嚴(yán)寒區(qū)水電站混凝土拱壩滲流初蓄—運(yùn)行期監(jiān)測(cè)成果分析

李秀文 趙向波 王 建

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.新疆額爾齊斯河投資開(kāi)發(fā)集團(tuán)有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

大壩安全問(wèn)題歷來(lái)受到各方的高度關(guān)注，其中滲流問(wèn)題是關(guān)注的重點(diǎn)。為評(píng)估拱壩滲流安全情況，在工程中多通過(guò)安裝滲壓計(jì)等監(jiān)測(cè)儀器，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析和現(xiàn)場(chǎng)巡視檢查結(jié)果，進(jìn)行綜合評(píng)判。拱壩蓄水后，壩體、壩基中將廣泛存在滲流現(xiàn)象，可能引發(fā)滲透破壞甚至對(duì)大壩整體安全產(chǎn)生威脅。因此，蓄水—運(yùn)行期的大壩滲流狀態(tài)是大壩安全運(yùn)行的重要關(guān)注對(duì)象，受到各方和專(zhuān)家學(xué)者的重視[1-5]。

混凝土拱壩是典型的超靜定結(jié)構(gòu)，巨大的庫(kù)水推力主要由拱端基巖的反作用力來(lái)支承。混凝土拱壩的防滲體系主要由壩基、兩岸防滲結(jié)構(gòu)、壩體組成。山口水電站拱壩地處嚴(yán)寒地區(qū)，空氣濕度低、風(fēng)速大、風(fēng)多、氣候干燥、蒸發(fā)劇烈，并且每年都要經(jīng)受高至38℃以上、低至-40℃的環(huán)境溫度變化。大壩澆筑期間，為有效解決環(huán)境因素引起的混凝土表面失水問(wèn)題，通過(guò)嚴(yán)格的溫控措施[6]，科學(xué)的工序安排，保證了層間結(jié)合質(zhì)量和可碾性。

工程在初蓄—運(yùn)行期的滲流監(jiān)測(cè)成果，可以有效反饋工程施工質(zhì)量情況。山口水電站拱壩在施工期建立了較為完善的大壩安全監(jiān)測(cè)體系，在施工期、初蓄—運(yùn)行期積累了較為完整的安全監(jiān)測(cè)資料。通過(guò)對(duì)滲流安全監(jiān)測(cè)成果的時(shí)空分析、特征值分析，可以較為準(zhǔn)確地掌握大壩滲流的變化規(guī)律和分布特征，可為大壩安全運(yùn)行提供保障。

1 工程概況

山口水電站大壩為常態(tài)混凝土雙曲拱壩，壩頂高程649m，最大壩高94m，建基面高程555m，拱冠梁底寬27.0m，厚高比0.287。水平拱圈采用拋物線變厚變曲率拱圈，拱冠梁上、下游面曲線均由擬合三次方程曲線組成。壩體每隔15m設(shè)置一道橫縫，將大壩分為22個(gè)壩段。拱壩泄水建筑物為泄水深孔及溢流表孔。壩內(nèi)分別在560m、595m、620m高程設(shè)置3層廊道。壩體混凝土25.75萬(wàn)m3、泄水深孔1.51萬(wàn)m3、泄水表孔1.51萬(wàn)m3。

2 滲流監(jiān)測(cè)布置

2.1 混凝土澆筑層面滲壓分布

大壩9號(hào)溢流壩段、左岸岸坡6號(hào)壩段、右岸岸坡13號(hào)壩段設(shè)置監(jiān)測(cè)中心斷面，每個(gè)中心斷面對(duì)應(yīng)設(shè)3個(gè)觀測(cè)截面，各觀測(cè)截面安裝滲壓計(jì)，共計(jì)36支；深孔壩段過(guò)水孔洞段設(shè)2個(gè)觀測(cè)斷面，滲壓計(jì)安裝在觀測(cè)斷面孔口四周，共計(jì)4支。

2.2 壩基揚(yáng)壓力

為監(jiān)測(cè)壩基帷幕前后縱橫向的揚(yáng)壓力分布情況，在縱向、橫向上布置安裝滲壓計(jì)、測(cè)壓管(管內(nèi)安裝滲壓計(jì))?？v向：上游帷幕前僅在三個(gè)主監(jiān)測(cè)壩段處布設(shè)測(cè)點(diǎn)，帷幕后每個(gè)壩段均設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)；橫向：在三個(gè)主監(jiān)測(cè)壩段建基面以下1.0m處，從上游到下游由密漸疏布設(shè)測(cè)點(diǎn)。

2.3 繞壩滲流

為監(jiān)測(cè)兩壩肩的滲壓分布情況，左右壩肩選兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，分別在649m高程廊道及620m、590m高程兩層排水洞內(nèi)鉆孔安裝滲壓計(jì)，共計(jì)安裝滲壓計(jì)10支。

2.4 滲漏量

為監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)、壩體、壩肩滲漏量，依據(jù)壩體及壩肩排水和匯集抽排情況，量水堰布置在560m高程廊道及壩基集水井前。

3 滲流監(jiān)測(cè)成果分析

3.1 壩基揚(yáng)壓力

揚(yáng)壓力折減系數(shù)的計(jì)算公式為[7]：

(1)

式中αi——第i個(gè)測(cè)壓孔的揚(yáng)壓力折減系數(shù)；

H1——上游水位，m；

H2——當(dāng)下游水位高于測(cè)孔對(duì)應(yīng)的壩基高程時(shí)，H2取下游水位；當(dāng)下游水位低于測(cè)孔對(duì)應(yīng)的壩基高程時(shí)，H2用壩基高程代替(山口工程壩后為水墊塘，無(wú)水墊塘水位觀測(cè)，在計(jì)算時(shí)下游水位預(yù)估為576：二道壩壩頂高程575m加1m)；

Hi——第i個(gè)測(cè)壓孔的實(shí)測(cè)水位，m。

3.1.1 縱向揚(yáng)壓力

由式(1)對(duì)揚(yáng)壓力折減系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

左岸3～6號(hào)壩段揚(yáng)壓水位基本和基巖高程接近。

從揚(yáng)壓力折減系數(shù)來(lái)看，大部分揚(yáng)壓力折減系數(shù)為負(fù)值，說(shuō)明揚(yáng)壓水位低于下游水位或壩基高程，最大揚(yáng)壓力折減系數(shù)僅為0.10，均未超過(guò)設(shè)計(jì)允許值(見(jiàn)表1)。

表1 縱向揚(yáng)壓力特征值統(tǒng)計(jì)

3.1.2 橫向揚(yáng)壓力

6號(hào)和9號(hào)壩段橫向揚(yáng)壓力普遍較小，大部分水頭在1m以下，最大水頭為7.81m。

13號(hào)壩段下游側(cè)Pj3-4測(cè)點(diǎn)揚(yáng)壓水頭最高，為18.94m(揚(yáng)壓水位584.94m)，水位變化受庫(kù)水位影響較小，與水墊塘水位相關(guān)性較為明顯(見(jiàn)表2)。

表2 橫向揚(yáng)壓力特征值統(tǒng)計(jì)

3.2 壩體滲壓

3.2.1 6號(hào)壩段

6號(hào)壩段625m高程共布置4支滲壓計(jì)，設(shè)計(jì)編號(hào)和距上游面距離分別為P1-9(1m)、P1-10(1.2m)、P1-11(2m)、P1-12(5m)。蓄水初期，四支滲壓計(jì)處于無(wú)壓狀態(tài)。自2015年9月14日起，庫(kù)水位上升至625m后，滲壓計(jì)P1-9監(jiān)測(cè)水位與庫(kù)水位出現(xiàn)同步變化，且水位高程與庫(kù)水位基本相同。其余3支滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)未出現(xiàn)明顯變化。說(shuō)明該壩段迎水面至P1-9附近存在一定的滲漏通道，滲漏通道在庫(kù)水位達(dá)到625m之前就已經(jīng)存在(見(jiàn)圖1)。

圖1 6號(hào)壩段625m高程滲壓計(jì)過(guò)程線

3.2.2 9號(hào)壩段

9號(hào)壩段581m高程共布置4支滲壓計(jì)，設(shè)計(jì)編號(hào)和距上游面距離分別為P2-5(1m)、P2-6(1.2m)、P2-7(2m)、P2-8(5m)。自2015年8月15日起，滲壓計(jì)P2-5、P2-6由無(wú)壓狀態(tài)轉(zhuǎn)為有壓，監(jiān)測(cè)水位隨庫(kù)水位上升而逐漸增大。2016年9月5日，庫(kù)水位達(dá)到630.84m時(shí)，P2-5、P2-6監(jiān)測(cè)折算水位分別為595.62m、596.24m，達(dá)到監(jiān)測(cè)最大值。此后兩個(gè)測(cè)點(diǎn)水位逐步下降，當(dāng)前基本無(wú)水。在該過(guò)程中滲壓計(jì)P2-7、P2-8均處于無(wú)壓狀態(tài)。

綜合4支滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)成果分析，9號(hào)壩段581m高程附近可能存在豎向或斜豎向裂縫。當(dāng)庫(kù)水位剛達(dá)到該高程附近時(shí)，水由裂縫處滲漏；隨著水位的持續(xù)升高，在拱壓力作用下，裂縫逐漸閉合，進(jìn)而上游兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的滲透水位有所降低。監(jiān)測(cè)成果表明，滲漏通道僅至P2-6(1.2m)附近，未進(jìn)一步擴(kuò)展。

9號(hào)壩段601m高程共布置4支滲壓計(jì)，設(shè)計(jì)編號(hào)和距上游面距離分別為P2-9(1m)、P2-10(1.2m)、P2-11(2m)、P2-12(5m)。蓄水初期至庫(kù)水位達(dá)到641.6m之前(2015年10月12日)，滲壓計(jì)多處于無(wú)壓狀態(tài)。之后上游測(cè)點(diǎn)P2-9監(jiān)測(cè)水位逐漸與庫(kù)水位同步變化。2016年、2017年測(cè)點(diǎn)P2-11、P2-12監(jiān)測(cè)水位也相繼上漲至庫(kù)水位附近，與庫(kù)水位正相關(guān)變化；測(cè)點(diǎn)P2-10變化相對(duì)較小。

通過(guò)各支滲壓計(jì)的變化規(guī)律分析，蓄水初期各測(cè)點(diǎn)均未有明顯變化，當(dāng)庫(kù)水位差達(dá)40m左右后，測(cè)點(diǎn)P2-9、P2-11、P2-12相繼增大，并最終與庫(kù)水位同步變化，說(shuō)明滲漏通道是一個(gè)漸進(jìn)發(fā)展的過(guò)程。當(dāng)前水位僅測(cè)點(diǎn)P2-11、P2-12處較高，表明滲漏路徑是在不斷發(fā)生變化的，滲漏通道并不通暢。

9號(hào)壩段625m高程共布置4支滲壓計(jì)，設(shè)計(jì)編號(hào)和距上游面距離分別為P2-13(1m)、P2-14(1.2m)、P2-15(2m)、P2-16(5m)。測(cè)點(diǎn)P2-13、P2-14在2015年9月19日，庫(kù)水位達(dá)到630.18m后出現(xiàn)監(jiān)測(cè)水位與庫(kù)水位同步變化的情況，測(cè)點(diǎn)P2-15自2017年2月起與庫(kù)水位同步變化，當(dāng)前3支滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)折算水位與庫(kù)水位幾乎持平，測(cè)點(diǎn)P2-16水位一直處于無(wú)壓狀態(tài)。說(shuō)明滲漏通道在蓄水過(guò)程中逐步擴(kuò)展，延伸至測(cè)點(diǎn)P2-15附近后，未再繼續(xù)延伸(見(jiàn)圖2)。

圖2 9號(hào)壩段625m高程滲壓計(jì)過(guò)程線

3.2.3 13號(hào)壩段

13號(hào)壩段581m高程共布置4支滲壓計(jì)，設(shè)計(jì)編號(hào)和距上游面距離分別為P3-1(1m)、P3-2(1.2m)、P3-3(2m)、P3-4(5m)。蓄水初期，4支滲壓計(jì)均處于無(wú)壓狀態(tài)，測(cè)點(diǎn)P3-1、P3-2監(jiān)測(cè)水位在2015年11月7日開(kāi)始突然增大，對(duì)應(yīng)庫(kù)水位644.67m(水頭差63.67m)，兩測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)最高水位分別為637.89m、635.11m(2016年11月1日)。

通過(guò)監(jiān)測(cè)成果分析，13號(hào)壩段上游側(cè)滲漏通道存在兩種情況：一是滲漏通道一直存在，但尚未擴(kuò)展至滲壓計(jì)安裝位置，或者由于壩體重力作用，滲漏通道緊閉，當(dāng)水頭差較大時(shí)，在水壓力作用下滲漏通道擴(kuò)展開(kāi)來(lái)；二是前期并無(wú)滲漏通道，在高水頭作用下，壩體出現(xiàn)裂縫逐漸形成滲漏通道。

從過(guò)程線分析，P3-1、P3-2測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)水位隨庫(kù)水位變化有一定的滯后，說(shuō)明壩體存在一定的阻滲，滲漏通道并不通暢。測(cè)點(diǎn)P3-3位置監(jiān)測(cè)有壓，而P3-4無(wú)壓，說(shuō)明滲漏通道未擴(kuò)展至P3-4位置(見(jiàn)圖3)。

圖3 13號(hào)壩段581m高程滲壓計(jì)過(guò)程線

3.2.4 綜合分析

對(duì)于出現(xiàn)滲漏通道的測(cè)點(diǎn)，結(jié)合附近安裝的溫度計(jì)、應(yīng)變計(jì)組等進(jìn)行綜合分析[8]，初步判斷滲漏通道成因如下：該壩處于嚴(yán)寒地區(qū)，年最大溫差達(dá)80℃，雖然采取了嚴(yán)格的溫控措施，但滲水部位應(yīng)變計(jì)組監(jiān)測(cè)成果表明，滲水部位附近有歷史最大拉應(yīng)力超過(guò)設(shè)計(jì)指標(biāo)(施工期主拉應(yīng)力小于0.5MPa)的情況，雖未超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度，但不排除上游面出現(xiàn)裂縫的可能性；冬季嚴(yán)寒致使上游側(cè)表面溫度較低，產(chǎn)生的拉應(yīng)力引起上游面混凝土出現(xiàn)裂縫。

雖然個(gè)別部位滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)成果出現(xiàn)異常，但綜合來(lái)看，滲漏通道擴(kuò)展深度都較小，對(duì)壩體整體安全性影響不大。

3.3 繞壩滲流

繞壩滲流監(jiān)測(cè)可監(jiān)控上游庫(kù)水繞過(guò)壩肩滲流到下游的情況。由監(jiān)測(cè)成果可知，蓄水后，繞滲水位總體變幅較小，與上游庫(kù)水位并無(wú)明顯的相關(guān)關(guān)系。大部分繞滲水位不高，最高水位為615.39m，發(fā)生在605m高程右岸灌漿平洞UPR-17測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)表3)。

表3 繞壩滲流測(cè)點(diǎn)特征值統(tǒng)計(jì)

3.4 滲漏量

壩體內(nèi)滲漏水均匯集到了壩基位置，壩基兩個(gè)量水堰WE1和WE2測(cè)得的最大滲漏量分別為1.96L/s(右岸壩段WE1)和0.90L/s(左岸壩段WE2)，最大總滲漏量為2.29L/s(折合每米滲漏量0.62m3/d)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，混凝土壩每米滲漏量一般要求在0.5m3/d，對(duì)應(yīng)本工程總滲流量為1.85L/s。從過(guò)程線可以看出，大壩總滲漏量大部分時(shí)段遠(yuǎn)低于該值，極個(gè)別時(shí)間段超出此值，且超出時(shí)間段較短。總體來(lái)看，大壩滲漏量不大(見(jiàn)圖4)。

圖4 壩基滲漏量與上游水位對(duì)比過(guò)程線

4 結(jié) 語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了山口水電站混凝土拱壩滲流安全監(jiān)測(cè)布置情況，基于滲流滲壓監(jiān)測(cè)資料，分別對(duì)大壩從初蓄期到運(yùn)行期的壩基揚(yáng)壓力、壩體滲壓、繞壩滲流、滲漏量情況進(jìn)行分析，主要結(jié)論如下：拱壩壩基縱向揚(yáng)壓力折減系數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求，橫向揚(yáng)壓力普遍較?。徊糠譁y(cè)點(diǎn)出現(xiàn)滲流異?，F(xiàn)象，與該壩處于嚴(yán)寒地區(qū)，溫差大、溫控難度大有關(guān)，總體不影響大壩安全運(yùn)行；蓄水后，繞壩滲流水位總體變幅較小，與上游庫(kù)水位無(wú)明顯的相關(guān)關(guān)系；大壩總滲漏量大部分時(shí)段遠(yuǎn)低于混凝土壩單寬流量經(jīng)驗(yàn)值。

綜上可知，山口水電站混凝土拱壩滲流監(jiān)測(cè)達(dá)到了設(shè)計(jì)目的，初蓄—運(yùn)行期滲流特性變化符合一般規(guī)律。大壩防滲及排水體系基本運(yùn)行良好，截至2019年4月25日，大壩處于滲流安全狀態(tài)。