胡 波

［南瑞集團(tuán)公司（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院），江蘇省南京市 210003］

基于原型監(jiān)測(cè)的廣西樂(lè)灘電站大壩滲流特性分析

胡 波

［南瑞集團(tuán)公司（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院），江蘇省南京市 210003］

基于原型監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用時(shí)程曲線、分布圖、特征值統(tǒng)計(jì)、相關(guān)分析、數(shù)學(xué)模型定量分析等方法相結(jié)合，對(duì)廣西樂(lè)灘電站運(yùn)行期大壩壩基揚(yáng)壓力的時(shí)空演化規(guī)律進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。分析表明，揚(yáng)壓水位岸坡部位明顯高于河床壩段，幕前測(cè)點(diǎn)高于幕后測(cè)點(diǎn)。帷幕后測(cè)點(diǎn)水位與下游水位高度正相關(guān)，下游水位是影響幕后測(cè)點(diǎn)揚(yáng)壓力變化的最主要因素，上游水位、溫度、降雨和時(shí)效等因素影響均較小。綜合分析認(rèn)為，樂(lè)灘壩基揚(yáng)壓力測(cè)值變化平穩(wěn)，幕后測(cè)點(diǎn)揚(yáng)壓折減系數(shù)未超出控制指標(biāo)，幕后測(cè)點(diǎn)揚(yáng)壓力受上游庫(kù)水位影響較小，說(shuō)明上水庫(kù)與壩基之間沒(méi)有大規(guī)模的滲漏通道，壩基揚(yáng)壓力規(guī)律正常，大壩處于安全狀態(tài)。

原型監(jiān)測(cè)；滲流；時(shí)空演化；統(tǒng)計(jì)模型

0 引言[1]

揚(yáng)壓力是重力壩強(qiáng)度和穩(wěn)定計(jì)算中的重要荷載［1，2］。大壩建成蓄水后，在上下游水位差的作用下，將在壩基產(chǎn)生滲流。滲流將對(duì)壩基產(chǎn)生向上的揚(yáng)壓力，減少了大壩的有效重量，對(duì)壩基抗滑穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。正確認(rèn)識(shí)壩基揚(yáng)壓力特性將直接影響到工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性，具有重大的工程價(jià)值和科學(xué)意義［3,4］。

在眾多的評(píng)價(jià)手段中，原型監(jiān)測(cè)是最直觀、可信的方法之一［5］。模型試驗(yàn)受加載技術(shù)的限制，揚(yáng)壓力或滲水壓力一直難于模擬；純理論的力學(xué)分析成果也難于直接應(yīng)用于工程實(shí)踐，存在力學(xué)模型難于簡(jiǎn)化、邊界條件難于準(zhǔn)確確定等困難；數(shù)值模擬在計(jì)算參數(shù)選取、不連續(xù)面特性描述等方面也存在困境。原型監(jiān)測(cè)及分析是了解大壩工作狀態(tài)、監(jiān)控大壩安全重要而傳統(tǒng)的手段，在壩工界歷來(lái)受到廣泛重視［6-13］。壩基揚(yáng)壓力常埋設(shè)測(cè)壓管進(jìn)行監(jiān)測(cè)，必要時(shí)，亦可在管內(nèi)放置滲壓計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)［14］。

本文基于原型監(jiān)測(cè)成果，總結(jié)和歸納了樂(lè)灘壩基揚(yáng)壓力的時(shí)空演化規(guī)律，并從中提煉了若干需要重點(diǎn)關(guān)注的“焦點(diǎn)”問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，運(yùn)用特征值統(tǒng)計(jì)、時(shí)間歷程線分析、物理成因建模分析、綜合比較等方法進(jìn)行分析和探討，總結(jié)了壩基揚(yáng)壓力變化規(guī)律，分析了揚(yáng)壓力的主要影響因素、作用機(jī)制及發(fā)展趨勢(shì)，在此基礎(chǔ)上對(duì)樂(lè)灘壩基的滲流穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 工程概況

紅水河樂(lè)灘水電站位于廣西忻城縣紅渡鎮(zhèn)上游3km，電站是在原壩址上擴(kuò)建的一座以發(fā)電為主，兼有航運(yùn)、灌溉等綜合利用效益的大（Ⅱ）型水電工程，總裝機(jī)容量600MW。水庫(kù)總庫(kù)容9.5億m3，具有日調(diào)節(jié)能力。主要建筑物有攔河壩、河床式廠房、左岸邊坡、船閘及開(kāi)關(guān)站等。

壩址河道為縱向U形河谷，區(qū)域構(gòu)造情況相對(duì)穩(wěn)定，巖層走向與河流大體一致，發(fā)育的斷層規(guī)模較小，以層間錯(cuò)動(dòng)為主。

壩基巖體以中厚層灰?guī)r為主，多為弱風(fēng)化～微風(fēng)化，巖體較完整，地下水一般為溶隙、裂隙性滲透，局部有小溶洞滲流現(xiàn)象［15,16］。

2 原型監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要遵行了以下原則［17-19］：

（1）目的明確，需求導(dǎo)向。主要目的是為了分析壩基揚(yáng)壓力，了解揚(yáng)壓力的時(shí)空分布規(guī)律，為物理成因分析、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保障，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)置和測(cè)點(diǎn)布置以滿(mǎn)足分析需求為導(dǎo)向。

（2）系統(tǒng)布置，重點(diǎn)突出。按規(guī)范要求，結(jié)合工程實(shí)際，統(tǒng)籌安排監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和測(cè)點(diǎn)，做到監(jiān)測(cè)項(xiàng)目全面、空間布局合理，同時(shí)對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，盡可能滿(mǎn)足不同工況和極端工況下的監(jiān)測(cè)需求。

（3）兼顧技術(shù)的可靠性、實(shí)用性和先進(jìn)性。選擇耐久、可靠、實(shí)用的儀器，力求先進(jìn)和便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

（4）恰當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)合理性。在保證分析需求的前提下，優(yōu)化設(shè)計(jì)，力求以最少的投入取得最好的監(jiān)測(cè)效果。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

壩基揚(yáng)壓力采用在測(cè)壓管中安裝滲壓計(jì)進(jìn)行觀測(cè)，根據(jù)各個(gè)測(cè)壓孔水位的不同變化規(guī)律，選用0.07Mpa、0.175Mpa、0.35Mpa、0.7Mpa四種規(guī)格。測(cè)值符號(hào)規(guī)定水位升高為正。

選擇3個(gè)典型觀測(cè)橫斷面，即在4號(hào)機(jī)右側(cè)橫向基礎(chǔ)廊道、2號(hào)機(jī)左側(cè)橫向基礎(chǔ)廊道內(nèi)和6號(hào)壩橫向廊道內(nèi)各設(shè)一個(gè)斷面，在帷幕前設(shè)1個(gè)測(cè)點(diǎn)，帷幕后設(shè)3個(gè)測(cè)點(diǎn)；其他機(jī)組壩段在帷幕后各設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)。共設(shè)32個(gè)揚(yáng)壓力觀測(cè)點(diǎn)，測(cè)壓管鉆孔深度至壩基巖下1m，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1 Layout of the monitoring points

3 成果分析

3.1 揚(yáng)壓力時(shí)間演化規(guī)律

上水庫(kù)正常蓄水位112m，死水位110m，2007年以后上庫(kù)水位變化幅度較小（年變幅3.4m），相比而言下游水位變化較明顯（年變幅27.0m）。灌漿帷幕前和帷幕后的測(cè)點(diǎn)揚(yáng)壓力呈現(xiàn)出截然不同的變化規(guī)律，典型過(guò)程線如圖2所示。

圖2 揚(yáng)壓水位典型過(guò)程線Fig.2 The hydrograph of uplift pressure

幕前測(cè)點(diǎn)C4-1部位的揚(yáng)壓水位高程略低于上游水位，測(cè)值變化明顯受上游庫(kù)水影響，2007年以后測(cè)值變化不大（年變幅3.2m）。幕后測(cè)點(diǎn)C4-3部位的揚(yáng)壓水位測(cè)值與下游水位的相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.74，部分時(shí)段水位甚至略低于下游水位（滲壓系數(shù)為負(fù)值）。揚(yáng)壓水位與上下游水位的相關(guān)分析成果見(jiàn)表1。

表1 揚(yáng)壓水位與上下游水位相關(guān)系數(shù)表Tab.1 Correlation coefficient between uplift pressure and water level

可以看出，幕前測(cè)點(diǎn)揚(yáng)壓水位高程大于幕后測(cè)點(diǎn)，符合一般規(guī)律。幕后測(cè)點(diǎn)揚(yáng)壓水位高程與上游水位的相關(guān)性低，經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)幕后測(cè)點(diǎn)滲壓系數(shù)均未超過(guò)設(shè)計(jì)控制指標(biāo)。這說(shuō)明上游帷幕的隔水作用較好，上庫(kù)水與壩基之間沒(méi)有大規(guī)模的滲漏通道，這對(duì)大壩安全是有利的。

3.2 順河向揚(yáng)壓分布規(guī)律

典型溢流壩段（6號(hào)壩段）和機(jī)組壩段（4號(hào)機(jī)）順河向揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)布置情況如圖1所示，典型時(shí)刻（以2008年11月6日數(shù)據(jù)為例）揚(yáng)壓水位高程分布情況如圖3所示，揚(yáng)壓水位高程與上下游水位相關(guān)分析結(jié)果如表2所示。

圖3 揚(yáng)壓水位高程分布圖Fig.3 The distribution of uplift water level

表2 揚(yáng)壓水位高程與上下游水位相關(guān)系數(shù)表Tab.2 Correlation coefficient between uplift pressure and upstream and downstream water level

由圖3和表2可以得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）各監(jiān)測(cè)橫斷面測(cè)點(diǎn)揚(yáng)壓水位高程較低，幕后測(cè)點(diǎn)水位高程明顯低于下游水位，說(shuō)明該部位大壩上游的隔水、排水系統(tǒng)運(yùn)行良好。計(jì)算出的滲壓系數(shù)為負(fù)值，低于控制指標(biāo)0.25，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

（2）溢流壩段靠近下游面的揚(yáng)壓水位高程甚至高于上游測(cè)點(diǎn)，說(shuō)明帷幕隔水作用良好，該監(jiān)測(cè)斷面幕后測(cè)點(diǎn)壩基揚(yáng)壓主要受下游水位影響。結(jié)合過(guò)程線圖分析，2008年6月15日、2008年11月7日、2009年7月5日下游水位過(guò)程線出現(xiàn)3個(gè)波峰，測(cè)點(diǎn)揚(yáng)壓水位高程與之對(duì)應(yīng)的亦出現(xiàn)3個(gè)波峰，有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，也印證了該斷面測(cè)點(diǎn)揚(yáng)壓主要受下游水位影響這一結(jié)論。

（3）2008年1月以來(lái)，下游水位對(duì)溢流壩段揚(yáng)壓水位高程的影響明顯高于上游水位，揚(yáng)壓水位高程與下游水位最大相關(guān)系數(shù)達(dá)0.88（B6-3）。

（4）溢流壩段幕前測(cè)點(diǎn)B6-1揚(yáng)壓很小，應(yīng)該與監(jiān)測(cè)部位上游的舊溢流壩的阻水作用有關(guān)。

以6號(hào)壩段2008年11月6日數(shù)據(jù)為例，揚(yáng)壓力及壩體自重應(yīng)力、水壓等分布情況如表3和圖4所示?？梢钥闯?，該斷面的揚(yáng)壓力不容忽視，揚(yáng)壓力與壩體總壓應(yīng)力比例最大值達(dá)32.5%（B6-4）?？拷掠蔚臏y(cè)點(diǎn)揚(yáng)壓力與壩體總壓應(yīng)力比例高于上游，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了該斷面下游水位對(duì)揚(yáng)壓力影響較大的結(jié)論。

表3 6號(hào)壩段2008年11月6日揚(yáng)壓力測(cè)值Tab.3 The uplift pressure data at monolith 6 on Nov.6,2008

3.3 橫河向揚(yáng)壓分布規(guī)律

2008年1月以來(lái)橫河向各測(cè)點(diǎn)滲壓系數(shù)特征值分布情況如圖5所示。以2009年9月29日測(cè)值為例，橫河方向揚(yáng)壓水位高程的空間分布情況如圖6所示。

由以上圖表可以得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

總的來(lái)看，2008年1月以來(lái)，絕大多數(shù)壩段幕后測(cè)點(diǎn)的滲壓系數(shù)未超過(guò)設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，且大部分測(cè)點(diǎn)測(cè)值平穩(wěn)，揚(yáng)壓水位高程變化小，表明壩基幕后各測(cè)點(diǎn)的揚(yáng)壓力總體正常。

圖4 6號(hào)壩段揚(yáng)壓力分布圖Fig.4 The distribution of uplift pressure at monolith 6

圖5 滲壓系數(shù)特征值分布圖Fig.5 The distribution of seepage coefficient maximum and minimum value

圖6 橫河向揚(yáng)壓水位高程典型分布圖Fig.6 The distribution of uplift water level along the dam axis

從空間分布規(guī)律來(lái)看，岸坡部位揚(yáng)壓水位高程明顯高于河床壩段，經(jīng)過(guò)與水位過(guò)程線進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，岸坡壩段揚(yáng)壓水位高程與上游水位無(wú)明顯相關(guān)性，這與兩岸的地下水補(bǔ)給有關(guān)。

3.4 建模分析

影響壩基揚(yáng)壓力大小的主要因素有上游水位W1、下游水位W2、壩基溫度T、降雨入滲P和時(shí)效t［2］。結(jié)合樂(lè)灘實(shí)際情況，揚(yáng)壓水位高程H統(tǒng)計(jì)模型可表示為：

式中：HW1、HW2、HT、HP和Ht——分別為上游水位、下游水位、溫度、降雨量和時(shí)效分量；

H0——測(cè)點(diǎn)高程；

θ——觀測(cè)日至始測(cè)日的累計(jì)天數(shù)除以100；

Ai、Bi、Ci、Di和Ei——待定系數(shù)。

以C4-3測(cè)點(diǎn)2008年7月1日至2009年10月1日期間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，運(yùn)用偏最小二乘法進(jìn)行回歸分析，模型擬合值、實(shí)測(cè)值及殘差對(duì)比情況如圖7所示，揚(yáng)壓水頭各影響因素分量如圖8所示。數(shù)學(xué)模型復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.97，模型相對(duì)精度優(yōu)于1%（相對(duì)精度為剩余標(biāo)準(zhǔn)差與測(cè)值變幅的比值），模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值十分接近，這說(shuō)明模型有較高的精度。下游水位分量變幅約為15m，對(duì)揚(yáng)壓的貢獻(xiàn)比例約94.2%（見(jiàn)表4）。

圖7 數(shù)學(xué)模型擬合值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.7 The comparison between observation value and mathematical model value

圖8 各影響因素水頭分量過(guò)程線圖Fig.8 The time history diagram of different influence factors

表4 拱冠梁位移分量分解表Tab.4 Cause analysis of displacement on arch crown

由成果可知，下游水位是影響測(cè)點(diǎn)C4-3揚(yáng)壓力變化的最主要因素，其對(duì)揚(yáng)壓力的貢獻(xiàn)比例最高，占93.8%；上游水位、溫度、降雨和時(shí)效等因素影響均較小，這與過(guò)程線圖定性分析的成果較為吻合。

時(shí)效分量的變化發(fā)展通常與基巖及防滲體微結(jié)構(gòu)、材料徐變等因素有關(guān)，一定程度上反映了大壩的運(yùn)行狀態(tài)。由圖8可知2008年以來(lái)，揚(yáng)壓力時(shí)效分量變化極小，趨于穩(wěn)定，這對(duì)大壩安全是有利的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文運(yùn)用概化力學(xué)分析、時(shí)空分布分析、數(shù)學(xué)建模定量分析等多手段相結(jié)合的方法，對(duì)樂(lè)灘大壩運(yùn)行期壩基滲流特性進(jìn)行了深入分析，主要得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）從時(shí)間演化規(guī)律上看，帷幕前測(cè)點(diǎn)的揚(yáng)壓水位高程略低于上游水位，測(cè)值變化明顯受上游庫(kù)水影響，2007年以后測(cè)值變化不大（年變幅3.2m）。帷幕后測(cè)點(diǎn)的揚(yáng)壓水位測(cè)值與下游水位的相關(guān)性較高，部分時(shí)段水位甚至略低于下游水位。

（2）順河向揚(yáng)壓水位高程空間分布規(guī)律，大部分幕前測(cè)點(diǎn)揚(yáng)壓水位高程大于幕后測(cè)點(diǎn)，帷幕后測(cè)點(diǎn)的揚(yáng)壓折減系數(shù)均低于設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，說(shuō)明大壩隔水、排水系統(tǒng)運(yùn)行良好。部分測(cè)點(diǎn)揚(yáng)壓折減系數(shù)為負(fù)值，主要因?yàn)樵摐y(cè)點(diǎn)水位高程低于下游水位的緣故。

（3）橫河向揚(yáng)壓水位高程空間分布規(guī)律總體來(lái)看，岸坡部位揚(yáng)壓水位高程明顯高于河床壩段，經(jīng)過(guò)與水位過(guò)程線進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，岸坡壩段揚(yáng)壓水位高程與上游水位無(wú)明顯相關(guān)性，這與兩岸的地下水補(bǔ)給有關(guān)。

（4）相關(guān)分析和數(shù)學(xué)模型定量分析均表明，下游水位是影響樂(lè)灘壩基帷幕后測(cè)點(diǎn)揚(yáng)壓力變化的最主要因素，其對(duì)揚(yáng)壓力的貢獻(xiàn)比例最高（大于90%）；上游水位、溫度、降雨和時(shí)效等因素影響均較小，這與過(guò)程線圖定性分析的成果也較為吻合。揚(yáng)壓力時(shí)效分量趨于穩(wěn)定，變化極小。

（5）綜合分析表明，樂(lè)灘壩基揚(yáng)壓力測(cè)值變化平穩(wěn)，幕后測(cè)點(diǎn)揚(yáng)壓折減系數(shù)未超出控制指標(biāo)，幕后測(cè)點(diǎn)揚(yáng)壓力受上游庫(kù)水位影響較小，說(shuō)明上水庫(kù)與壩基之間沒(méi)有大規(guī)模的滲漏通道，壩基揚(yáng)壓力處于可控狀態(tài)，未見(jiàn)危及大壩安全的大規(guī)模異?，F(xiàn)象，大壩目前處于安全狀態(tài)。

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胡 波（1980—），男，博士后、高級(jí)工程師，博士研究生，主要研究方向：水工結(jié)構(gòu)及巖土工程安全監(jiān)測(cè)理論、方法及應(yīng)用。E-mail:hubonj@126.com

Analysis of Seepage Characteristics of Letan Hydropower Station

HU Bo
(NARI Group Corporation,State Grid Electric Power Research Institute,Nanjing 210003,China)

Based on prototype monitoring data,time-history curve,spatial distribution diagram,statistical analysis,correlation analysis and mathematical model analysis are integrated to study the seepage characteristics of the Letan dam.The results show that the uplift pressure before grout curtain is related to the upstream water level,and the uplift pressure after grout curtain is related to the downstream water level.The uplift pressure water level near the bank is much higher than which on bed.The uplift pressure water level before grout curtain is much higher than which after grout curtain.The uplift pressure coefficient is not beyond the control index,which indicate the waterproof and drainage system is in good condition.Downstream water level is the key factor to impact the uplift pressure after grout curtain.In conclusion,the temporal and spatial distribution of uplift pressure is interpreTab.and normal,and the dam in safety.

prototype monitoring; seepage; temporal and spatial distribution; statistic analysis model; comprehensive evaluation

TV642.3

A 學(xué)科代碼：570.25

10.3969/j.issn.2096-093X.2016.05.008

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51139001）；國(guó)家人力資源與社會(huì)保障部留學(xué)人員科技活動(dòng)擇優(yōu)資助項(xiàng)目（2009003）；江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（BK2009479）；江蘇省博士后科研資助計(jì)劃（1101049C）。