基于原型监测的广西乐滩电站大坝渗流特性分析

胡 波

［南瑞集团公司（国网电力科学研究院），江苏省南京市 210003］

基于原型监测的广西乐滩电站大坝渗流特性分析

胡 波

［南瑞集团公司（国网电力科学研究院），江苏省南京市 210003］

基于原型监测实测数据，采用时程曲线、分布图、特征值统计、相关分析、数学模型定量分析等方法相结合，对广西乐滩电站运行期大坝坝基扬压力的时空演化规律进行分析和评价。分析表明，扬压水位岸坡部位明显高于河床坝段，幕前测点高于幕后测点。帷幕后测点水位与下游水位高度正相关，下游水位是影响幕后测点扬压力变化的最主要因素，上游水位、温度、降雨和时效等因素影响均较小。综合分析认为，乐滩坝基扬压力测值变化平稳，幕后测点扬压折减系数未超出控制指标，幕后测点扬压力受上游库水位影响较小，说明上水库与坝基之间没有大规模的渗漏通道，坝基扬压力规律正常，大坝处于安全状态。

原型监测；渗流；时空演化；统计模型

0 引言[1]

扬压力是重力坝强度和稳定计算中的重要荷载［1，2］。大坝建成蓄水后，在上下游水位差的作用下，将在坝基产生渗流。渗流将对坝基产生向上的扬压力，减少了大坝的有效重量，对坝基抗滑稳定产生不利影响。正确认识坝基扬压力特性将直接影响到工程的安全性和经济性，具有重大的工程价值和科学意义［3,4］。

在众多的评价手段中，原型监测是最直观、可信的方法之一［5］。模型试验受加载技术的限制，扬压力或渗水压力一直难于模拟；纯理论的力学分析成果也难于直接应用于工程实践，存在力学模型难于简化、边界条件难于准确确定等困难；数值模拟在计算参数选取、不连续面特性描述等方面也存在困境。原型监测及分析是了解大坝工作状态、监控大坝安全重要而传统的手段，在坝工界历来受到广泛重视［6-13］。坝基扬压力常埋设测压管进行监测，必要时，亦可在管内放置渗压计进行监测［14］。

本文基于原型监测成果，总结和归纳了乐滩坝基扬压力的时空演化规律，并从中提炼了若干需要重点关注的“焦点”问题。针对这些问题，运用特征值统计、时间历程线分析、物理成因建模分析、综合比较等方法进行分析和探讨，总结了坝基扬压力变化规律，分析了扬压力的主要影响因素、作用机制及发展趋势，在此基础上对乐滩坝基的渗流稳定性进行了评价。

1 工程概况

红水河乐滩水电站位于广西忻城县红渡镇上游3km，电站是在原坝址上扩建的一座以发电为主，兼有航运、灌溉等综合利用效益的大（Ⅱ）型水电工程，总装机容量600MW。水库总库容9.5亿m³，具有日调节能力。主要建筑物有拦河坝、河床式厂房、左岸边坡、船闸及开关站等。

坝址河道为纵向U形河谷，区域构造情况相对稳定，岩层走向与河流大体一致，发育的断层规模较小，以层间错动为主。

坝基岩体以中厚层灰岩为主，多为弱风化～微风化，岩体较完整，地下水一般为溶隙、裂隙性渗透，局部有小溶洞渗流现象［15,16］。

2 原型监测设计

2.1 设计原则

监测系统设计主要遵行了以下原则［17-19］：

（1）目的明确，需求导向。主要目的是为了分析坝基扬压力，了解扬压力的时空分布规律，为物理成因分析、稳定性评价提供基础数据保障，监测项目设置和测点布置以满足分析需求为导向。

（2）系统布置，重点突出。按规范要求，结合工程实际，统筹安排监测项目和测点，做到监测项目全面、空间布局合理，同时对关键部位进行重点监测，尽可能满足不同工况和极端工况下的监测需求。

（3）兼顾技术的可靠性、实用性和先进性。选择耐久、可靠、实用的仪器，力求先进和便于实现自动化。

（4）恰当的经济合理性。在保证分析需求的前提下，优化设计，力求以最少的投入取得最好的监测效果。

2.2 测点布置

坝基扬压力采用在测压管中安装渗压计进行观测，根据各个测压孔水位的不同变化规律，选用0.07Mpa、0.175Mpa、0.35Mpa、0.7Mpa四种规格。测值符号规定水位升高为正。

选择3个典型观测横断面，即在4号机右侧横向基础廊道、2号机左侧横向基础廊道内和6号坝横向廊道内各设一个断面，在帷幕前设1个测点，帷幕后设3个测点；其他机组坝段在帷幕后各设一个测点。共设32个扬压力观测点，测压管钻孔深度至坝基岩下1m，测点布置如图1所示。

图1 测点布置图Fig.1 Layout of the monitoring points

3 成果分析

3.1 扬压力时间演化规律

上水库正常蓄水位112m，死水位110m，2007年以后上库水位变化幅度较小（年变幅3.4m），相比而言下游水位变化较明显（年变幅27.0m）。灌浆帷幕前和帷幕后的测点扬压力呈现出截然不同的变化规律，典型过程线如图2所示。

图2 扬压水位典型过程线Fig.2 The hydrograph of uplift pressure

幕前测点C4-1部位的扬压水位高程略低于上游水位，测值变化明显受上游库水影响，2007年以后测值变化不大（年变幅3.2m）。幕后测点C4-3部位的扬压水位测值与下游水位的相关性较高，相关系数达0.74，部分时段水位甚至略低于下游水位（渗压系数为负值）。扬压水位与上下游水位的相关分析成果见表1。

表1 扬压水位与上下游水位相关系数表Tab.1 Correlation coefficient between uplift pressure and water level

可以看出，幕前测点扬压水位高程大于幕后测点，符合一般规律。幕后测点扬压水位高程与上游水位的相关性低，经计算发现幕后测点渗压系数均未超过设计控制指标。这说明上游帷幕的隔水作用较好，上库水与坝基之间没有大规模的渗漏通道，这对大坝安全是有利的。

3.2 顺河向扬压分布规律

典型溢流坝段（6号坝段）和机组坝段（4号机）顺河向扬压力监测布置情况如图1所示，典型时刻（以2008年11月6日数据为例）扬压水位高程分布情况如图3所示，扬压水位高程与上下游水位相关分析结果如表2所示。

图3 扬压水位高程分布图Fig.3 The distribution of uplift water level

表2 扬压水位高程与上下游水位相关系数表Tab.2 Correlation coefficient between uplift pressure and upstream and downstream water level

由图3和表2可以得到以下几点认识：

（1）各监测横断面测点扬压水位高程较低，幕后测点水位高程明显低于下游水位，说明该部位大坝上游的隔水、排水系统运行良好。计算出的渗压系数为负值，低于控制指标0.25，满足设计要求。

（2）溢流坝段靠近下游面的扬压水位高程甚至高于上游测点，说明帷幕隔水作用良好，该监测断面幕后测点坝基扬压主要受下游水位影响。结合过程线图分析，2008年6月15日、2008年11月7日、2009年7月5日下游水位过程线出现3个波峰，测点扬压水位高程与之对应的亦出现3个波峰，有较强的关联性，也印证了该断面测点扬压主要受下游水位影响这一结论。

（3）2008年1月以来，下游水位对溢流坝段扬压水位高程的影响明显高于上游水位，扬压水位高程与下游水位最大相关系数达0.88（B6-3）。

（4）溢流坝段幕前测点B6-1扬压很小，应该与监测部位上游的旧溢流坝的阻水作用有关。

以6号坝段2008年11月6日数据为例，扬压力及坝体自重应力、水压等分布情况如表3和图4所示。可以看出，该断面的扬压力不容忽视，扬压力与坝体总压应力比例最大值达32.5%（B6-4）。靠近下游的测点扬压力与坝体总压应力比例高于上游，这也进一步验证了该断面下游水位对扬压力影响较大的结论。

表3 6号坝段2008年11月6日扬压力测值Tab.3 The uplift pressure data at monolith 6 on Nov.6,2008

3.3 横河向扬压分布规律

2008年1月以来横河向各测点渗压系数特征值分布情况如图5所示。以2009年9月29日测值为例，横河方向扬压水位高程的空间分布情况如图6所示。

由以上图表可以得到以下几点认识：

总的来看，2008年1月以来，绝大多数坝段幕后测点的渗压系数未超过设计控制指标，且大部分测点测值平稳，扬压水位高程变化小，表明坝基幕后各测点的扬压力总体正常。

图4 6号坝段扬压力分布图Fig.4 The distribution of uplift pressure at monolith 6

图5 渗压系数特征值分布图Fig.5 The distribution of seepage coefficient maximum and minimum value

图6 横河向扬压水位高程典型分布图Fig.6 The distribution of uplift water level along the dam axis

从空间分布规律来看，岸坡部位扬压水位高程明显高于河床坝段，经过与水位过程线进行对比发现，岸坡坝段扬压水位高程与上游水位无明显相关性，这与两岸的地下水补给有关。

3.4 建模分析

影响坝基扬压力大小的主要因素有上游水位W1、下游水位W2、坝基温度T、降雨入渗P和时效t［2］。结合乐滩实际情况，扬压水位高程H统计模型可表示为：

式中：HW1、HW2、HT、HP和Ht——分别为上游水位、下游水位、温度、降雨量和时效分量；

H0——测点高程；

θ——观测日至始测日的累计天数除以100；

Ai、Bi、Ci、Di和Ei——待定系数。

以C4-3测点2008年7月1日至2009年10月1日期间的监测数据为例，运用偏最小二乘法进行回归分析，模型拟合值、实测值及残差对比情况如图7所示，扬压水头各影响因素分量如图8所示。数学模型复相关系数为0.97，模型相对精度优于1%（相对精度为剩余标准差与测值变幅的比值），模型计算值与实测值十分接近，这说明模型有较高的精度。下游水位分量变幅约为15m，对扬压的贡献比例约94.2%（见表4）。

图7 数学模型拟合值与实测值对比Fig.7 The comparison between observation value and mathematical model value

图8 各影响因素水头分量过程线图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，下游水位是影响测点C4-3扬压力变化的最主要因素，其对扬压力的贡献比例最高，占93.8%；上游水位、温度、降雨和时效等因素影响均较小，这与过程线图定性分析的成果较为吻合。

时效分量的变化发展通常与基岩及防渗体微结构、材料徐变等因素有关，一定程度上反映了大坝的运行状态。由图8可知2008年以来，扬压力时效分量变化极小，趋于稳定，这对大坝安全是有利的。

4 结束语

本文运用概化力学分析、时空分布分析、数学建模定量分析等多手段相结合的方法，对乐滩大坝运行期坝基渗流特性进行了深入分析，主要得到以下几点认识：

（1）从时间演化规律上看，帷幕前测点的扬压水位高程略低于上游水位，测值变化明显受上游库水影响，2007年以后测值变化不大（年变幅3.2m）。帷幕后测点的扬压水位测值与下游水位的相关性较高，部分时段水位甚至略低于下游水位。

（2）顺河向扬压水位高程空间分布规律，大部分幕前测点扬压水位高程大于幕后测点，帷幕后测点的扬压折减系数均低于设计控制指标，说明大坝隔水、排水系统运行良好。部分测点扬压折减系数为负值，主要因为该测点水位高程低于下游水位的缘故。

（3）横河向扬压水位高程空间分布规律总体来看，岸坡部位扬压水位高程明显高于河床坝段，经过与水位过程线进行对比发现，岸坡坝段扬压水位高程与上游水位无明显相关性，这与两岸的地下水补给有关。

（4）相关分析和数学模型定量分析均表明，下游水位是影响乐滩坝基帷幕后测点扬压力变化的最主要因素，其对扬压力的贡献比例最高（大于90%）；上游水位、温度、降雨和时效等因素影响均较小，这与过程线图定性分析的成果也较为吻合。扬压力时效分量趋于稳定，变化极小。

（5）综合分析表明，乐滩坝基扬压力测值变化平稳，幕后测点扬压折减系数未超出控制指标，幕后测点扬压力受上游库水位影响较小，说明上水库与坝基之间没有大规模的渗漏通道，坝基扬压力处于可控状态，未见危及大坝安全的大规模异常现象，大坝目前处于安全状态。

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胡 波（1980—），男，博士后、高级工程师，博士研究生，主要研究方向：水工结构及岩土工程安全监测理论、方法及应用。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 学科代码：570.25

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

国家自然科学基金资助项目（51139001）；国家人力资源与社会保障部留学人员科技活动择优资助项目（2009003）；江苏省自然科学基金资助项目（BK2009479）；江苏省博士后科研资助计划（1101049C）。