牟 猷，張 成，陳 剛，吳 勇

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

壩基揚(yáng)壓力是判斷混凝土重力壩安全狀態(tài)的主要控制性技術(shù)指標(biāo)[1]，一般在大壩壩基布置測(cè)壓孔或埋設(shè)滲壓計(jì)以觀測(cè)壩基揚(yáng)壓力[2]，然后通過分析測(cè)壓孔或滲壓計(jì)實(shí)測(cè)揚(yáng)壓水位的變化過程來判定壩基揚(yáng)壓力的變化規(guī)律是否正常，通過計(jì)算滲壓系數(shù)來判斷壩基揚(yáng)壓力是否超過設(shè)計(jì)允許值，從而及時(shí)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(duì)壩基揚(yáng)壓力性態(tài)作出評(píng)價(jià)。異常揚(yáng)壓水位分析是壩基揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)資料分析的重點(diǎn)[3]，本文通過對(duì)松樹嶺水電站2、3號(hào)壩段壩基測(cè)壓孔揚(yáng)壓水位過程線與上游水位變化過程線進(jìn)行比較分析、建立統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行定量分析以及現(xiàn)場測(cè)試成果的分析，對(duì)上述壩段壩基測(cè)壓孔揚(yáng)壓力超標(biāo)現(xiàn)象進(jìn)行了綜合分析，以期為類似大壩壩基揚(yáng)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(nèi)，主要由攔河重力壩、引水發(fā)電系統(tǒng)、發(fā)電廠房和輸送電系統(tǒng)等組成。共分8個(gè)壩段，從左岸到右岸依次編號(hào)為1～8號(hào)，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(hào))長22.00 m、沖沙底孔壩段(7號(hào))長16.00 m外，其余6個(gè)壩段均長15.00 m。松樹嶺大壩正常蓄水位為394.00 m，設(shè)計(jì)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(yùn)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(yīng)力應(yīng)變及溫度等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。在1～8號(hào)壩段基礎(chǔ)廊道布置了17個(gè)測(cè)壓孔以監(jiān)測(cè)壩基揚(yáng)壓力。其中，2、3號(hào)壩段各布置了1孔測(cè)壓孔，測(cè)點(diǎn)編號(hào)分別為ULP3和ULP2，兩測(cè)壓孔均位于排水孔幕中心線附近，其監(jiān)測(cè)布置情況見表1；2005年9月下閘蓄水后便開始進(jìn)行觀測(cè)，均從一開始就在孔口安裝壓力表的方法進(jìn)行壩基揚(yáng)壓力的觀測(cè)；ULP3測(cè)壓孔壓力表在2007-06-21日～2007-12-21日期間出現(xiàn)了故障，2008-01-01日更換壓力表后，測(cè)值恢復(fù)正常；2016年10月～2017年11月期間松樹嶺水電站對(duì)2、3號(hào)壩段防滲帷幕進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)灌漿處理。

表1 2、3號(hào)壩段壩基測(cè)壓孔布置情況一覽表 m

2 壩基滲壓系數(shù)超標(biāo)現(xiàn)象

根據(jù)松樹嶺水電站大壩壩基揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)資料分析，可得到初步結(jié)果：松樹嶺水電站大壩2、3號(hào)壩段壩基存在揚(yáng)壓水位偏高、滲壓系數(shù)超標(biāo)等異常現(xiàn)象。

圖1為2號(hào)壩段ULP3測(cè)壓孔、3號(hào)壩段ULP2測(cè)壓孔2010年1月～2016年10月期間的揚(yáng)壓水位變化過程線。由圖1可知：2號(hào)壩段ULP3測(cè)壓孔、3號(hào)壩段ULP2測(cè)壓孔實(shí)測(cè)揚(yáng)壓水位過程線基本平穩(wěn)，變化規(guī)律基本相似，與上游水位變化基本同步；實(shí)測(cè)揚(yáng)壓水位數(shù)值偏高，且與上游水位較為接近。

圖1 2、3號(hào)壩段排水孔幕中心線附近測(cè)壓孔實(shí)測(cè)揚(yáng)壓水位變化過程線圖

圖2為ULP3、ULP2測(cè)壓孔2010年1月～2016年10月期間的滲壓系數(shù)變化過程線。2、3號(hào)壩段均為岸坡壩段，設(shè)計(jì)滲壓系數(shù)控制值為0.4。由圖2可知：ULP3、ULP2測(cè)壓孔2010年1月～2016年12月全時(shí)段滲壓系數(shù)基本在0.6～0.8之間，均超過設(shè)計(jì)控制值0.4，滲壓系數(shù)明顯偏大。

3 壩基滲壓系數(shù)超標(biāo)成因分析

3.1 現(xiàn)場測(cè)試情況

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

圖2 2、3號(hào)壩段排水孔幕中心線附近測(cè)壓孔實(shí)測(cè)滲壓系數(shù)變化過程線圖

安裝壓力表的有壓測(cè)壓孔靈敏度評(píng)價(jià)采用以下兩個(gè)方面的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1)水龍頭放水完畢后，測(cè)壓孔壓力表讀數(shù)應(yīng)處于歸零狀態(tài)(重點(diǎn)測(cè)試壓力表的靈敏度)。

2)目前對(duì)安裝壓力表的有壓測(cè)壓孔靈敏度測(cè)試成果的評(píng)價(jià)無明確的規(guī)范可循。根據(jù)其他類似工程的評(píng)價(jià)經(jīng)驗(yàn)和行業(yè)習(xí)慣性做法，采用0.003 MPa(相當(dāng)于0.30 m水頭)作為控制標(biāo)準(zhǔn)，即當(dāng)放水后24 h的壓力表讀數(shù)與放水前的壓力表讀數(shù)之差不大于0.003 MPa時(shí)，認(rèn)為測(cè)壓孔靈敏度合格；大于0.003 MPa時(shí)，認(rèn)為測(cè)壓孔靈敏度不合格。

采用“放水法”進(jìn)行靈敏度現(xiàn)場測(cè)試結(jié)果見表2，測(cè)試結(jié)果表明：ULP3、ULP2測(cè)壓孔靈敏度合格，工作狀態(tài)良好，因此至少可以初步認(rèn)為造成上述測(cè)壓孔實(shí)測(cè)揚(yáng)壓水位偏高的原因并不是測(cè)壓孔本身的技術(shù)性能存在問題引起的，實(shí)測(cè)揚(yáng)壓水位偏高應(yīng)該是對(duì)揚(yáng)壓水位狀況的真實(shí)反映。

表2 2、3號(hào)壩段壩基測(cè)壓孔靈敏度測(cè)試成果表 MPa

3.2 與上游水位的關(guān)系

3.2.1 測(cè)壓孔實(shí)測(cè)揚(yáng)壓水位與上游水位變化規(guī)律分析

從圖1中ULP3、ULP2測(cè)壓孔實(shí)測(cè)揚(yáng)壓水位過程線來看，同上游水位變化過程進(jìn)行比較：①兩測(cè)壓孔實(shí)測(cè)揚(yáng)壓水位數(shù)值與上游水位較為接近；②測(cè)壓孔實(shí)測(cè)揚(yáng)壓水位過程線與上游水位變化過程具有明顯的同步性；當(dāng)測(cè)壓孔出現(xiàn)高揚(yáng)壓水位的時(shí)期,對(duì)應(yīng)上游水位也基本表現(xiàn)為高水位時(shí)期；上游水位出現(xiàn)高水位的時(shí)候,測(cè)壓孔和滲壓計(jì)也基本同時(shí)出現(xiàn)高揚(yáng)壓水位。

對(duì)測(cè)壓孔實(shí)測(cè)揚(yáng)壓水位與上游水位進(jìn)行相關(guān)性分析,計(jì)算簡單相關(guān)系數(shù)，ULP2和ULP3測(cè)壓孔實(shí)測(cè)揚(yáng)壓水位與上游水位相關(guān)系數(shù)分別為0.7577、0.6553，均大于0.6，說明測(cè)壓孔揚(yáng)壓水位與上游水位之間的相關(guān)性強(qiáng)，上游水位對(duì)測(cè)壓孔揚(yáng)壓水位變化有較大影響。

總體來看，ULP2和ULP3兩個(gè)測(cè)壓孔實(shí)測(cè)揚(yáng)壓水位數(shù)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(guān)性。

3.2.2 統(tǒng)計(jì)模型上游水壓分量分析

已有的壩工知識(shí)和滲流監(jiān)測(cè)數(shù)學(xué)模型經(jīng)驗(yàn)表明，混凝土大壩壩基揚(yáng)壓力主要受上下游水位、溫度、降雨及時(shí)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(wěn)，變幅較小，定性分析也表明下游水位對(duì)測(cè)壓孔揚(yáng)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(tǒng)計(jì)模型的一般表達(dá)式為

2016年10月～2017年11月期間電廠對(duì)2號(hào)和3號(hào)壩段防滲帷幕進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)灌漿，灌漿前后數(shù)據(jù)不具備銜接為同一測(cè)值序列的條件，因此統(tǒng)計(jì)建模時(shí)段取為2006年1月～2016年10月。對(duì)ULP2和ULP3測(cè)壓孔建立統(tǒng)計(jì)模型，在建模過程中，選擇了不同因子組合進(jìn)行了試算[5]，統(tǒng)計(jì)模型的質(zhì)量較好。各統(tǒng)計(jì)模型建模結(jié)果詳見表3，各分量比重情況見表4。

表3 2、3號(hào)壩段壩基測(cè)壓孔揚(yáng)壓水位統(tǒng)計(jì)模型擬合情況表 m

統(tǒng)計(jì)模型結(jié)果表明：ULP2和ULP3測(cè)壓孔實(shí)測(cè)揚(yáng)壓水位統(tǒng)計(jì)模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)均大于0.9，表明實(shí)測(cè)揚(yáng)壓水位統(tǒng)計(jì)建模預(yù)置因子較好地描述了揚(yáng)壓水位的變化規(guī)律；兩測(cè)壓孔統(tǒng)計(jì)模型上游水壓分量均較大，均大于40%，且水壓分量的數(shù)值也較大，說明上游水位變化對(duì)2、3號(hào)壩段壩基揚(yáng)壓水位的影響較為明顯，這些壩段壩基揚(yáng)壓水位與上游水位之間具有明顯的相關(guān)性。

總體來看，2號(hào)壩段ULP3測(cè)壓孔、3號(hào)壩段ULP2測(cè)壓孔實(shí)測(cè)揚(yáng)壓水位變化與上游水位變化過程具有同步性，統(tǒng)計(jì)模型上游水壓分量均大于40%，因此上述壩段壩基揚(yáng)壓水位與上游水位之間相關(guān)性較強(qiáng)。

3.3 成因分析

從現(xiàn)場測(cè)試成果來看，造成2、3號(hào)壩段壩基揚(yáng)壓水位偏高、滲壓系數(shù)超標(biāo)的原因并不是測(cè)壓孔本身的技術(shù)性能或者存在局部缺陷問題引起的，實(shí)測(cè)揚(yáng)壓水位偏高、滲壓系數(shù)超標(biāo)是對(duì)壩基揚(yáng)壓力狀況的真實(shí)反映；從與上游水位的比較分析來看，上述壩段揚(yáng)壓水位變化與上游水位變化基本同步，壩基揚(yáng)壓水位與上游水位之間具有明顯的相關(guān)性；從統(tǒng)計(jì)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(duì)2、3號(hào)壩段壩基揚(yáng)壓力的影響較為顯著。因此，松樹嶺水電站大壩2、3號(hào)壩段壩基揚(yáng)壓水位偏高、滲壓系數(shù)超標(biāo)的異?，F(xiàn)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(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 改造處理及效果

鑒于上述分析，2、3號(hào)壩段壩基防滲帷幕和排水孔幕的防滲排水效果沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，因此，有必要對(duì)防滲帷幕進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，對(duì)排水孔幕進(jìn)行疏通或增加排水孔。松樹嶺水電站對(duì)2、3號(hào)壩段防滲帷幕進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)灌漿，帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿工程于2016年10月份開工，2017年11月份完工。2、3號(hào)壩段壩基測(cè)壓孔2010年1月～2018年12月實(shí)測(cè)揚(yáng)壓水位和滲壓系數(shù)過程線見圖3和圖4，其中補(bǔ)強(qiáng)灌漿期間部分?jǐn)?shù)據(jù)因施工原因無法進(jìn)行觀測(cè)。

圖3 ULP2 與 ULP3測(cè)壓孔 實(shí)測(cè)揚(yáng)壓水位變化過程線圖

圖4 ULP2 與 ULP3測(cè)壓孔 實(shí)測(cè)滲壓系數(shù)變化過程線圖

由圖3和圖4可以看出：壩基防滲帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿后2個(gè)測(cè)壓孔實(shí)測(cè)滲壓水位和滲壓系數(shù)均有大幅度下降；3號(hào)壩段ULP2測(cè)壓孔經(jīng)過帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿后滲壓系數(shù)完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，2號(hào)壩段ULP3測(cè)壓孔經(jīng)過帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿后，滲壓系數(shù)雖仍不滿足設(shè)計(jì)要求，但滲壓系數(shù)已明顯下降，與設(shè)計(jì)允許值(0.4)基本接近。一方面表明2號(hào)和3號(hào)壩段防滲帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿效果良好，另一方面也間接地表明2號(hào)和3號(hào)壩段處原防滲帷幕防滲效果不理想。

5 結(jié) 語

松樹嶺水電站大壩2、3號(hào)壩段壩基存在揚(yáng)壓水位偏高、滲壓系數(shù)超標(biāo)等異?，F(xiàn)象，本文通過對(duì)壩基測(cè)壓孔靈敏度現(xiàn)場測(cè)試成果的分析，對(duì)揚(yáng)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(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)模型對(duì)上游水壓分量的定量分析，認(rèn)為2、3號(hào)壩段壩基測(cè)壓孔表現(xiàn)出的揚(yáng)壓力超標(biāo)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(dá)到設(shè)計(jì)要求。從松樹嶺電廠對(duì)上述壩段防滲帷幕進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)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。