严寒区水电站混凝土拱坝渗流初蓄—运行期监测成果分析

李秀文 赵向波 王 建

(1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.新疆额尔齐斯河投资开发集团有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

大坝安全问题历来受到各方的高度关注，其中渗流问题是关注的重点。为评估拱坝渗流安全情况，在工程中多通过安装渗压计等监测仪器，结合监测数据分析和现场巡视检查结果，进行综合评判。拱坝蓄水后，坝体、坝基中将广泛存在渗流现象，可能引发渗透破坏甚至对大坝整体安全产生威胁。因此，蓄水—运行期的大坝渗流状态是大坝安全运行的重要关注对象，受到各方和专家学者的重视[1-5]。

混凝土拱坝是典型的超静定结构，巨大的库水推力主要由拱端基岩的反作用力来支承。混凝土拱坝的防渗体系主要由坝基、两岸防渗结构、坝体组成。山口水电站拱坝地处严寒地区，空气湿度低、风速大、风多、气候干燥、蒸发剧烈，并且每年都要经受高至38℃以上、低至-40℃的环境温度变化。大坝浇筑期间，为有效解决环境因素引起的混凝土表面失水问题，通过严格的温控措施[6]，科学的工序安排，保证了层间结合质量和可碾性。

工程在初蓄—运行期的渗流监测成果，可以有效反馈工程施工质量情况。山口水电站拱坝在施工期建立了较为完善的大坝安全监测体系，在施工期、初蓄—运行期积累了较为完整的安全监测资料。通过对渗流安全监测成果的时空分析、特征值分析，可以较为准确地掌握大坝渗流的变化规律和分布特征，可为大坝安全运行提供保障。

1 工程概况

山口水电站大坝为常态混凝土双曲拱坝，坝顶高程649m，最大坝高94m，建基面高程555m，拱冠梁底宽27.0m，厚高比0.287。水平拱圈采用抛物线变厚变曲率拱圈，拱冠梁上、下游面曲线均由拟合三次方程曲线组成。坝体每隔15m设置一道横缝，将大坝分为22个坝段。拱坝泄水建筑物为泄水深孔及溢流表孔。坝内分别在560m、595m、620m高程设置3层廊道。坝体混凝土25.75万m3、泄水深孔1.51万m3、泄水表孔1.51万m3。

2 渗流监测布置

2.1 混凝土浇筑层面渗压分布

大坝9号溢流坝段、左岸岸坡6号坝段、右岸岸坡13号坝段设置监测中心断面，每个中心断面对应设3个观测截面，各观测截面安装渗压计，共计36支；深孔坝段过水孔洞段设2个观测断面，渗压计安装在观测断面孔口四周，共计4支。

2.2 坝基扬压力

为监测坝基帷幕前后纵横向的扬压力分布情况，在纵向、横向上布置安装渗压计、测压管(管内安装渗压计)。纵向：上游帷幕前仅在三个主监测坝段处布设测点，帷幕后每个坝段均设一个测点；横向：在三个主监测坝段建基面以下1.0m处，从上游到下游由密渐疏布设测点。

2.3 绕坝渗流

为监测两坝肩的渗压分布情况，左右坝肩选两个监测断面，分别在649m高程廊道及620m、590m高程两层排水洞内钻孔安装渗压计，共计安装渗压计10支。

2.4 渗漏量

为监测基础、坝体、坝肩渗漏量，依据坝体及坝肩排水和汇集抽排情况，量水堰布置在560m高程廊道及坝基集水井前。

3 渗流监测成果分析

3.1 坝基扬压力

扬压力折减系数的计算公式为[7]：

(1)

式中αi——第i个测压孔的扬压力折减系数；

H1——上游水位，m；

H2——当下游水位高于测孔对应的坝基高程时，H2取下游水位；当下游水位低于测孔对应的坝基高程时，H2用坝基高程代替(山口工程坝后为水垫塘，无水垫塘水位观测，在计算时下游水位预估为576：二道坝坝顶高程575m加1m)；

Hi——第i个测压孔的实测水位，m。

3.1.1 纵向扬压力

由式(1)对扬压力折减系数进行计算。

左岸3～6号坝段扬压水位基本和基岩高程接近。

从扬压力折减系数来看，大部分扬压力折减系数为负值，说明扬压水位低于下游水位或坝基高程，最大扬压力折减系数仅为0.10，均未超过设计允许值(见表1)。

表1 纵向扬压力特征值统计

3.1.2 横向扬压力

6号和9号坝段横向扬压力普遍较小，大部分水头在1m以下，最大水头为7.81m。

13号坝段下游侧Pj3-4测点扬压水头最高，为18.94m(扬压水位584.94m)，水位变化受库水位影响较小，与水垫塘水位相关性较为明显(见表2)。

表2 横向扬压力特征值统计

3.2 坝体渗压

3.2.1 6号坝段

6号坝段625m高程共布置4支渗压计，设计编号和距上游面距离分别为P1-9(1m)、P1-10(1.2m)、P1-11(2m)、P1-12(5m)。蓄水初期，四支渗压计处于无压状态。自2015年9月14日起，库水位上升至625m后，渗压计P1-9监测水位与库水位出现同步变化，且水位高程与库水位基本相同。其余3支渗压计监测数据未出现明显变化。说明该坝段迎水面至P1-9附近存在一定的渗漏通道，渗漏通道在库水位达到625m之前就已经存在(见图1)。

图1 6号坝段625m高程渗压计过程线

3.2.2 9号坝段

9号坝段581m高程共布置4支渗压计，设计编号和距上游面距离分别为P2-5(1m)、P2-6(1.2m)、P2-7(2m)、P2-8(5m)。自2015年8月15日起，渗压计P2-5、P2-6由无压状态转为有压，监测水位随库水位上升而逐渐增大。2016年9月5日，库水位达到630.84m时，P2-5、P2-6监测折算水位分别为595.62m、596.24m，达到监测最大值。此后两个测点水位逐步下降，当前基本无水。在该过程中渗压计P2-7、P2-8均处于无压状态。

综合4支渗压计监测成果分析，9号坝段581m高程附近可能存在竖向或斜竖向裂缝。当库水位刚达到该高程附近时，水由裂缝处渗漏；随着水位的持续升高，在拱压力作用下，裂缝逐渐闭合，进而上游两个测点的渗透水位有所降低。监测成果表明，渗漏通道仅至P2-6(1.2m)附近，未进一步扩展。

9号坝段601m高程共布置4支渗压计，设计编号和距上游面距离分别为P2-9(1m)、P2-10(1.2m)、P2-11(2m)、P2-12(5m)。蓄水初期至库水位达到641.6m之前(2015年10月12日)，渗压计多处于无压状态。之后上游测点P2-9监测水位逐渐与库水位同步变化。2016年、2017年测点P2-11、P2-12监测水位也相继上涨至库水位附近，与库水位正相关变化；测点P2-10变化相对较小。

通过各支渗压计的变化规律分析，蓄水初期各测点均未有明显变化，当库水位差达40m左右后，测点P2-9、P2-11、P2-12相继增大，并最终与库水位同步变化，说明渗漏通道是一个渐进发展的过程。当前水位仅测点P2-11、P2-12处较高，表明渗漏路径是在不断发生变化的，渗漏通道并不通畅。

9号坝段625m高程共布置4支渗压计，设计编号和距上游面距离分别为P2-13(1m)、P2-14(1.2m)、P2-15(2m)、P2-16(5m)。测点P2-13、P2-14在2015年9月19日，库水位达到630.18m后出现监测水位与库水位同步变化的情况，测点P2-15自2017年2月起与库水位同步变化，当前3支渗压计监测折算水位与库水位几乎持平，测点P2-16水位一直处于无压状态。说明渗漏通道在蓄水过程中逐步扩展，延伸至测点P2-15附近后，未再继续延伸(见图2)。

图2 9号坝段625m高程渗压计过程线

3.2.3 13号坝段

13号坝段581m高程共布置4支渗压计，设计编号和距上游面距离分别为P3-1(1m)、P3-2(1.2m)、P3-3(2m)、P3-4(5m)。蓄水初期，4支渗压计均处于无压状态，测点P3-1、P3-2监测水位在2015年11月7日开始突然增大，对应库水位644.67m(水头差63.67m)，两测点监测最高水位分别为637.89m、635.11m(2016年11月1日)。

通过监测成果分析，13号坝段上游侧渗漏通道存在两种情况：一是渗漏通道一直存在，但尚未扩展至渗压计安装位置，或者由于坝体重力作用，渗漏通道紧闭，当水头差较大时，在水压力作用下渗漏通道扩展开来；二是前期并无渗漏通道，在高水头作用下，坝体出现裂缝逐渐形成渗漏通道。

从过程线分析，P3-1、P3-2测点的监测水位随库水位变化有一定的滞后，说明坝体存在一定的阻渗，渗漏通道并不通畅。测点P3-3位置监测有压，而P3-4无压，说明渗漏通道未扩展至P3-4位置(见图3)。

图3 13号坝段581m高程渗压计过程线

3.2.4 综合分析

对于出现渗漏通道的测点，结合附近安装的温度计、应变计组等进行综合分析[8]，初步判断渗漏通道成因如下：该坝处于严寒地区，年最大温差达80℃，虽然采取了严格的温控措施，但渗水部位应变计组监测成果表明，渗水部位附近有历史最大拉应力超过设计指标(施工期主拉应力小于0.5MPa)的情况，虽未超过混凝土抗拉强度，但不排除上游面出现裂缝的可能性；冬季严寒致使上游侧表面温度较低，产生的拉应力引起上游面混凝土出现裂缝。

虽然个别部位渗压计监测成果出现异常，但综合来看，渗漏通道扩展深度都较小，对坝体整体安全性影响不大。

3.3 绕坝渗流

绕坝渗流监测可监控上游库水绕过坝肩渗流到下游的情况。由监测成果可知，蓄水后，绕渗水位总体变幅较小，与上游库水位并无明显的相关关系。大部分绕渗水位不高，最高水位为615.39m，发生在605m高程右岸灌浆平洞UPR-17测点(见表3)。

表3 绕坝渗流测点特征值统计

3.4 渗漏量

坝体内渗漏水均汇集到了坝基位置，坝基两个量水堰WE1和WE2测得的最大渗漏量分别为1.96L/s(右岸坝段WE1)和0.90L/s(左岸坝段WE2)，最大总渗漏量为2.29L/s(折合每米渗漏量0.62m3/d)。根据经验，混凝土坝每米渗漏量一般要求在0.5m3/d，对应本工程总渗流量为1.85L/s。从过程线可以看出，大坝总渗漏量大部分时段远低于该值，极个别时间段超出此值，且超出时间段较短。总体来看，大坝渗漏量不大(见图4)。

图4 坝基渗漏量与上游水位对比过程线

4 结 语

本文简要介绍了山口水电站混凝土拱坝渗流安全监测布置情况，基于渗流渗压监测资料，分别对大坝从初蓄期到运行期的坝基扬压力、坝体渗压、绕坝渗流、渗漏量情况进行分析，主要结论如下：拱坝坝基纵向扬压力折减系数均满足设计要求，横向扬压力普遍较小；部分测点出现渗流异常现象，与该坝处于严寒地区，温差大、温控难度大有关，总体不影响大坝安全运行；蓄水后，绕坝渗流水位总体变幅较小，与上游库水位无明显的相关关系；大坝总渗漏量大部分时段远低于混凝土坝单宽流量经验值。

综上可知，山口水电站混凝土拱坝渗流监测达到了设计目的，初蓄—运行期渗流特性变化符合一般规律。大坝防渗及排水体系基本运行良好，截至2019年4月25日，大坝处于渗流安全状态。