磽磧大壩壩基廊道測壓管UP14水位異常成因及處理效果研究

趙 靜

(云南魯布革顧問有限公司 昆明 650051)

李宏沖

(河南靈捷水利勘測設(shè)計(jì)研究有限公司 南陽 473000)

鄭培溪

(云南魯布革顧問有限公司 昆明 650051)

1 前言

大壩安全監(jiān)測資料是判斷工程安危的重要依據(jù)。通過對監(jiān)測資料的整理和分析，可以對水工建筑物的工作性態(tài)作出評價，及時發(fā)現(xiàn)安全隱患，為制定工程處理措施、指導(dǎo)工程處理、保障大壩安全運(yùn)行提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。

磽磧水電站位于四川省雅安市寶興縣境內(nèi)。2006年12月5日，下閘蓄水，攔河大壩為礫石粘土心墻堆石壩，壩頂高程2143.00m，最大壩高125.50m。壩前正常蓄水位2140.00m，死水位2060.00m。電站裝機(jī)容量為3×8萬kW。壩址區(qū)左右岸及河谷谷底主要為炭質(zhì)千枚巖夾粉砂巖，遇水軟化嚴(yán)重，力學(xué)強(qiáng)度迅速降低。大壩采用防滲墻通過廊道與心墻連接的防滲結(jié)構(gòu)，屬國內(nèi)首創(chuàng)［1］;防滲墻底及左右岸采用灌漿帷幕深入弱風(fēng)化基巖防滲。

磽磧大壩在蓄水過程中，壩基廊道縱0+227.00防滲墻后測壓管UP14水位表現(xiàn)異常，后根據(jù)監(jiān)測資料，對防滲墻進(jìn)行灌漿處理。

2 UP14水位異常表現(xiàn)

壩基廊道防滲墻后布置測壓管UP13～UP15，沿壩軸線方向樁號分別為縱0+197.00、縱0+227.00、縱0+256.00，管底分別深入建基面以下9.0m、6.5m、8.5m，用以監(jiān)測防滲墻后水位。自2006年12月5日水庫蓄水以來，位于兩端的UP13、UP15水位較低且基本穩(wěn)定，而位于廊道中部的UP14水位較高且與庫水位相關(guān)(見表1)。2008年10月28日庫水位2139.70m時，UP14水位為2085.91m，遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)控制指標(biāo)2030.00m［1］。換算成位勢，UP14 為 55.83%，僅消殺了44.17%的水頭。

取下壓力表，測壓管內(nèi)水流瞬間呈噴出現(xiàn)象，約5s之后，流量迅速變小，僅沿測壓管口緩慢出流。水中夾有無數(shù)氣泡自管底向上翻滾，水質(zhì)清澈，并有一股類似H2S的味道。再次安裝上壓力表后，壓力緩慢上升，次日恢復(fù)至之前壓力。

位勢計(jì)算公式為

式中 Ψ——位勢，%;

hi——測點(diǎn)水位，m;

H1——上游水位，m;

H2——下游水位，m。

圖1 UP13～UP15水位過程線

3 UP14水位異常原因

3.1 數(shù)據(jù)驗(yàn)證

為驗(yàn)證UP14水位的正確性，我們首先更換了數(shù)個新的壓力表，所測水位均一致，表明壓力表本身沒有問題。隨后，我們于2007年12月12日在測壓管上安裝三向接頭，從其中一接頭處連接塑料管并引向高處，觀測水位的上升情況，同時觀測壓力表讀數(shù)。校測結(jié)果如下:塑料管中水位最后穩(wěn)定在2079.00m，壓力表所測水位為2078.77m，二者相差0.23m，再次表明壓力表測值正確，UP14水位確實(shí)較高。

3.2 統(tǒng)計(jì)模型分析

3.2.1 模型構(gòu)建

現(xiàn)以多元逐步回歸統(tǒng)計(jì)模型對UP14水位進(jìn)行影響因子的探討，模型構(gòu)造如下［2-4］:

式中 xHi、xθj、xRk、xTl——水壓因子、時效因子、降雨因子、溫度因子;

ai、bj、ck、dl——待定系數(shù);

const——常數(shù)。

選取2007年1月4日至2008年11月14日共283個測值為樣本進(jìn)行建模。磽磧壩區(qū)降雨主要集中在7～9月，因此計(jì)算中未計(jì)入降雨因子。同時，不考慮多場耦合作用而未計(jì)入溫度因子?？紤]到測壓管水位存在滯后效應(yīng)，選取觀測當(dāng)日、前5日、前10日、前30日平均水位與基準(zhǔn)日、基準(zhǔn)日前5日、前10日、前30日平均水位差的 1、2、3 次方 ΔH1、(ΔH1)2、(ΔH1)3;ΔH5、(ΔH5)2、(ΔH5)3;ΔH10、(ΔH10)2、(ΔH10)3;ΔH30、(ΔH30)2、(ΔH30)3等12 個水壓因子，t/100、ln(t/30+1)、1 － e－0.01t、lg(t+1)等4個時效因子，總計(jì)16個因子作為影響因子進(jìn)行分析。

3.2.2 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過多次計(jì)算，求得最佳模型方程，見式(3)。其中 (ΔH5)3、ΔH10、(ΔH10)2、(ΔH10)3、ΔH30等 5 個因子未通過F檢驗(yàn)而未能進(jìn)入方程，觀測值、擬合值、擬合誤差過程線見圖2，分量過程線見圖3。

圖2 UP14觀測值、擬合值和擬合誤差過程線

圖3 UP14水壓、時效分量過程線

方程復(fù)相關(guān)系數(shù)R、顯著性檢驗(yàn)值F、標(biāo)準(zhǔn)差σ分別為0.9857，841.7568，2.424。觀測值和計(jì)算值擬合較好，殘差在 ±2σ范圍內(nèi)。水壓分量對UP14水位的影響較大，且隨庫水位升降而周期性變化，而時效分量對UP14水位影響較小，且基本穩(wěn)定。如2008年10月28日，水壓分量所占比重為91.06%，時效分量所占比重為8.94%。

3.3 UP14測壓管水位異常成因分析

3.3.1 防滲墻或防滲墻與廊道接頭處存在薄弱部位

UP14水位主要受庫水位影響，壩基河床防滲墻深度較深，最深處為70.5m，采用“單反弧掃孔”工藝，而此工藝在當(dāng)時尚不成熟，很難全部消除接頭處三角區(qū)殘留物，個別槽段接頭部位在一定深度可能存在缺陷，另外，防滲墻采用廊道形式與心墻連接，在接頭部位應(yīng)力大，易產(chǎn)生裂縫［1］。初步判斷UP14測壓管水位異常的成因?yàn)?UP14對應(yīng)防滲墻段或防滲墻與廊道連接處存在局部薄弱部位，導(dǎo)致UP14水位較高且與庫水位相關(guān)。分析認(rèn)為上述原因是最有可能的。

3.3.2 測壓管內(nèi)存在巖層氣體侵入

在長期的地質(zhì)歷史過程中，一些地區(qū)深部巖體中會形成某種氣體，逐步向淺層運(yùn)動，富集于淺層巖層的孔隙及裂隙中［5］?；诖?，分析認(rèn)為磽磧地區(qū)淺層巖層孔隙及裂隙中富集著某種氣體，而測壓管UP14正巧與這些富集氣體的孔隙或裂隙存在細(xì)微通道，當(dāng)壩基巖體受力情況發(fā)生變化，或巖體中滲流狀態(tài)發(fā)生變化時，這些存在于巖層孔隙或裂隙中的氣體逸出，并侵入到UP14測壓管中，導(dǎo)致其壓力測值偏高。此外，巖層中也可能存在某種成分，在一定條件下會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生氣體，并侵入到UP14測壓管中，導(dǎo)致其壓力測值明顯偏高。現(xiàn)場測試時，擰開壓力表后，測壓管水體中夾帶有氣體，也證明測壓管內(nèi)確有氣體存在。

4 灌漿處理效果

為確保防滲墻的長期穩(wěn)定安全運(yùn)行，根據(jù)監(jiān)測分析資料，于2008年11月中旬至2009年2月中旬對測壓管UP14對應(yīng)防滲墻段進(jìn)行灌漿處理，之后在UP14附近鉆孔埋設(shè)滲壓計(jì)。

4.1 UP14水位

4.1.1 灌漿時

在2008年11月中旬至2009年2月中旬的灌漿過程中，UP14水位波動較大，特別是2008年11月19日、12月 20日(庫水位分別為 2138.56m、2135.10m)，UP14水位突然下降，分別下降10.71m、15.30m，后分別于11月20日、12月25日突然上升到下降前水平，并與庫水位同步變化，參見圖4。以上情況證明防滲墻存在缺陷，且灌漿已找到防滲墻缺陷的大概位置，但尚未完全封堵住滲漏通道。

4.1.2 灌漿后

2009年2月15日，灌漿處理結(jié)束后至同年3月底，UP14水位仍然較高，且隨庫水位下降而緩慢下降。2009年3月與灌漿前的2008年8月相同庫水位時相比，UP14水位低8m左右，說明灌漿處理起到一定效果，但十分有限，可能滲漏通道未完全封住。

圖4 灌漿處理及鉆孔過程中UP14水位過程線

2009年3～5月，在UP14附近鉆孔埋設(shè)滲壓計(jì)，其中2009年4月3日在UP14壩軸向3m處鉆孔時，UP14水位一天內(nèi)下降26.21m，之后基本穩(wěn)定在2024.71m左右，且與庫水位無關(guān)。換算成位勢，在2009年、2010年庫水位接近正常蓄水位2140.00m時，位勢均為5.50%，即防滲墻消殺了94.50%的水頭。

另外，擰開壓力表后，水中氣泡明顯減少，但仍然存在類似H2S的味道。

綜上所述，UP14水位在灌漿后并沒有明顯下降，而是之后在其附近鉆孔時才突然下降到與周圍地下水位相近水平，結(jié)合灌漿過程中UP14水位出現(xiàn)兩次突降突升現(xiàn)象，分析原因應(yīng)該是灌漿已封堵住防滲墻的主要滲漏通道。UP14水位在灌漿后緩慢下降與庫水位無關(guān)，應(yīng)是其所在部位排水不暢，導(dǎo)致水流消散較慢，當(dāng)在其附近鉆孔時，間接導(dǎo)致滲流通道暢通，才發(fā)生2009年4月3日UP14水位突然下降的現(xiàn)象。后期至今UP14水位較低且基本穩(wěn)定，表明灌漿處理具有明顯效果(見圖5)。

圖5 灌漿處理后UP14水位過程線

4.2 P12水位

滲壓計(jì)P12位于UP14左側(cè)約3m處，為2009年4月鉆孔埋設(shè)，其過程線見圖6。由圖6可知，P12水位與庫水位有一定關(guān)系，但水位不高且變化幅度不大，在2023.40～2028.40m之間，即正常蓄水位時防滲墻消殺了約92%的水頭，再次表明防滲墻灌漿處理效果明顯。

圖6 滲壓計(jì)P12水位過程線

5 結(jié)語

a.磽磧大壩防滲墻后縱0+227處布置的測壓管UP14水位較高且與庫水位關(guān)系密切，多元逐步回歸統(tǒng)計(jì)模型分析表明:庫水位是影響UP14水位的主要因素，防滲墻存在缺陷的可能性較大。

b.根據(jù)監(jiān)測分析資料并結(jié)合實(shí)際情況，針對性地對防滲墻進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)灌漿處理后，UP14水位迅速下降至與周邊地下水位接近且與庫水位無關(guān)，其左側(cè)3m處補(bǔ)埋的滲壓計(jì)P12水位隨庫水位升降在2023.40～2028.40m之間小幅周期性波動。說明灌漿處理已封堵住防滲墻的主要滲漏通道，灌漿處理效果明顯。

c.測壓管UP14水中存在類似H2S的味道，可能存在某種化學(xué)反應(yīng)。建議對上游庫水、防滲系統(tǒng)后包括UP14在內(nèi)的不同部位的地下水進(jìn)行水質(zhì)分析，進(jìn)一步確定化學(xué)反應(yīng)類型及對防滲墻是否會產(chǎn)生不利影響。

d.建議在加強(qiáng)觀測的同時，采取地質(zhì)雷達(dá)等必要補(bǔ)充手段對防滲墻可能存在的薄弱部位進(jìn)行進(jìn)一步檢測。同時，由于磽磧大壩采用的是“防滲墻通過廊道與心墻連接”的聯(lián)合防滲體系，三者的變形協(xié)調(diào)性對于大壩的防滲性能至關(guān)重要，因此，建議對“壩基防滲墻+廊道+心墻”的變形協(xié)調(diào)性及穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析。

1 王平，王曉東，王黨在等.磽磧水電站蓄水安全鑒定設(shè)計(jì)自檢報告［R］.成都:中水顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院，2006.

2 郞興學(xué)，崔會東，祈月.磽磧大壩滲流監(jiān)測成果初步分析［C］//周建平，宗敦峰、楊繼學(xué)，等.現(xiàn)代堆石壩技術(shù)進(jìn)展—2009.北京:中國水利水電出版社，2009.

3 黃銘.數(shù)學(xué)模型與工程安全監(jiān)測［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，2008.

4 方濤，張忠云，徐文彬.土石壩滲流監(jiān)測模型分析［J］.黑龍江水專學(xué)報，2007(4):28-30.

5 何金平，施玉群，盧秋生.古田溪四級大壩壩基揚(yáng)壓水位異常成因分析［J］.大壩監(jiān)測技術(shù)，2010(3):36-39.