水庫大壩局部壩基揚壓力異常原因分析

李瑞東

（山西水務工程建設監理有限公司，山西 太原 030000）

1 工程概況

某水庫于1998 年基本建成，是所在流域上游控制性水利工程，兼具發電、灌溉等綜合效益，遺憾的是該水庫自大壩建成蓄水以來始終未設置大壩觀測設施。由于對監測工作缺乏應有的重視及有效的管理和維護，1999 年以后大壩內部監測儀器失效較多，工作不穩定，漏測和缺測現象嚴重，并于2004年3月暫停觀測工作。2009 年對該水庫啟動除險加固處理，根據水庫除險加固初設報告，對原大壩安全監測設施進行了更新改造與加固完善?，F狀大壩主要包括防滲面板安全監測、大壩表面變形觀測、滲流觀測及水位觀測等監測項目。2010 年除險加固過程中在大壩上游增設了防滲面板，同時對新增防滲面板結構縫開合程度、新老面板結合變形、壩基變形、壩基滲透壓力、混凝土面板應力應變以及溫度等項目實施監測。

2 揚壓力異常問題描述

該水庫大壩測壓管埋設在645 m 高程基礎灌漿廊道最左與最右端，埋設孔鉆孔深度為基巖以下1.10 ～1.20 m，在將測壓管管體埋入孔內后還應在管內安裝壓力傳感器，同時將管口裝置及壓力表加裝在管口位置，主要進行基礎帷幕后揚壓力及變動趨勢的監測。根據2010-2019年統計資料進行分析，15#壩段測壓管UPR-1 和UPL-2 所對應的揚壓力最大值分別為46.66 m（684.66 m）和40.60 m（674.65 m）。結合所得出的揚壓力歷時曲線圖，揚壓力呈現出緩慢增大的變化趨勢，且與庫水位變化趨勢基本一致。由此可以判定，2019 年6-10 月為汛期且庫水呈上升態勢。根據實際情況，該水庫在當年上旬進行大壩檢修時，庫水位基本已降至最低，檢修完成后又進行了水位控制上漲，導致揚壓力具有與庫水位一致的變化趨勢。10 月汛期過后庫水位基本穩定，揚壓力也趨于平穩。根據兩者數據的變化趨勢，右側帷幕防滲情況略微優于左側，可見，水庫壩基揚壓力滿足壩基滲流的變化要求。

進入2020年汛期后，通過分析各揚壓力測孔的實測資料，測壓管UPR-1 測值異常，必須對測壓管所在壩段重點分析。該測壓管位于水庫大壩左岸4#壩段2 078 m高程的灌漿排水廊道內，2019 年11 月該測管損壞，在12 月于原位置附近重新埋設測壓管，從次年1 月開始工作。根據監測結果，原測壓管所測水頭值基本維持在2 080.04 m，而新埋設的測壓管水頭測值突增至2 116.84 m，此后維持在2 028.41 m；壩基揚壓力系數縱斷面分布情況詳見圖1。在這一過程中，庫水位較為穩定。為此，必須結合新埋設測壓管所在壩段實際工況、多滲控條件、實測壩基揚壓力進行滲流有限元分析，確定出壩段揚壓力異常的主要原因。

圖1 壩基揚壓力系數縱斷面分布圖

3 有限元計算

3.1 計算模型

以大地坐標為計算坐標原點，X 軸平行于拱冠參考面軸線，Y軸則從右岸指向左岸，Z軸坐標具體體現高程情況。將河床中心線作為參考基面，左右兩側分別向左右岸各截取400 m；上下游側則將經過坐標原點并與河床中心線垂直的截面作為參考基面，上下游兩側分別截取300 m和220 m；基礎深度則以低于壩基防滲帷幕底部60 m的深度為限。工程區滲流有限元模型離散后共包括33 564個節點和29 396個單元，并以重新埋設的測壓管為重點分析剖面。

3.2 邊界條件

結合工程實際及現有觀測資料，上下游應分別取正常蓄水位2 080 m 和2 050 m，且上下游水位以下河床水頭均為已知。由于壩址區地下水為從兩岸向河床的補給走向，故將左右岸截取水頭邊界視為已知，并根據區內地下水實測資料及外推插值法予以確定。壩體下游2 050 m高程以上的出滲域必須通過迭代確定，其余邊界均視為不透水邊界。

3.3 參數反演

基于壩址區長期水文觀測資料，通過BP 神經網絡進行壩體及壩基滲漏張量反演，具體分析時必選優選降水量少、庫水位穩定、測孔水位變化平穩的測值?？紤]到壩體混凝土滲透參數并無較大變化，在參數反演時可將其視為各向同性體，滲透系數固定取1.00×10-8m/s，此外，壩體防滲帷幕也視為各向同性體，壓水試驗所得滲透系數1.60×10-8m/s。結合勘測資料及巖層實際分布情況，將壩址區巖體由外而內劃分成強風化層區、弱風化層區、微風化層區和新鮮巖體層區。若同時存在地下水位和流量觀測數據，滲透參數反演結果即為唯一，即依據地下水長期觀測值便能反演出壩基全部巖層區相對滲透系數，且根據確定出的一個層區相對滲透系數，其余層區滲透系數值便會隨之得出。根據滲透系數分析結果，新鮮巖體層區各向滲透異性較小，故可將其視為各向同性體，其滲透系數取1.01×10-8m/s，其余層區滲透張量反演結果詳見表1。

表1 水庫大壩壩基巖體層區滲透張量反演結果統計表單位：m/s

3.4 計算結果

當防滲維帷幕及排水孔均處于正常工作狀態下，則重新埋設的測壓管所測揚壓力值為2 110.11 m，與孔口高程基本一致，根據對該測壓管所在位置剖面滲流場分布情況的分析，在這種工況下，壩基處等水頭線十分密集，能有效降低所在位置揚壓力。

若僅有防滲帷幕處于正常工作狀態時，壩基排水孔是否正常工作對重新埋設的測壓管所測揚壓力值影響不大，且所測揚壓力值與孔口高程基本一致；左岸地下水位的變化也不會造成壩基揚壓力值的大幅變更。

而當壩段壩基防滲帷幕局部失效，壩基部位等水頭線分布將比帷幕正常工作狀態下稀疏，壩軸線上游巖體水頭也將高出防滲帷幕正常工作水頭，重新埋設的測壓管所測揚壓力值必然會遠遠高出帷幕正常工作揚壓力。此種情況下，如果排水孔正常工作，則揚壓力水位將比孔口高程高出15～18 m；如果壩段范圍內排水孔均失效，則揚壓力水位會進一步提升，至少高出孔口高程35～45 m。

若庫區相應壩段防滲帷幕較淺部位巖層內分布有局部強透水帶，則重新埋設的測壓管所測揚壓力值為2 120.32 m，遠遠超出孔口高程，且接近實測值。與此同時，若該強透水帶并為延伸至防滲帷幕下游側，則揚壓力值升高的部位便只局限在防滲帷幕結構四周，下游側揚壓力值不會發生較大變化。

綜合以上工況觀測結果，在壩基防滲帷幕結構完好的情況下，排水孔工作與否、左岸地下水位變化與否，均不會造成局部壩段壩基揚壓力值的明顯升高。而當相應壩段防滲帷幕結構出現缺陷時，壩基揚壓力值必將顯著提升，且提升的幅度與帷幕缺陷發生位置及嚴重程度直接相關。為此，必須對該水庫大壩防滲帷幕體的完好及穩定程度進行檢測，并采取有效措施加固補強，以杜絕對應壩段壩基揚壓力值異?，F象的出現。根據相應壩基防滲帷幕體加固前后揚壓力變化程度的對比，采取加固措施后重新埋設的測壓管所測揚壓力水位明顯降低。

4 結論

綜上所述，進行水庫大壩壩基揚壓力異常情況及原因分析時，必須檢查所在壩段壩基防滲帷幕運行是否正常以及壩基內部滲漏通道、局部強透水帶是否存在；通過壩基局部注漿補強有效阻斷滲透通道，提升帷幕阻水效果；此外，還應全面檢查相應壩段排水孔有無淤堵，及時疏通。該水庫在采取以上改進措施后，重新埋設的測壓管所測壩基揚壓力值有效降低，影響壩段揚壓力異常的因素全部得到解決。