韩江高陂水利枢纽工程下闸蓄水期扬压力监测成果分析

黄伟杰，刘浩阳

(广东省水利电力勘测设计院有限公司，广州，512200)

0 引言

随着社会经济的迅速发展，清洁的水电能源需求不断增加，我国水电资源的开发利用也越来越多[1-2]。但随着大坝服役时间的越来越长，大坝坝基和坝体的运行条件会发生不同程度的变化，均会影响大坝的安全状况[3]。目前对大坝运行安全监测项目中，扬压力监测能够直观反映大坝当前的健康状况。其中坝基扬压力包括下游水深产生的浮托力以及上、下游水位差产生的向上静水压力两部分，对大坝的安全运行影响较大，其直接作用在坝基面，约占坝体自重的20%～30%，会大大削弱大坝的有效重力，对大坝的稳定、应力和变形都有明显影响。因此，通过对扬压力进行监测，可准确判断混凝土坝灌浆帷幕和排水系统的效果，检验土石坝坝基有无管涌、流土及接触面的渗漏破坏。

国内有部分学者采用不同回归分析相互对照验证的方式构建了扬压力预测数学模型[4]，但有更多学者对大坝实测数据开展讨论分析，如耿楼枢纽节制闸、桃源水电站工程、小乌江堆石混凝土重力坝、里底水电站、南水北调台儿庄泵站、黄龙带水库[5-10]等等一系列工程。本文对韩江高陂水利枢纽工程各个关键部位的扬压力分布进行横向和纵向分析，确定防渗性能，以探求当前运行状态下该工程的健康状态。

1 工程概况与监测断面布置

1.1 工程概况

韩江高陂水利枢纽工程是以防洪、供水为主，兼顾发电和航运等综合利用的大型水利工程，正常蓄水位为38.0m，校核洪水位为47.44m，其防洪库容为2.673亿m3，总库容为3.656亿m3，电站装机容量为100.0MW。

工程等别为Ⅱ等，工程规模为大(2)型，其泄水闸、电站厂房、船闸上闸首、鱼道及连接重力坝为主要建筑物，级别为2级；电站厂房非挡水部分、船闸闸室、下闸首为次要建筑物，级别为3级；厂房导水墙、船闸导航墙等其他次要建筑物级别为4级；临时性建筑物为4级。

1.2 监测断面布置

高陂水利枢纽工程两岸连接建筑物采用碾压混凝土重力坝，左岸重力坝长103.0m，最大坝高36.5m，右岸重力坝长133.5m，最大坝高51.0m。在碾压混凝土重力坝左右两岸各布置1个坝基扬压力监测断面，每个断面布置4支渗压计，沿坝轴线布置1个扬压力监测纵断面，每隔一个坝段布置1支渗压计；在厂房底部布置6支渗压计，用于监测扬压力变化情况。渗压计布置在坝横0+576.100(右岸)、0+095.0(左岸)、坝横0+500.58、0+542.58(厂房)处。

1.2.1 右岸碾压混凝土重力坝

在右岸碾压混凝土重力坝坝横0+576.100处布置渗压计Pyb-1、Pyb-2、Pyb-3、Pyb-4。

1.2.2 左岸碾压混凝土重力坝

在左岸碾压混凝土重力坝坝横0+095.0处布置渗压计PB-1、PB-2、PB-3、PB-4。

1.2.3 厂房

厂房共布置14个监测点，分别为Pcf-1、Pcf1-1、Pcf1-2、Pcf1-3、Pcf1-4、Pcf1-5、Pcf1-6、Pcf-2、Pcf2-1、Pcf2-2、Pcf2-3、Pcf2-4、Pcf2-5、Pcf2-6，其分布在坝横0+500.58和坝横0+542.58上。其中Pcf2-1测点于2021年7月6日和7月7日数据明显异常、Pcf2-4测点于2021年3月21日到3月30日数据明显异常，选择剔除。

2 扬压力监测成果分析

2.1 右岸重力坝

2.1.1 横向分布规律

由图1、图2可知，右岸坝基在坝横0+576.100处各监测点扬压水头随着上游水位的上升而增大，总体和上游水位呈正相关，且变化滞后期不超1d，监测点水头变化基本与当天上游水位变化一致。各测点渗压水头在2021年8月31日达到最大值，其中Pyb-2、Pyb-3为坝底下部前后布点，二者所测渗压水头分别为36.37m和35.55m，相差为0.82m，当日上下游水位分别为37.27m和24.11m。选取上游水位最大水位日2021年8月31日、蓄水前水位波峰日2020年3月8日各测点扬压水头绘制扬压分布图，见图3。在下闸蓄水后，各测点水头大幅度升高，且部分超出理论扬压水头，表明防渗效果变差，但总扬压力值未超过洪水设计值的扬压力。

图1 全时间段右岸重力坝横向坝基渗压水位过程线

图2 蓄水后右岸重力坝横向坝基渗压水位过程线

图3 右岸重力坝坝横扬压水位分布

由于本部位没有排水孔和止水帷幕，故选用监测点扬压水头和上游水头的比值作为防渗效果定量分析手段。坝下监测点Pyb-2、Pyb-3蓄水后每月平均比值系数采用公式α=hi/H1计算，其中hi为监测点水位高程，H1为上游水位，洪水系数按上下游水位为百年一遇洪水设计值计算，上游47.44m，下游40.46m。理论系数为2021年以来每日上下游水位所算理论系数的平均值(见表1)。其中Pyb-2测点各月平均系数均小于理论系数且较为稳定，说明上游处防水效果较好且防渗效果较为稳定；Pyb-3测点各月平均系数均大于理论系数，且系数有逐渐变小趋势，说明防渗效果随着时间逐渐变好，但仍比设计差。

表1 蓄水后2021年各月平均比值系数

2.1.2 纵向分布规律

由监测结果可知(见图4、图5)，蓄水后各监测点扬压水头随着上游水位的上升而增大，总体和上游水位呈正相关，且变化滞后期不超1d，监测点水头变化基本与上游水位变化一致。其中Pyb2测点处仪器最为灵敏，水头变化趋势与上游水头高度吻合；Pyb3测点处位于坝基靠近下游一侧，由图4、图5可知该点扬压水头基本与上游水头相当，推测原因是附近可能存在渗水通道等异常影响，需要进一步加强监测。

图4 全时间段右岸重力坝纵向坝基渗压水位过程线

图5 蓄水后右岸重力坝纵向坝基渗压水位过程线

2.2 左岸重力坝

2.2.1 横向分布规律

整体来看，左岸坝基在坝横0+095.0处各监测点水头变化基本与当天上游水位变化一致，扬压水头随着上游水位的上升而增大(见图6、图7)，总体和上游水位呈正相关，且变化滞后期不超1d。各测点扬压水头在2021年8月31日达到最大值。其中PB-2、PB-3为坝底下部前后布点，所测渗压水头分别为36.17m和35.80m，相差为0.37m，当日上下游水位分别为37.27m和24.11m。选取上游水位最大水位日2021年8月31日、蓄水前水位波峰日2020年3月8日各测点扬压水头绘制扬压分布图(见图8)。可以看出在下闸蓄水后，各测点扬压水头升高，PB-3测点水头超出理论扬压水头，防渗效果变差，总扬压力值未超过洪水设计值的扬压力。

图6 全时间段左岸重力坝横向坝基渗压水位过程线

图7 蓄水后左岸重力坝横向坝基渗压水位过程线

图8 右岸重力坝坝横扬压水位分布

由于本部位没有排水孔和止水帷幕，故选用监测点扬压水头和上游水头的比值作为防渗效果定量分析手段。坝下监测点PB-2、PB-3蓄水后每月平均比值系数采用公式α=hi/H1计算，其中hi为监测点水位绝对高程，H1为上游水位。其中理论系数按上下游水位为百年一遇洪水设计值计算，上游47.44m，下游40.46m。理论系数为2021年以来每日上下游水位所算理论系数的平均值(见表2)。其中PB-2测点各月平均系数均小于理论系数，说明上游处防渗效果较好；PB-3测点各月平均系数均大于理论系数，说明该点防渗效果差于设计。

表2 蓄水后2021年各月平均比值系数

2.2.2 纵向分布规律

蓄水后各监测点水头变化基本与上游水位变化一致(见图9、图10)，总体和上游水位呈正相关，且变化滞后期不超1d。在5月16日后监测点扬压水头随着上游水位的上升而增大，其中PB2增大速度逐渐减小，表明渗流逐渐稳定，受上游水头影响逐渐变小。

图10 蓄水后左岸重力坝纵向坝基渗压水位过程线

2.3 厂房

蓄水前各测点测得水位较为平稳，变化幅度不大；蓄水后各测点水头与上游水位的相关性提高，且波峰波谷处反映较为灵敏，滞后期不超过1d。在上游水位较为稳定情况下，部分仪器存在水头突然下跌或上涨情况，波动后渗压水头数值变得继续稳定。Pcf1-5、Pcf1-6在2021年6月1日存在水头突然较大幅度上涨，Pcf1-5测点水头后续跌落，Pcf1-6测点水头后续增大较快；Pcf2-6在2021年6月1日存在水头突然较大幅度下跌，后续保持平稳上涨。上游水位在2021年8月31日达到最大值，当日上下游水位分别为37.27m和24.11m，绘制此日厂房坝横0+500.58和坝横0+542.58扬压水位分布图。

图11 全时间段厂房横向断面渗压水位过程线

图12 蓄水后厂房横向断面渗压水位过程线

图13 2021年8月31日厂房横向断面渗压水位过程线

位于厂房坝纵0+008.00的Pcf1-3、Pcf2-3测点是两个坝横断面的最高水位处；位于坝纵0+0021.50的Pcf-1、Pcf-2测点水头相差最大，差值为13.69m；两断面下游面测点水头均高于理论水头，防渗效果较差；Pcf1-6测点水头出现增高，与常规水头规律不一。坝横0+542.58处各测点总扬压力小于坝横0+500.58，防渗效果整体比另一断面较好。

3 结论

本文以韩江高陂水利枢纽工程为研究对象，利用大坝扬压力监测仪器所采集的扬压力数据，对该枢纽工程的渗流状况进行了研究，得到如下结论：

(1)在下闸蓄水后，左岸碾压混凝土重力坝、右岸碾压混凝土重力坝各测点横向扬压力大幅度升高，且部分超出理论扬压水头，表明防渗效果变差，但总扬压力值未超过洪水设计值的扬压力，推测左岸、右岸坝体可能存在渗流通道，应采取加强监测措施，必要时进行工程治理，确保安全；各测点纵向扬压水头随着上游水位的上升而增大，总体和上游水位呈正相关。

(2)厂房蓄水前各测点测得水位较为平稳，变化幅度不大；蓄水后各测点水头与上游水位的相关性提高，且波峰波谷处反映较为灵敏，滞后期不超过1d。位于坝纵0+0021.50的下游面测点水头均高于理论水头，防渗效果较差；坝横0+542.58处各测点总扬压力小于坝横0+500.58，防渗效果整体较另一断面好。

(3)本文各断面监测点显示部分坝基扬压力存在异常，局部防渗帷幕可能有潜在的渗流孔洞，坝基扬压力异常点附近也可能有固定的渗流通道，影响大坝的正常安全运行，后续应当加强异常点附近的监测与分析。另外，大气温度、降雨量以及坝体两岸地下水位等外界环境条件也会影响扬压力，对此需要作进一步的分析。