河南省寶泉抽水蓄能電站下庫大壩滲流特征分析

李立平，李程程

(1.長江科學(xué)院 工程安全與災(zāi)害防治研究所，湖北 武漢 430010； 2.廣西大藤峽實(shí)業(yè)管理有限公司，廣西 南寧 530000)

0 引 言

為了緩解電力緊張，利用已建成的寶泉大壩改建為抽水蓄能樞紐下庫壩[1]。改建后最大壩高107.5 m，壩頂高程268.5 m，壩頂長508.3 m，總庫容6 850萬m3。

原寶泉大壩1973年開工建設(shè)，1975年8月砌體高程171.0 m(壩高10.0 m)時(shí)，因建設(shè)資金和原材料十分困難而被迫停止施工。當(dāng)月，河南發(fā)生歷史特大暴雨(以下簡稱“75·8”暴雨)，在按“75·8”暴雨規(guī)模進(jìn)行復(fù)核設(shè)計(jì)下，將原工程設(shè)計(jì)方案修改為加寬加高大壩斷面。 1976年10月按最終規(guī)模設(shè)計(jì)復(fù)工建設(shè)，1981年在施工壩高達(dá)50～51 m時(shí)，因國家基本建設(shè)調(diào)整和項(xiàng)目壓縮，寶泉大壩建設(shè)再次被迫停工。1989年10月再次復(fù)工，1993年大壩砌筑達(dá)到設(shè)計(jì)高程252.1 m，1994年4月工程竣工驗(yàn)收。2004年6月按照抽水蓄能下庫壩進(jìn)行加高加厚施工[1]，2007年1月7日大壩下閘蓄水，2007年7月31日大壩達(dá)到設(shè)計(jì)高程268.5 m[2]，工程開始正常運(yùn)行。

1 工程概況

寶泉抽水蓄能樞紐下庫壩位于河南省輝縣市以西約40 km的浴河高山峽口處，是太行山區(qū)東南邊緣峽谷與平原交接地帶。抽水蓄能工程由上水庫大壩、下水庫大壩、輸水系統(tǒng)及地下廠房群等建筑物組成[3]。下庫大壩包括擋水壩段、溢流壩段等建筑物[2]。

下庫壩壩頂長508.3 m，壩頂高程268.5 m，最大壩高107.5 m，擴(kuò)大庫容正常蓄水位260.0 m，相應(yīng)庫容6 750萬m3；死水位220.0 m，相應(yīng)庫容1 314萬m3。溢流壩段長109.0 m，堰頂高程257.5 m，上部設(shè)高3.0 m橡膠壩，壩頂自由溢流，下游采用挑流消能。下庫大壩改建工程主要包括[2]：① 大壩上游防滲面板基巖齒槽土石方開挖；② 原壩體高程249.1 m以上左右岸基礎(chǔ)開挖，在高程252.1 m以下邊坡開挖及錨桿混凝土支護(hù)；大壩迎水面從壩基到壩頂采用鋼筋混凝土防滲面板；③ 左右岸擋水壩段從下游高程212.0 m平臺漿砌石貼坡到252.1 m高程，而后從252.1 m高程新砌體砌到壩頂268.2 m；④ 溢流壩段從218.80 m高程平臺開始砌石，砌筑加高至設(shè)計(jì)高程254.5 m，大壩相對加高16.4 m。工程主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 寶泉抽水蓄能樞紐下水庫大壩主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of lower reservoir dam of Baoquan Pumped Storage Complex m

2 大壩防滲體系及監(jiān)測設(shè)施

2.1 大壩防滲體系

下庫大壩改建時(shí)，寶泉大壩為中國最高漿砌石重力壩，防滲問題是漿砌石壩改建的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)之一[4]。在結(jié)合原大壩混凝土隔墻防滲體的基礎(chǔ)上，采用在改建大壩迎水面增加鋼筋混凝土面板的措施，加強(qiáng)工程防滲作用。

2.1.1 老壩防滲體系

老壩在壩踵基礎(chǔ)齒槽至高程170.0 m布置C20的鋼筋混凝土墩體結(jié)構(gòu)，墩體寬10.15 m。鋼筋混凝土墩體增大壩基抗滑穩(wěn)定，還能對壩基起到防滲漏作用；在墩體170.0 m高程以上改用150號砂漿粗料石砌筑灌漿體作為防滲措施，厚度按水頭的1/20控制[3]，防滲墩體底寬10.15 m，頂寬1.20 m；在粗料石砌筑的灌漿防滲體和下游壩體砂漿砌塊石之間布置1.0 m厚C20混凝土隔墻，作為大壩的防滲措施(圖1)?；炷粮魤笤O(shè)有4層排水廊道，是壩體滲漏匯集的通道，基礎(chǔ)廊道集水井設(shè)有自動(dòng)抽排系統(tǒng)。

2.1.2 改建大壩防滲體系

寶泉抽水蓄能電站下水庫大壩采用鋼筋混凝土防滲面板結(jié)構(gòu)防滲，防滲面板底部按最大水頭的1/60控制[2]，混凝土采用C25并摻加聚丙烯纖維，設(shè)計(jì)面板厚度在壩底高程174.0 m為1.4 m，在174.0～190.0 m壩高之間厚度由1.4 m漸變?yōu)?.2 m，壩高190.0～220.0 m厚度由1.2m漸變?yōu)?.0 m，高程220.0 m以上厚度均為1.0 m[2](圖1)。新建壩段防滲面板嵌入建基面以下1.5 m，并與壩基防滲設(shè)施連成整體。防滲面板施工劃分44塊，1～7號面板布置左岸新建擋水壩段，8～19號布置在左岸擋水壩段，20～29號布置在溢流壩段上，30～41號布置在右岸擋水壩段上，42～44號布置在右岸新建擋水壩段上。防滲面板每倉澆筑高度為4.0～6.0 m，倉與倉之間保持同步施工。為避免高差過大，在混凝土澆筑時(shí)，采用止水部位混凝土先上升，其余部位混凝土滯后跟進(jìn)的辦法施工，以確保伸縮縫處止水不位移、變形。

2.2 大壩滲流監(jiān)測儀器布置

由于原寶泉水庫大壩監(jiān)測數(shù)量少且設(shè)施老化，不能滿足當(dāng)前工程監(jiān)測的需要。在改建下水庫大壩設(shè)計(jì)方案中，針對抽水蓄能電站發(fā)電抽水而引起下水庫頻繁聚升聚降水位運(yùn)行工況，同時(shí)要考慮庫水位壓力和壩體滲漏對大壩穩(wěn)定的影響，結(jié)合漿砌石重力壩防滲要求，選擇代表性斷面布置監(jiān)測儀器。將左岸19號壩段、右岸31號壩段作為擋水壩段的重點(diǎn)監(jiān)測斷面，左右岸監(jiān)測壩段可相互比較，有針對性地布置滲漏監(jiān)測儀器：① 為掌握鋼筋混凝土防滲面板防滲效果，在高程176.0，192.5 m和224.0 m面板后各布置1支滲壓計(jì)監(jiān)測儀器，了解面板不同高程滲漏情況；② 為了解新老壩體銜接部位滲流情況，在新舊結(jié)合部布置1支滲壓計(jì)進(jìn)行監(jiān)測；③ 為了解加高加寬壩體內(nèi)的滲流情況，在大壩新砌體部位布置1支滲壓計(jì)儀器，大壩滲流監(jiān)測儀器布置如圖1所示，儀器埋設(shè)部位統(tǒng)計(jì)見表2。此外，在大壩不同高程廊道內(nèi)布置4個(gè)量水堰，監(jiān)測壩體總滲流量。

圖1 大壩防滲監(jiān)測布置示意Fig.1 Dam seepage monitoring layout

3 大壩滲流成果與監(jiān)測分析

3.1 大壩滲流監(jiān)測成果

3.1.1 左岸擋水壩段

水庫蓄水以來，依據(jù)土石壩監(jiān)測規(guī)范和大壩管理運(yùn)行技術(shù)要求進(jìn)行常態(tài)化觀測[5]，遇大到暴雨及時(shí)加密觀測。通過監(jiān)測資料特征值分析，2016年7月峽谷流域普降大到暴雨，7月19日降雨最大達(dá)到232 mm/d，下水庫水位以3.0 m/h速度急劇上漲，入庫流量最大達(dá)到1 664 m3/s。在庫水位達(dá)到261.58 m時(shí)(溢流壩面高257.50 m)大壩開始泄洪，泄流量最大為1 377 m3/s，是大壩竣工以來最大泄流工況。左岸19號壩段混凝土防滲面板高程174.0 m的P2-19、高程192.0 m的 P2-20和高程223.5 m高程的P2-22滲壓計(jì)實(shí)測滲壓水頭分別為27.13，24.76 m和11.79 m，混凝土面板背后不同高程滲壓計(jì)測得水位上升，滲壓水頭升降滯后于庫水位變化(圖2)。由圖可知，面板和壩體之間有滲壓水活動(dòng)；在19號壩段新舊砌體結(jié)合部位、壩高223.5 m和213.5 m的滲壓計(jì)P2-23和P2-21實(shí)測滲壓值為0，新舊接合處未有滲水活動(dòng)；在壩高223.5 m埋設(shè)的P2-24滲壓計(jì)儀器，基本未測出明顯的滲水現(xiàn)象。

圖2 左岸19號壩段面板滲壓水位過程線Fig.2 Seepage water level process line of No.19 dam section on left bank

3.1.2 右岸擋水壩段

右岸31號壩段監(jiān)測布置與左岸19號壩段相同，對左右岸監(jiān)測成果進(jìn)行比較和綜合分析。在壩高193.80 m和223.50 m面板處布置P2-49和P2-51監(jiān)測儀器。2016年7月19日庫水位達(dá)到261.58 m時(shí)，儀器P2-49和P2-51監(jiān)測滲壓水頭為44.12 m和7.36 m，換算水位高程分別為237.92 m和230.86 m，如圖3所示。面板后明顯存在水壓力，面板和壩體之間存在水壓活動(dòng)；31號壩段壩高223.5 m和213.5 m處沿新舊砌體之間的P2-23和P2-21儀器，觀測滲壓值為0，新舊接合處未有滲水活動(dòng)；在新砌壩體的P2-53儀器，滲壓水也反映為0。

圖3 右岸31號壩段面板滲壓水位過程線Fig.3 Seepage water level process line of the No.31 dam section on right bank

3.1.3 大壩滲流量

大壩廊道內(nèi)共布置了4套量水堰，2008年12月在高程164.0 m廊道改造設(shè)置排水孔，高程176.0 m廊道以下壩體滲水經(jīng)排水孔排出，并在孔口采用容積法進(jìn)行監(jiān)測。左岸176.0 m排水廊道在2007年8月蓄水初期的最大滲流量為32.92 L/s，是由施工遺留部分用水等因素造成，不代表大壩實(shí)際滲流量，而后歷年監(jiān)測滲流量均小。2017年11月21日監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：左岸高程176.0 m以上壩體滲漏量為0.22 L/s[6]，右岸高程176.0 m以上壩體滲漏量為0，高程176.0 m以下壩基滲漏量為0.59 L/s(表3)，總滲流量小于設(shè)計(jì)滲流量23.056 L/s(83 m3/h)[2]，大壩滲流量處于正常狀態(tài)。

表3 大壩廊道滲流監(jiān)測成果特征值Tab.3 Characteristic value of seepage monitoring results of dam corridor

3.2 大壩滲流和面板裂縫特性

寶泉大壩多年滲壓水位監(jiān)測資料揭示：在庫水位急劇上升或下降工況下，防滲面板與壩體間滲壓水位均在10.37～44.35 m范圍變化。研究庫水通過防滲面板局部裂縫的滲透規(guī)律，并對鋼筋混凝土防滲面板裂縫滲透原因進(jìn)行分析。

3.2.1 施工期裂縫引起滲漏

在寶泉大壩上游面增設(shè)鋼筋混凝土防滲面板是改建工程的主要措施之一，使壩體滲漏量控制在漿砌石重力壩規(guī)范要求范圍內(nèi)。大壩防滲面板混凝土采用C25并摻加聚丙烯纖維。按壩高劃分面板共28塊(條)，8～19號面板布置在左岸擋水壩段，30～41號面板布置在右岸擋水壩段，防滲面板嵌入建基面以下1.5 m，并與壩基防滲設(shè)施連成整體。防滲面板每倉施工高度為4.0～6.0 m，澆筑時(shí)倉與倉之間保持同步，避免高差過大。在施工混凝土澆筑時(shí)，為確保伸縮縫處止水不位移、變形，采用止水部位混凝土先上升，其余部位混凝土滯后跟進(jìn)的施工方法。大壩下閘蓄水驗(yàn)收檢查發(fā)現(xiàn) 6號、13號、18號和19號面板發(fā)生裂縫，裂縫基本呈垂直方向、自上而下延伸，裂縫一般寬0.1～4.0 mm左右(表4)。蓄水前對裂縫進(jìn)行騎縫貼嘴化學(xué)處理，但隨著蓄水水位逐漸上升，大壩面板受力較大，整體受力不均勻，水位高程以下面板受力較大，水位以上面板受力較小，鋼筋混凝土面板是彈性變形體，易造成水壓力浸濕面板裂縫或滲透。裂縫化灌材料已逐漸老化，裂縫呈張開趨勢，導(dǎo)致面板有滲漏點(diǎn)。2016年8月4日庫水位上升257.29 m時(shí)，滲壓監(jiān)測水位上升43.90 m，面板與壩體之間滲壓水頭相應(yīng)上升，由圖2～3面板滲壓水位與時(shí)間過程線可以看出，當(dāng)庫水急速上升后，面板與壩體滲壓水頭也相應(yīng)上升。

表4 大壩鋼筋混凝土防滲面板施工期裂縫統(tǒng)計(jì)Tab.4 Statistics of reinforced concrete panel cracks during construction

3.2.2 新老壩體不均沉降

大壩底部向上游伸出，壩基筑砌石臺階突出寬2.0～4.0 m，最大臺階高17.0 m左右。1993年老壩竣工后，壩體沉降變形趨于穩(wěn)定。上部新砌壩體仍處于沉降變形階段，新老壩體沉降速率不一致，導(dǎo)致鋼筋混凝土面板裂縫。為此，布設(shè)單層Φ14@150鋼筋網(wǎng)；面板與壩體間采用Φ22錨筋連接，間排距1 m，單根長2.7～3.0 m，伸入壩體1.5 m，面板表層用鋼筋網(wǎng)焊接連接。充分考慮新老壩體膠結(jié)效果，面板處于整體受力狀態(tài)，在老壩高程251.85 m與新砌壩體結(jié)合處設(shè)置Φ25@200三層并縫鋼筋加固。面板伸縮縫在正常蓄水位以下設(shè)2道止水，以上設(shè)1道止水。2007年7月施工達(dá)到設(shè)計(jì)高程，加高壩體運(yùn)行期仍處于沉降階段。兩個(gè)不同介質(zhì)變形差異，即新老混凝土銜接面約束變形差異，導(dǎo)致面板局部呈不規(guī)則裂縫。

3.2.3 不均勻約束變形引起面板裂縫

改建施工對迎水面及壩頂作平整處理，接觸界面較大，壩體迎水面砌石凹凸?fàn)?，壩頂局部極不平整。新砌體受老壩體約束，混凝土面板收縮變形大。新老壩體本身受漿砌石物質(zhì)自重作用，加高壩體處于沉降期，所以上部面板混凝土變形也大。老壩體頂部砌石平整處理困難，使接觸面應(yīng)力集中，面板產(chǎn)生裂縫。此外，在面板施工過程中，混凝土受到養(yǎng)護(hù)條件限制、河谷風(fēng)大、年度溫差變化大等因素影響，面板發(fā)生局部裂縫。在水庫蓄水前檢查左岸擋水壩段19號面板有5條裂縫，右岸擋水壩31號段1條裂縫，裂縫基本呈垂直走向，裂縫寬度0.2～0.3 mm，裂縫長3.5～24.5 m。

3.2.4 彈模差異導(dǎo)致混凝土面板裂縫

新老壩體混凝土彈性模量差異，也是引起裂縫產(chǎn)生的另一因素。由大壩蓄水驗(yàn)收資料可知，河床壩段高程174 m平臺為老壩混凝土，防滲標(biāo)號為C20，混凝土彈性模量為6.5～7.5 GPa；高程174 m平臺以上增設(shè)的混凝土防滲面板，彈模為5.0～9.0 GPa。為了使壩體強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，對大壩進(jìn)行三維靜動(dòng)力計(jì)算，分析結(jié)果表明，在高程174 m部位會出現(xiàn)拉應(yīng)力。為保持膠結(jié)處混凝土結(jié)合效果、減少老混凝土面約束力、限制出現(xiàn)裂縫，在高程174 m平臺接觸處做鑿毛處理?；炷翉椥阅Ａ吭酱?，混凝土抗壓強(qiáng)度越大，混凝土受彎構(gòu)件剛度也越大，構(gòu)件產(chǎn)生擾度越小，故新澆混凝土變形大。在水庫蓄水前在檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)膠結(jié)處面板已出現(xiàn)裂縫，印證了彈模差異與裂縫產(chǎn)生的關(guān)系。

3.3 大壩滲流敏感性分析

3.3.1 混凝土面板局部滲漏

在大壩防滲面板不同高程的滲壓計(jì)滲壓值伴隨庫水位上升而明顯增大。2007年1月水庫蓄水前，基本未測出滲壓值。2008年1月4日水庫蓄水至254.17 m時(shí)，左岸19號壩段P2-19儀器滲水水頭為63.99 m，換算水位高程為239.99 m，滲壓水頭低于庫水位14.18 m；右岸31號壩段P2-49測出滲壓水頭為251.70 m，低于庫水位2.47 m。防滲面板施工期受大氣溫度影響，混凝土結(jié)構(gòu)干燥，面板施工裂縫滲水性較強(qiáng)烈。當(dāng)面板常年被庫水位淹沒達(dá)到飽和后，滲壓儀器透水性也處于飽和狀態(tài)，溫度影響面板裂縫滲漏量，表現(xiàn)為低溫度裂縫張開，滲水量大，高溫時(shí)裂縫收縮，滲壓水頭減小。如2016年7月19日庫水位261.58 m，P2-19和P2-49滲壓相應(yīng)水位為203.59 m和238.15 m，低于庫水位53.73 m和19.15 m，滲壓水頭滯后庫水位也說明這一點(diǎn)。

3.3.2 防滲體防滲作用

原水庫在距大壩上游面1.5 m位置布置的防滲體系為混凝土隔離墻結(jié)構(gòu)。防滲墻厚度按水頭的1/20控制，在壩高170.0 m以下隔離墻采用C20混凝土；170.0 m以上改為150號砂漿粗料石砌筑灌漿作為防滲體。墻基底寬10.15 m，頂寬1.2 m；壩體石塊采用為C15二級配混凝土砌石砂漿灌漿，使混凝土隔墻與壩體起到防滲作用。在左右壩段壩體的P2-21、P2-23、P2-50和P2-52儀器測定滲壓值基本為0，說明壩體內(nèi)無滲漏情況，老壩防滲體系隔離體具有防滲功能。

3.3.3 大壩滲流量較小

為了全面掌握大壩滲漏情況，在壩體基礎(chǔ)廊道安裝了4座量水堰。10余年滲流監(jiān)測成果表明，大壩滲流量均勻穩(wěn)定，廊道滲流量較小。如2016年8月4日水庫水位為257.29 m(蓄水最高水位值)時(shí)，廊道總滲漏量0.90 L/s，均小于設(shè)計(jì)滲流量23.056 L/s[4](83 m3/h)[6]。大壩滲流量未超出漿砌石重力壩滲漏的規(guī)范要求。

4 結(jié) 語

寶泉抽水蓄能電站下水庫大壩10余年滲流滲壓監(jiān)測成果表明，雖然混凝土面板施工期產(chǎn)生裂縫引起滲壓值增大，但改建大壩混凝土防滲面板與老壩隔墻防滲體起到了共同防滲作用[4]。滲流監(jiān)測資料反映大壩滲流量只局限于上游面板和防墻體之間，新老壩體膠結(jié)處無滲水活動(dòng)。大壩基礎(chǔ)廊道滲流量很小，總滲漏量控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，大壩工作性態(tài)正常。