小。厂房机组段及装配场坝段本身渗透系数较小，帷幕对防渗折减性能的提高不多，上游水头在帷幕处折减很小，导致渗压系数偏高。

（3）对于左岸挡水坝段，扬压力异常主要是受岸坡地下水位影响造成的。

（4）在工程设计阶段，根据抗剪断强度公式，对坝体、厂房进行稳定分析，要求满足基本组合工况下坝基面抗滑稳定安全系数K′≥3.0，特殊组合工况下坝基面抗滑稳定安全系数K′≥2.5。计算结果表明，在不同工况下，溢流坝坝段的坝基面抗滑稳定安全系数K′在8.9 以上，厂房坝段的坝基面抗滑稳定安全系数K′在11.17 以上，装配场的坝基面抗滑稳定安全系数K′在7.12 以上，表明溢流坝坝段、厂房坝段和装配场坝段的抗滑稳定安全系数均满足规范要求，稳定安全系数有较大的裕度。再结合工程最大坝高小于35 m、总体不高，考虑到大坝已安全运行多年，各坝段扬压水位未见趋势性变化，未发现大坝抗滑失稳的可能性。

3.3 统计模型分析

由以上分析并结合相关坝工理论及渗流数学模型经验可知，坝基扬压力主要受大坝上下游水位、混凝土温度状况、时效及坝基防渗效果等的影响，另外降水还可能对岸坡坝段的渗流状况有影响，因此采用统计回归模型来分析坝基扬压力与水压、降水、温度和时效之间的关系。经计算，各分量的分解及统计结果见表2，典型测点的实测值、拟合值及三个分量过程见图5，不同测点位移分量特点和规律如下。

图5 坝基扬压力（典型测点）实测值、拟合值及各分量过程线Fig.5 Monitored and fitted uplift pressure at typical points in the foundation and the process lines of components

表2 坝基扬压力回归方程分量解析结果统计Table 2 Analysis results of the components in regression equation on uplift pressure in the foundation

3.3.1 水压分量

（1）9 个回归方程中，7 个有上游水位因子入选，8个有下游水位因子入选（除UP2），水压分量变幅为1.71～5.84 m，占总变幅量比例为23.55%～85%，平均为62%，说明上、下游水位是影响各坝段坝基扬压力最主要的因素。

（2）测孔UP2 所在2 号坝段岸坡段的建基面较高，该部位基本不受下游水位影响；其余坝段均受下游水位影响，同时泄洪闸部分坝段的坝基扬压力受上游水位影响较小，这主要是下游水位变幅较上游水位要大，且大坝下游侧无防渗帷幕。

（3）由于各水压因子间的互补作用，水压因子的系数有正有负，但整体呈现“水位升高，扬压力增大；水位降低，扬压力减小”的规律。

3.3.2 降水分量

9个回归方程中，5个有降水因子入选（主要是左右岸岸坡坝段），且入选因子多为近期和前期组合，降水分量变幅为0.39～3.77 m，占总变幅量比例为7.99%～46.12%，平均为18.9%，说明降水对部分坝段（主要是左右岸岸坡坝段）的坝基扬压力有一定影响，尤其是2 号坝段，且降水对岸坡坝段的影响有滞后效应，但总体不大。

3.3.3 温度分量

（1）所有测点的回归方程均有温度因子入选，并且多为近期和前期温度因子，说明温度变化对坝基扬压力具有普遍性影响，且温度变化有滞后效应。

（2）温度分量变幅为0.14～2.25 m，占总变幅量比例为5.3%～47.62%，平均为17.9%，温度对不同坝段的影响有差异，8号坝段最明显，但总体不大。

3.3.4 时效分量

9个回归方程中，6个有时效因子入选，时效分量变幅为0.25～1.44 m，占总变幅量比例为3.46%～23.12%，平均为13.1%，说明时效对部分坝段（主要是左右岸岸坡坝段）的坝基扬压力有一定影响，但总体不大。

综上所述，坝基扬压力主要受上下游水位的影响，其余因素影响不大。

4 结语

（1）该工程扬压力测孔的工作状态总体较好，测值可信度较高。各测孔扬压力主要受上下游水位影响，气温、降水量有一定影响但总体较小，坝基扬压力总体呈现两岸坝段较高、中间河床坝段较低的分布规律。

（2）厂房和岸坡坝段坝基扬压力、渗压系数在运行过程中存在偏大现象，但扬压力总体较稳定、无明显趋势性变化。经回归分析等确认其变化主要受上下游水位的影响，其异常偏大主要由基础地质条件、防渗帷幕施工、坝基轮廓线及岸坡地下水位等因素所致。其他坝段扬压力及其渗压系数无异常。

（3）考虑到大坝已安全运行多年（超20年），坝高不高，坝基扬压力总体较平稳，不存在随时间推移扬压力出现进一步升高的情况，且大坝的稳定安全系数有较大的裕度，可判断局部坝段坝基扬压力偏高对大坝的长期安全稳定运行不会产生实质性影响。目前虽未见大坝发生抗滑失稳的可能性，但后期仍需继续加强监测与分析、现场巡视检查，并在必要时采取相应的工程措施。