河南省宝泉抽水蓄能电站下库大坝渗流特征分析

李立平，李程程

(1.长江科学院 工程安全与灾害防治研究所，湖北 武汉 430010； 2.广西大藤峡实业管理有限公司，广西 南宁 530000)

0 引 言

为了缓解电力紧张，利用已建成的宝泉大坝改建为抽水蓄能枢纽下库坝[1]。改建后最大坝高107.5 m，坝顶高程268.5 m，坝顶长508.3 m，总库容6 850万m3。

原宝泉大坝1973年开工建设，1975年8月砌体高程171.0 m(坝高10.0 m)时，因建设资金和原材料十分困难而被迫停止施工。当月，河南发生历史特大暴雨(以下简称“75·8”暴雨)，在按“75·8”暴雨规模进行复核设计下，将原工程设计方案修改为加宽加高大坝断面。 1976年10月按最终规模设计复工建设，1981年在施工坝高达50～51 m时，因国家基本建设调整和项目压缩，宝泉大坝建设再次被迫停工。1989年10月再次复工，1993年大坝砌筑达到设计高程252.1 m，1994年4月工程竣工验收。2004年6月按照抽水蓄能下库坝进行加高加厚施工[1]，2007年1月7日大坝下闸蓄水，2007年7月31日大坝达到设计高程268.5 m[2]，工程开始正常运行。

1 工程概况

宝泉抽水蓄能枢纽下库坝位于河南省辉县市以西约40 km的浴河高山峡口处，是太行山区东南边缘峡谷与平原交接地带。抽水蓄能工程由上水库大坝、下水库大坝、输水系统及地下厂房群等建筑物组成[3]。下库大坝包括挡水坝段、溢流坝段等建筑物[2]。

下库坝坝顶长508.3 m，坝顶高程268.5 m，最大坝高107.5 m，扩大库容正常蓄水位260.0 m，相应库容6 750万m3；死水位220.0 m，相应库容1 314万m3。溢流坝段长109.0 m，堰顶高程257.5 m，上部设高3.0 m橡胶坝，坝顶自由溢流，下游采用挑流消能。下库大坝改建工程主要包括[2]：① 大坝上游防渗面板基岩齿槽土石方开挖；② 原坝体高程249.1 m以上左右岸基础开挖，在高程252.1 m以下边坡开挖及锚杆混凝土支护；大坝迎水面从坝基到坝顶采用钢筋混凝土防渗面板；③ 左右岸挡水坝段从下游高程212.0 m平台浆砌石贴坡到252.1 m高程，而后从252.1 m高程新砌体砌到坝顶268.2 m；④ 溢流坝段从218.80 m高程平台开始砌石，砌筑加高至设计高程254.5 m，大坝相对加高16.4 m。工程主要技术参数见表1。

表1 宝泉抽水蓄能枢纽下水库大坝主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of lower reservoir dam of Baoquan Pumped Storage Complex m

2 大坝防渗体系及监测设施

2.1 大坝防渗体系

下库大坝改建时，宝泉大坝为中国最高浆砌石重力坝，防渗问题是浆砌石坝改建的关键技术难点之一[4]。在结合原大坝混凝土隔墙防渗体的基础上，采用在改建大坝迎水面增加钢筋混凝土面板的措施，加强工程防渗作用。

2.1.1 老坝防渗体系

老坝在坝踵基础齿槽至高程170.0 m布置C20的钢筋混凝土墩体结构，墩体宽10.15 m。钢筋混凝土墩体增大坝基抗滑稳定，还能对坝基起到防渗漏作用；在墩体170.0 m高程以上改用150号砂浆粗料石砌筑灌浆体作为防渗措施，厚度按水头的1/20控制[3]，防渗墩体底宽10.15 m，顶宽1.20 m；在粗料石砌筑的灌浆防渗体和下游坝体砂浆砌块石之间布置1.0 m厚C20混凝土隔墙，作为大坝的防渗措施(图1)。混凝土隔墙后设有4层排水廊道，是坝体渗漏汇集的通道，基础廊道集水井设有自动抽排系统。

2.1.2 改建大坝防渗体系

宝泉抽水蓄能电站下水库大坝采用钢筋混凝土防渗面板结构防渗，防渗面板底部按最大水头的1/60控制[2]，混凝土采用C25并掺加聚丙烯纤维，设计面板厚度在坝底高程174.0 m为1.4 m，在174.0～190.0 m坝高之间厚度由1.4 m渐变为1.2 m，坝高190.0～220.0 m厚度由1.2m渐变为1.0 m，高程220.0 m以上厚度均为1.0 m[2](图1)。新建坝段防渗面板嵌入建基面以下1.5 m，并与坝基防渗设施连成整体。防渗面板施工划分44块，1～7号面板布置左岸新建挡水坝段，8～19号布置在左岸挡水坝段，20～29号布置在溢流坝段上，30～41号布置在右岸挡水坝段上，42～44号布置在右岸新建挡水坝段上。防渗面板每仓浇筑高度为4.0～6.0 m，仓与仓之间保持同步施工。为避免高差过大，在混凝土浇筑时，采用止水部位混凝土先上升，其余部位混凝土滞后跟进的办法施工，以确保伸缩缝处止水不位移、变形。

2.2 大坝渗流监测仪器布置

由于原宝泉水库大坝监测数量少且设施老化，不能满足当前工程监测的需要。在改建下水库大坝设计方案中，针对抽水蓄能电站发电抽水而引起下水库频繁聚升聚降水位运行工况，同时要考虑库水位压力和坝体渗漏对大坝稳定的影响，结合浆砌石重力坝防渗要求，选择代表性断面布置监测仪器。将左岸19号坝段、右岸31号坝段作为挡水坝段的重点监测断面，左右岸监测坝段可相互比较，有针对性地布置渗漏监测仪器：① 为掌握钢筋混凝土防渗面板防渗效果，在高程176.0，192.5 m和224.0 m面板后各布置1支渗压计监测仪器，了解面板不同高程渗漏情况；② 为了解新老坝体衔接部位渗流情况，在新旧结合部布置1支渗压计进行监测；③ 为了解加高加宽坝体内的渗流情况，在大坝新砌体部位布置1支渗压计仪器，大坝渗流监测仪器布置如图1所示，仪器埋设部位统计见表2。此外，在大坝不同高程廊道内布置4个量水堰，监测坝体总渗流量。

图1 大坝防渗监测布置示意Fig.1 Dam seepage monitoring layout

3 大坝渗流成果与监测分析

3.1 大坝渗流监测成果

3.1.1 左岸挡水坝段

水库蓄水以来，依据土石坝监测规范和大坝管理运行技术要求进行常态化观测[5]，遇大到暴雨及时加密观测。通过监测资料特征值分析，2016年7月峡谷流域普降大到暴雨，7月19日降雨最大达到232 mm/d，下水库水位以3.0 m/h速度急剧上涨，入库流量最大达到1 664 m3/s。在库水位达到261.58 m时(溢流坝面高257.50 m)大坝开始泄洪，泄流量最大为1 377 m3/s，是大坝竣工以来最大泄流工况。左岸19号坝段混凝土防渗面板高程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渗压计实测渗压水头分别为27.13，24.76 m和11.79 m，混凝土面板背后不同高程渗压计测得水位上升，渗压水头升降滞后于库水位变化(图2)。由图可知，面板和坝体之间有渗压水活动；在19号坝段新旧砌体结合部位、坝高223.5 m和213.5 m的渗压计P2-23和P2-21实测渗压值为0，新旧接合处未有渗水活动；在坝高223.5 m埋设的P2-24渗压计仪器，基本未测出明显的渗水现象。

图2 左岸19号坝段面板渗压水位过程线Fig.2 Seepage water level process line of No.19 dam section on left bank

3.1.2 右岸挡水坝段

右岸31号坝段监测布置与左岸19号坝段相同，对左右岸监测成果进行比较和综合分析。在坝高193.80 m和223.50 m面板处布置P2-49和P2-51监测仪器。2016年7月19日库水位达到261.58 m时，仪器P2-49和P2-51监测渗压水头为44.12 m和7.36 m，换算水位高程分别为237.92 m和230.86 m，如图3所示。面板后明显存在水压力，面板和坝体之间存在水压活动；31号坝段坝高223.5 m和213.5 m处沿新旧砌体之间的P2-23和P2-21仪器，观测渗压值为0，新旧接合处未有渗水活动；在新砌坝体的P2-53仪器，渗压水也反映为0。

图3 右岸31号坝段面板渗压水位过程线Fig.3 Seepage water level process line of the No.31 dam section on right bank

3.1.3 大坝渗流量

大坝廊道内共布置了4套量水堰，2008年12月在高程164.0 m廊道改造设置排水孔，高程176.0 m廊道以下坝体渗水经排水孔排出，并在孔口采用容积法进行监测。左岸176.0 m排水廊道在2007年8月蓄水初期的最大渗流量为32.92 L/s，是由施工遗留部分用水等因素造成，不代表大坝实际渗流量，而后历年监测渗流量均小。2017年11月21日监测数据显示：左岸高程176.0 m以上坝体渗漏量为0.22 L/s[6]，右岸高程176.0 m以上坝体渗漏量为0，高程176.0 m以下坝基渗漏量为0.59 L/s(表3)，总渗流量小于设计渗流量23.056 L/s(83 m3/h)[2]，大坝渗流量处于正常状态。

表3 大坝廊道渗流监测成果特征值Tab.3 Characteristic value of seepage monitoring results of dam corridor

3.2 大坝渗流和面板裂缝特性

宝泉大坝多年渗压水位监测资料揭示：在库水位急剧上升或下降工况下，防渗面板与坝体间渗压水位均在10.37～44.35 m范围变化。研究库水通过防渗面板局部裂缝的渗透规律，并对钢筋混凝土防渗面板裂缝渗透原因进行分析。

3.2.1 施工期裂缝引起渗漏

在宝泉大坝上游面增设钢筋混凝土防渗面板是改建工程的主要措施之一，使坝体渗漏量控制在浆砌石重力坝规范要求范围内。大坝防渗面板混凝土采用C25并掺加聚丙烯纤维。按坝高划分面板共28块(条)，8～19号面板布置在左岸挡水坝段，30～41号面板布置在右岸挡水坝段，防渗面板嵌入建基面以下1.5 m，并与坝基防渗设施连成整体。防渗面板每仓施工高度为4.0～6.0 m，浇筑时仓与仓之间保持同步，避免高差过大。在施工混凝土浇筑时，为确保伸缩缝处止水不位移、变形，采用止水部位混凝土先上升，其余部位混凝土滞后跟进的施工方法。大坝下闸蓄水验收检查发现 6号、13号、18号和19号面板发生裂缝，裂缝基本呈垂直方向、自上而下延伸，裂缝一般宽0.1～4.0 mm左右(表4)。蓄水前对裂缝进行骑缝贴嘴化学处理，但随着蓄水水位逐渐上升，大坝面板受力较大，整体受力不均匀，水位高程以下面板受力较大，水位以上面板受力较小，钢筋混凝土面板是弹性变形体，易造成水压力浸湿面板裂缝或渗透。裂缝化灌材料已逐渐老化，裂缝呈张开趋势，导致面板有渗漏点。2016年8月4日库水位上升257.29 m时，渗压监测水位上升43.90 m，面板与坝体之间渗压水头相应上升，由图2～3面板渗压水位与时间过程线可以看出，当库水急速上升后，面板与坝体渗压水头也相应上升。

表4 大坝钢筋混凝土防渗面板施工期裂缝统计Tab.4 Statistics of reinforced concrete panel cracks during construction

3.2.2 新老坝体不均沉降

大坝底部向上游伸出，坝基筑砌石台阶突出宽2.0～4.0 m，最大台阶高17.0 m左右。1993年老坝竣工后，坝体沉降变形趋于稳定。上部新砌坝体仍处于沉降变形阶段，新老坝体沉降速率不一致，导致钢筋混凝土面板裂缝。为此，布设单层Φ14@150钢筋网；面板与坝体间采用Φ22锚筋连接，间排距1 m，单根长2.7～3.0 m，伸入坝体1.5 m，面板表层用钢筋网焊接连接。充分考虑新老坝体胶结效果，面板处于整体受力状态，在老坝高程251.85 m与新砌坝体结合处设置Φ25@200三层并缝钢筋加固。面板伸缩缝在正常蓄水位以下设2道止水，以上设1道止水。2007年7月施工达到设计高程，加高坝体运行期仍处于沉降阶段。两个不同介质变形差异，即新老混凝土衔接面约束变形差异，导致面板局部呈不规则裂缝。

3.2.3 不均匀约束变形引起面板裂缝

改建施工对迎水面及坝顶作平整处理，接触界面较大，坝体迎水面砌石凹凸状，坝顶局部极不平整。新砌体受老坝体约束，混凝土面板收缩变形大。新老坝体本身受浆砌石物质自重作用，加高坝体处于沉降期，所以上部面板混凝土变形也大。老坝体顶部砌石平整处理困难，使接触面应力集中，面板产生裂缝。此外，在面板施工过程中，混凝土受到养护条件限制、河谷风大、年度温差变化大等因素影响，面板发生局部裂缝。在水库蓄水前检查左岸挡水坝段19号面板有5条裂缝，右岸挡水坝31号段1条裂缝，裂缝基本呈垂直走向，裂缝宽度0.2～0.3 mm，裂缝长3.5～24.5 m。

3.2.4 弹模差异导致混凝土面板裂缝

新老坝体混凝土弹性模量差异，也是引起裂缝产生的另一因素。由大坝蓄水验收资料可知，河床坝段高程174 m平台为老坝混凝土，防渗标号为C20，混凝土弹性模量为6.5～7.5 GPa；高程174 m平台以上增设的混凝土防渗面板，弹模为5.0～9.0 GPa。为了使坝体强度满足设计要求，对大坝进行三维静动力计算，分析结果表明，在高程174 m部位会出现拉应力。为保持胶结处混凝土结合效果、减少老混凝土面约束力、限制出现裂缝，在高程174 m平台接触处做凿毛处理。混凝土弹性模量越大，混凝土抗压强度越大，混凝土受弯构件刚度也越大，构件产生扰度越小，故新浇混凝土变形大。在水库蓄水前在检查时发现胶结处面板已出现裂缝，印证了弹模差异与裂缝产生的关系。

3.3 大坝渗流敏感性分析

3.3.1 混凝土面板局部渗漏

在大坝防渗面板不同高程的渗压计渗压值伴随库水位上升而明显增大。2007年1月水库蓄水前，基本未测出渗压值。2008年1月4日水库蓄水至254.17 m时，左岸19号坝段P2-19仪器渗水水头为63.99 m，换算水位高程为239.99 m，渗压水头低于库水位14.18 m；右岸31号坝段P2-49测出渗压水头为251.70 m，低于库水位2.47 m。防渗面板施工期受大气温度影响，混凝土结构干燥，面板施工裂缝渗水性较强烈。当面板常年被库水位淹没达到饱和后，渗压仪器透水性也处于饱和状态，温度影响面板裂缝渗漏量，表现为低温度裂缝张开，渗水量大，高温时裂缝收缩，渗压水头减小。如2016年7月19日库水位261.58 m，P2-19和P2-49渗压相应水位为203.59 m和238.15 m，低于库水位53.73 m和19.15 m，渗压水头滞后库水位也说明这一点。

3.3.2 防渗体防渗作用

原水库在距大坝上游面1.5 m位置布置的防渗体系为混凝土隔离墙结构。防渗墙厚度按水头的1/20控制，在坝高170.0 m以下隔离墙采用C20混凝土；170.0 m以上改为150号砂浆粗料石砌筑灌浆作为防渗体。墙基底宽10.15 m，顶宽1.2 m；坝体石块采用为C15二级配混凝土砌石砂浆灌浆，使混凝土隔墙与坝体起到防渗作用。在左右坝段坝体的P2-21、P2-23、P2-50和P2-52仪器测定渗压值基本为0，说明坝体内无渗漏情况，老坝防渗体系隔离体具有防渗功能。

3.3.3 大坝渗流量较小

为了全面掌握大坝渗漏情况，在坝体基础廊道安装了4座量水堰。10余年渗流监测成果表明，大坝渗流量均匀稳定，廊道渗流量较小。如2016年8月4日水库水位为257.29 m(蓄水最高水位值)时，廊道总渗漏量0.90 L/s，均小于设计渗流量23.056 L/s[4](83 m3/h)[6]。大坝渗流量未超出浆砌石重力坝渗漏的规范要求。

4 结 语

宝泉抽水蓄能电站下水库大坝10余年渗流渗压监测成果表明，虽然混凝土面板施工期产生裂缝引起渗压值增大，但改建大坝混凝土防渗面板与老坝隔墙防渗体起到了共同防渗作用[4]。渗流监测资料反映大坝渗流量只局限于上游面板和防墙体之间，新老坝体胶结处无渗水活动。大坝基础廊道渗流量很小，总渗漏量控制在设计范围内，大坝工作性态正常。