关于大坝扬压力及其降低措施的几点思考

穆平 邓湘吉

摘  要：非洲某碾压混凝土重力坝最大坝高120m，坝顶长度1164m，混凝土总量353万m3。该大坝基础地质情况复杂，河床坝段坝基为寒武纪辉绿岩，两岸坝肩为奥陶纪砂岩，地质条件复杂，导致大坝稳定性分析和基础处理难度均较大。在与国际咨询工程师讨论大坝抗滑稳定性问题过程中，深感双方在扬压力及其降低措施等观念上存在差异。文章重点阐述扬压力形成的原理和本工程对于不同地质条件降低扬压力所采用的措施。

关键词：渗透压力;渗透场;重力坝;降低扬压力措施

中图分类号：TV698.1+2    文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）14-0115-03

Abstract： The maximum height of a roller compacted concrete gravity dam in Africa is 120 m， the length of the top of the dam is 1164 m， and the total amount of concrete is 3.53 million m3. The geological conditions of the dam foundation are complex， the dam foundation of the riverbed dam section is Cambrian diabase， and the abutment of the dam is Ordovician sandstone， and the geological conditions are complex， which leads to the difficulty of dam stability analysis and foundation treatment. In the course of discussing the anti-sliding stability of the dam with the international consulting engineers， it is deeply felt that there are differences between the two sides in the concepts of uplift pressure and its reduction measures. This paper focuses on the principle of uplift pressure formation and the measures adopted in this project to reduce uplift pressure under different geological conditions.

Keywords： osmotic pressure; osmotic field; gravity dam; measures to reduce uplift pressure

1 概述

某工程碾压混凝土重力坝最大坝高120m，坝长1164m，自左至右分别是：423.45m长左岸挡水坝段（17个坝段）、97m长发电引水坝段（5个坝段）、60m长导流底孔坝段、25m长泄洪底孔坝段、173.55m 长溢流坝段和385m 长右岸挡水坝段。

该碾压混凝土重力坝辉绿岩坝基灌浆帷幕和排水帷幕的布置：上游灌浆廊道中间设置一道主帷幕，间距2m;在主帷幕上游0.8m设置一道副帷幕，向上游倾斜3度，间距2m;主帷幕下游1m设置一道坝基排水孔，向下游倾斜15度，间距3m，孔径110mm;河床坝段下游交通廊道设置一排垂直排水孔，间距3m，孔径110mm。

该碾压混凝土重力坝砂岩坝基灌浆帷幕和排水帷幕的布置：上游灌浆廊道中间设置一道帷幕灌浆，间距2m;灌浆帷幕下游1m设置一道排水帷幕，向下游倾斜15度，间距3m，孔径110mm。

2 大坝扬压力的形成原理

扬压力（Uplift Pressure）：指建筑物及其地基内的渗水，对某一水平计算截面的浮托力与渗透压力之和。挡水建筑物的扬压力是在上、下游净水头作用下形成的渗流场和浮托力之和，是静水压力派生出来的荷载。

浮托力（Buoyant Force）：即浮力，根据阿基米德浮力原理，物体放入水中，排出水的重力即为水给物体的浮力。大坝浮力公式是F浮=ρ水gV（V是指坝体淹没体积）。

渗透压力（Seepage Pressure，）：渗流压力是指液体在渗流时所产生的动水压力（Hydrodynamic pressure）。坝（闸）基渗流时所产生的渗流压力分布于整个坝底轮廓上，并与坝底轮廓垂直，此种渗流压力对坝的稳定不利。

图1深色区域为渗透压力典型分布，实际分布应通过监测仪器测得。坝基面渗透压力最大处应在坝踵处，约等于坝前水头（210-坝基高程）m。因坝趾处无水头，坝趾处水头为0m，即渗透压力为0m水头。坝趾与坝踵之間的渗透压力受地质情况影响较大，设计阶段计算时一般假设为一条斜直线（如图1）。单宽坝段坝基渗透压力与深色阴影面积成正比，即坝基面渗透压力可用F渗透=0.5kA（A为深色区域面积，k=ρ*g*1为常数）表示。A与坝前水位和坝后水位成正比，即A=（H坝前-H坝后）L，（L为坝基长度，受扬压力作用的坝基长度）。

渗流场（Seepage Field）：研究渗流问题时，将压力相等的点连成线即等压线（图2坝基中的虚线），与等压线垂直的线为流线（图2坝基中的实线），等压线和流线所组成的图称为渗流的水动力学场，也可以叫做渗流场。图2为理论化标准渗流场，实际渗流场受地质情况影响较大。

动水（Moving Water）：为什么水会在坝基内运动，而且是从上游坝前水库底部向下游运动，根本动因是因为渗流场的存在，就像电磁场和引力场，水分子为质点，在渗流场中从高势能区域向低势能区域运动。

无渗透压力差的情况，即大坝上、下游水位相等（不考虑山体地下水对河床的补充），水会处于静止状态。就像在电磁场中，电子有从势能高位向低位运动的趋势，即有势能差就会导致运动趋势。图2中虚线为渗流场等应力线，应力线之间存在势差，水分子在渗流场中就会有向下游移动的趋势。在水分子运动过程中，受到岩石等的阻力，势能逐步降低，直到降低到坝趾处水头（如无水则为0m水头）。先有渗流场才有渗流现象的发生，而渗流场是由于上、下游水位差导致的。

渗透场与电磁场类似。在电磁场中，随着电子的移动，势能会越来越低，直到变为0。渗流场亦如此，在上游的水分子的势能比下游水的势能高，到了坝址处势能为0。但实际的势能的递减跟地质情况密切相关，实际的渗流场难以量化。

理解大坝扬压力的关键在于理解渗透场和渗透压力，扬压力是渗透压力和浮托力的和。

3 降低扬压力的措施

设计人员为了降低大坝坝基渗透量和扬压力，一般在坝基布置灌浆帷幕和排水帷幕。一般认为灌浆帷幕和排水帷幕组合作用是降低渗流量和扬压力，“一般”表示针对不同的地质情况，作用会有所不同，下面将详细解释。

灌浆帷幕：在大坝基岩中建造一道连续、完整的、比大坝基岩渗透性低、平面上呈条带状、立面上形似舞台上的帷幕的防渗结构。一般要达到一定渗透标准，本工程河床坝段帷幕合格标准是3lu，岸坡坝段一般为5lu。

在岩石上筑坝，为了防止坝基渗漏，多采用灌浆方案建造防渗帷幕，简称“灌浆帷幕”，利用这种防渗措施并结合排水是减少大坝基岩渗漏、降低扬压力的主要的和有效的方法。灌浆和排水帷幕设计的基本原则是先灌浆以防渗，后排水以降压。这种措施一般可分为四种情况：

（1）透水性强的地区，灌浆帷幕防渗效果一般均较显著，宜采用以“阻”为主，结合排水的措施。透水性强的地质条件，帷幕灌浆吸浆量一般较大，灌浆效果好的情况下渗水量会明显降低，可防止大坝基岩被长期冲刷破坏。

（2）透水性微弱的地區，灌浆帷幕防渗效果一般不会很显著，因渗漏量不很大，故宜采用以“排”为主，结合帷幕灌浆的措施。对于吸浆量很小的地质条件，应重点加强排水。在透水性较弱的地质条件下，坝基扬压力通过帷幕灌浆降低幅度会非常有限，所以一般考虑采用排水的方式降低扬压力。坝体排水孔的设置也是依据此项原则。

（3）一般透水性的地区则多采用“阻”“排”结合的技术措施。

（4）特殊地质条件地区，例如断层、挤压破碎带、泥化夹层等，有时岩石透水性虽然不大，但为了防止管涌，确保基岩的渗透稳定，仍采用“阻”“排”并重，或以“阻”为主，结合排水的措施。同时在排水孔中，应采取专门措施，以防止细颗粒流出。此项措施也是为了防止大坝基础被冲刷破坏，在砂岩坝段，基础排水孔内需要布置防护套管，防止砂岩层间泥化夹层颗粒被渗水带出。

为了降低坝基渗透压力，一般坝基均设置灌浆和排水帷幕（如图3）。水库中的水从坝基下部通过帷幕后，坝基渗透压力值就会衰减，通常用H1/H=α1表示。至排水孔处渗透压力又有衰减，通常用H2/H=α2表示。α1一般取0.45-0.6，α2一般取0.25-0.3。本工程大坝河床坝段扬压力折减系数取0.25，岸坡波段扬压力折减系数取0.35，均是在排水孔处进行折减。

4 结束语

根据分析，对于裂隙发育少，吸浆量较低的地质条件，应重点加强大坝排水帷幕的布置，以有效降低坝基扬压力。本工程大坝两岸砂岩基础存在多条水平软弱夹层，且基础灌浆吸浆量普遍偏小，因此应重点关注砂岩坝段基础排水孔的布置，不仅是坝基面，还要关注基础下部软弱夹层面的排水和扬压力折减。

本工程大坝地质情况复杂，针对不同的地质情况，降低扬压力的措施应有所侧重。对于辉绿岩大坝基础，应重点加强帷幕灌浆的布置，在主帷幕的基础上，上游增设一排副帷幕;对于砂岩大坝基础，因帷幕灌浆吸浆量有限，在尽量做好帷幕灌浆施工的前提下，应更加注重排水帷幕的设计，比如增加护壁保护管（见图4）防止砂岩层间泥化夹层颗粒被渗水带出。

参考文献：

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[2]肖小玲，万磊，施玉群.范厝水电站厂房坝段异常扬压力分析[J].水电与新能源，2016（09）.