松樹嶺大壩壩基滲壓系數超標現象分析

牟 猷，張 成，陳 剛，吳 勇

(1.武漢大學水利水電學院，湖北 武漢 430072；2.國電竹溪水電開發有限公司，湖北 十堰 442000)

壩基揚壓力是判斷混凝土重力壩安全狀態的主要控制性技術指標[1]，一般在大壩壩基布置測壓孔或埋設滲壓計以觀測壩基揚壓力[2]，然后通過分析測壓孔或滲壓計實測揚壓水位的變化過程來判定壩基揚壓力的變化規律是否正常，通過計算滲壓系數來判斷壩基揚壓力是否超過設計允許值，從而及時了解壩基防滲帷幕和排水孔幕的防滲排水效果是否正常，并對壩基揚壓力性態作出評價。異常揚壓水位分析是壩基揚壓力監測資料分析的重點[3]，本文通過對松樹嶺水電站2、3號壩段壩基測壓孔揚壓水位過程線與上游水位變化過程線進行比較分析、建立統計模型進行定量分析以及現場測試成果的分析，對上述壩段壩基測壓孔揚壓力超標現象進行了綜合分析，以期為類似大壩壩基揚壓力分析提供借鑒和參考。

1 工程概況

松樹嶺水電站位于漢江水系官渡河中段湖北省竹山縣境內，主要由攔河重力壩、引水發電系統、發電廠房和輸送電系統等組成。共分8個壩段，從左岸到右岸依次編號為1～8號，由非溢流壩段、溢流壩段、沖沙底孔壩段等組成；除右壩肩壩段(8號)長22.00 m、沖沙底孔壩段(7號)長16.00 m外，其余6個壩段均長15.00 m。松樹嶺大壩正常蓄水位為394.00 m，設計洪水位為395.10 m(50年一遇)，校核洪水位為398.21 m(500年一遇)，死水位(汛前限制水位)384.00 m，極限(運行)死水位378.50 m。松樹嶺水電站大壩于2005年9月中旬下閘蓄水，2006年5月竣工。

松樹嶺水電站大壩布置了變形、滲流和應力應變及溫度等監測項目。在1～8號壩段基礎廊道布置了17個測壓孔以監測壩基揚壓力。其中，2、3號壩段各布置了1孔測壓孔，測點編號分別為ULP3和ULP2，兩測壓孔均位于排水孔幕中心線附近，其監測布置情況見表1；2005年9月下閘蓄水后便開始進行觀測，均從一開始就在孔口安裝壓力表的方法進行壩基揚壓力的觀測；ULP3測壓孔壓力表在2007-06-21日～2007-12-21日期間出現了故障，2008-01-01日更換壓力表后，測值恢復正常；2016年10月～2017年11月期間松樹嶺水電站對2、3號壩段防滲帷幕進行了補強灌漿處理。

表1 2、3號壩段壩基測壓孔布置情況一覽表 m

2 壩基滲壓系數超標現象

根據松樹嶺水電站大壩壩基揚壓力監測資料分析，可得到初步結果：松樹嶺水電站大壩2、3號壩段壩基存在揚壓水位偏高、滲壓系數超標等異常現象。

圖1為2號壩段ULP3測壓孔、3號壩段ULP2測壓孔2010年1月～2016年10月期間的揚壓水位變化過程線。由圖1可知：2號壩段ULP3測壓孔、3號壩段ULP2測壓孔實測揚壓水位過程線基本平穩，變化規律基本相似，與上游水位變化基本同步；實測揚壓水位數值偏高，且與上游水位較為接近。

圖1 2、3號壩段排水孔幕中心線附近測壓孔實測揚壓水位變化過程線圖

圖2為ULP3、ULP2測壓孔2010年1月～2016年10月期間的滲壓系數變化過程線。2、3號壩段均為岸坡壩段，設計滲壓系數控制值為0.4。由圖2可知：ULP3、ULP2測壓孔2010年1月～2016年12月全時段滲壓系數基本在0.6～0.8之間，均超過設計控制值0.4，滲壓系數明顯偏大。

3 壩基滲壓系數超標成因分析

3.1 現場測試情況

松樹嶺水電站首輪定檢期間于2013-01-24日～25日對壩基測壓孔進行了現場測試，從現場測試情況來看，2號壩段ULP3、3號壩段ULP2等2個測壓孔在擰開水龍頭后有一定流量的水流連續地流出，表明測壓孔為有壓孔，也間接說明測壓孔未有局部淤堵。采用“放水法”對上述測壓孔進行靈敏度現場測試，即：先人工觀測1次測壓孔孔口壓力表，記錄相應的觀測時間和壓力表讀數；然后開啟水龍頭進行放水，放水完畢后記錄相應的壓力表讀數(原則上此時壓力表讀數應歸零)；然后擰緊水龍頭，2 min后觀測1次壓力表讀數，24 h后再觀測1次壓力表讀數。

圖2 2、3號壩段排水孔幕中心線附近測壓孔實測滲壓系數變化過程線圖

安裝壓力表的有壓測壓孔靈敏度評價采用以下兩個方面的評價標準。

1)水龍頭放水完畢后，測壓孔壓力表讀數應處于歸零狀態(重點測試壓力表的靈敏度)。

2)目前對安裝壓力表的有壓測壓孔靈敏度測試成果的評價無明確的規范可循。根據其他類似工程的評價經驗和行業習慣性做法，采用0.003 MPa(相當于0.30 m水頭)作為控制標準，即當放水后24 h的壓力表讀數與放水前的壓力表讀數之差不大于0.003 MPa時，認為測壓孔靈敏度合格；大于0.003 MPa時，認為測壓孔靈敏度不合格。

采用“放水法”進行靈敏度現場測試結果見表2，測試結果表明：ULP3、ULP2測壓孔靈敏度合格，工作狀態良好，因此至少可以初步認為造成上述測壓孔實測揚壓水位偏高的原因并不是測壓孔本身的技術性能存在問題引起的，實測揚壓水位偏高應該是對揚壓水位狀況的真實反映。

表2 2、3號壩段壩基測壓孔靈敏度測試成果表 MPa

3.2 與上游水位的關系

3.2.1 測壓孔實測揚壓水位與上游水位變化規律分析

從圖1中ULP3、ULP2測壓孔實測揚壓水位過程線來看，同上游水位變化過程進行比較：①兩測壓孔實測揚壓水位數值與上游水位較為接近；②測壓孔實測揚壓水位過程線與上游水位變化過程具有明顯的同步性；當測壓孔出現高揚壓水位的時期,對應上游水位也基本表現為高水位時期；上游水位出現高水位的時候,測壓孔和滲壓計也基本同時出現高揚壓水位。

對測壓孔實測揚壓水位與上游水位進行相關性分析,計算簡單相關系數，ULP2和ULP3測壓孔實測揚壓水位與上游水位相關系數分別為0.7577、0.6553，均大于0.6，說明測壓孔揚壓水位與上游水位之間的相關性強，上游水位對測壓孔揚壓水位變化有較大影響。

總體來看，ULP2和ULP3兩個測壓孔實測揚壓水位數值與上游水位較為接近，與上游水位變化過程存在明顯相關性。

3.2.2 統計模型上游水壓分量分析

已有的壩工知識和滲流監測數學模型經驗表明，混凝土大壩壩基揚壓力主要受上下游水位、溫度、降雨及時效等因素的影響[4]。松樹嶺大壩下游水位資料不全且下游水位變化過程十分平穩，變幅較小，定性分析也表明下游水位對測壓孔揚壓力影響較小，因此建模過程中不考慮下游水位因子。滲流統計模型的一般表達式為

2016年10月～2017年11月期間電廠對2號和3號壩段防滲帷幕進行補強灌漿，灌漿前后數據不具備銜接為同一測值序列的條件，因此統計建模時段取為2006年1月～2016年10月。對ULP2和ULP3測壓孔建立統計模型，在建模過程中，選擇了不同因子組合進行了試算[5]，統計模型的質量較好。各統計模型建模結果詳見表3，各分量比重情況見表4。

表3 2、3號壩段壩基測壓孔揚壓水位統計模型擬合情況表 m

統計模型結果表明：ULP2和ULP3測壓孔實測揚壓水位統計模型的復相關系數均大于0.9，表明實測揚壓水位統計建模預置因子較好地描述了揚壓水位的變化規律；兩測壓孔統計模型上游水壓分量均較大，均大于40%，且水壓分量的數值也較大，說明上游水位變化對2、3號壩段壩基揚壓水位的影響較為明顯，這些壩段壩基揚壓水位與上游水位之間具有明顯的相關性。

總體來看，2號壩段ULP3測壓孔、3號壩段ULP2測壓孔實測揚壓水位變化與上游水位變化過程具有同步性，統計模型上游水壓分量均大于40%，因此上述壩段壩基揚壓水位與上游水位之間相關性較強。

3.3 成因分析

從現場測試成果來看，造成2、3號壩段壩基揚壓水位偏高、滲壓系數超標的原因并不是測壓孔本身的技術性能或者存在局部缺陷問題引起的，實測揚壓水位偏高、滲壓系數超標是對壩基揚壓力狀況的真實反映；從與上游水位的比較分析來看，上述壩段揚壓水位變化與上游水位變化基本同步，壩基揚壓水位與上游水位之間具有明顯的相關性；從統計模型上游水壓分量來看，上游水壓分量均大于40%，表明上游水位變化對2、3號壩段壩基揚壓力的影響較為顯著。因此，松樹嶺水電站大壩2、3號壩段壩基揚壓水位偏高、滲壓系數超標的異常現象很可能是由于壩基防滲帷幕和排水孔幕的防滲排水效果沒有達到設計要求。

4 改造處理及效果

鑒于上述分析，2、3號壩段壩基防滲帷幕和排水孔幕的防滲排水效果沒有達到設計要求，因此，有必要對防滲帷幕進行補強加固，對排水孔幕進行疏通或增加排水孔。松樹嶺水電站對2、3號壩段防滲帷幕進行了補強灌漿，帷幕補強灌漿工程于2016年10月份開工，2017年11月份完工。2、3號壩段壩基測壓孔2010年1月～2018年12月實測揚壓水位和滲壓系數過程線見圖3和圖4，其中補強灌漿期間部分數據因施工原因無法進行觀測。

圖3 ULP2 與 ULP3測壓孔 實測揚壓水位變化過程線圖

圖4 ULP2 與 ULP3測壓孔 實測滲壓系數變化過程線圖

由圖3和圖4可以看出：壩基防滲帷幕補強灌漿后2個測壓孔實測滲壓水位和滲壓系數均有大幅度下降；3號壩段ULP2測壓孔經過帷幕補強灌漿后滲壓系數完全達到設計要求，2號壩段ULP3測壓孔經過帷幕補強灌漿后，滲壓系數雖仍不滿足設計要求，但滲壓系數已明顯下降，與設計允許值(0.4)基本接近。一方面表明2號和3號壩段防滲帷幕補強灌漿效果良好，另一方面也間接地表明2號和3號壩段處原防滲帷幕防滲效果不理想。

5 結 語

松樹嶺水電站大壩2、3號壩段壩基存在揚壓水位偏高、滲壓系數超標等異常現象，本文通過對壩基測壓孔靈敏度現場測試成果的分析，對揚壓水位變化過程和上游水位變化過程的定性分析，并借助數學統計模型對上游水壓分量的定量分析，認為2、3號壩段壩基測壓孔表現出的揚壓力超標情況很可能是由于壩基防滲帷幕和排水孔幕的防滲排水效果沒有達到設計要求。從松樹嶺電廠對上述壩段防滲帷幕進行補強灌漿的處理措施及效果來看，上述分析判斷具有一定的合理性。