水库大坝局部坝基扬压力异常原因分析

李瑞东

（山西水务工程建设监理有限公司，山西 太原 030000）

某水库于1998 年基本建成，是所在流域上游控制性水利工程，兼具发电、灌溉等综合效益，遗憾的是该水库自大坝建成蓄水以来始终未设置大坝观测设施。由于对监测工作缺乏应有的重视及有效的管理和维护，1999 年以后大坝内部监测仪器失效较多，工作不稳定，漏测和缺测现象严重，并于2004年3月暂停观测工作。2009 年对该水库启动除险加固处理，根据水库除险加固初设报告，对原大坝安全监测设施进行了更新改造与加固完善。现状大坝主要包括防渗面板安全监测、大坝表面变形观测、渗流观测及水位观测等监测项目。2010 年除险加固过程中在大坝上游增设了防渗面板，同时对新增防渗面板结构缝开合程度、新老面板结合变形、坝基变形、坝基渗透压力、混凝土面板应力应变以及温度等项目实施监测。

该水库大坝测压管埋设在645 m 高程基础灌浆廊道最左与最右端，埋设孔钻孔深度为基岩以下1.10 ～1.20 m，在将测压管管体埋入孔内后还应在管内安装压力传感器，同时将管口装置及压力表加装在管口位置，主要进行基础帷幕后扬压力及变动趋势的监测。根据2010-2019年统计资料进行分析，15#坝段测压管UPR-1 和UPL-2 所对应的扬压力最大值分别为46.66 m（684.66 m）和40.60 m（674.65 m）。结合所得出的扬压力历时曲线图，扬压力呈现出缓慢增大的变化趋势，且与库水位变化趋势基本一致。由此可以判定，2019 年6-10 月为汛期且库水呈上升态势。根据实际情况，该水库在当年上旬进行大坝检修时，库水位基本已降至最低，检修完成后又进行了水位控制上涨，导致扬压力具有与库水位一致的变化趋势。10 月汛期过后库水位基本稳定，扬压力也趋于平稳。根据两者数据的变化趋势，右侧帷幕防渗情况略微优于左侧，可见，水库坝基扬压力满足坝基渗流的变化要求。

进入2020年汛期后，通过分析各扬压力测孔的实测资料，测压管UPR-1 测值异常，必须对测压管所在坝段重点分析。该测压管位于水库大坝左岸4#坝段2 078 m高程的灌浆排水廊道内，2019 年11 月该测管损坏，在12 月于原位置附近重新埋设测压管，从次年1 月开始工作。根据监测结果，原测压管所测水头值基本维持在2 080.04 m，而新埋设的测压管水头测值突增至2 116.84 m，此后维持在2 028.41 m；
坝基扬压力系数纵断面分布情况详见图1。在这一过程中，库水位较为稳定。为此，必须结合新埋设测压管所在坝段实际工况、多渗控条件、实测坝基扬压力进行渗流有限元分析，确定出坝段扬压力异常的主要原因。

图1 坝基扬压力系数纵断面分布图

3.1 计算模型

以大地坐标为计算坐标原点，X 轴平行于拱冠参考面轴线，Y轴则从右岸指向左岸，Z轴坐标具体体现高程情况。将河床中心线作为参考基面，左右两侧分别向左右岸各截取400 m；
上下游侧则将经过坐标原点并与河床中心线垂直的截面作为参考基面，上下游两侧分别截取300 m和220 m；
基础深度则以低于坝基防渗帷幕底部60 m的深度为限。工程区渗流有限元模型离散后共包括33 564个节点和29 396个单元，并以重新埋设的测压管为重点分析剖面。

3.2 边界条件

结合工程实际及现有观测资料，上下游应分别取正常蓄水位2 080 m 和2 050 m，且上下游水位以下河床水头均为已知。由于坝址区地下水为从两岸向河床的补给走向，故将左右岸截取水头边界视为已知，并根据区内地下水实测资料及外推插值法予以确定。坝体下游2 050 m高程以上的出渗域必须通过迭代确定，其余边界均视为不透水边界。

3.3 参数反演

基于坝址区长期水文观测资料，通过BP 神经网络进行坝体及坝基渗漏张量反演，具体分析时必选优选降水量少、库水位稳定、测孔水位变化平稳的测值。考虑到坝体混凝土渗透参数并无较大变化，在参数反演时可将其视为各向同性体，渗透系数固定取1.00×10-8m/s，此外，坝体防渗帷幕也视为各向同性体，压水试验所得渗透系数1.60×10-8m/s。结合勘测资料及岩层实际分布情况，将坝址区岩体由外而内划分成强风化层区、弱风化层区、微风化层区和新鲜岩体层区。若同时存在地下水位和流量观测数据，渗透参数反演结果即为唯一，即依据地下水长期观测值便能反演出坝基全部岩层区相对渗透系数，且根据确定出的一个层区相对渗透系数，其余层区渗透系数值便会随之得出。根据渗透系数分析结果，新鲜岩体层区各向渗透异性较小，故可将其视为各向同性体，其渗透系数取1.01×10-8m/s，其余层区渗透张量反演结果详见表1。

表1 水库大坝坝基岩体层区渗透张量反演结果统计表单位：m/s

3.4 计算结果

当防渗维帷幕及排水孔均处于正常工作状态下，则重新埋设的测压管所测扬压力值为2 110.11 m，与孔口高程基本一致，根据对该测压管所在位置剖面渗流场分布情况的分析，在这种工况下，坝基处等水头线十分密集，能有效降低所在位置扬压力。

若仅有防渗帷幕处于正常工作状态时，坝基排水孔是否正常工作对重新埋设的测压管所测扬压力值影响不大，且所测扬压力值与孔口高程基本一致；
左岸地下水位的变化也不会造成坝基扬压力值的大幅变更。

而当坝段坝基防渗帷幕局部失效，坝基部位等水头线分布将比帷幕正常工作状态下稀疏，坝轴线上游岩体水头也将高出防渗帷幕正常工作水头，重新埋设的测压管所测扬压力值必然会远远高出帷幕正常工作扬压力。此种情况下，如果排水孔正常工作，则扬压力水位将比孔口高程高出15～18 m；
如果坝段范围内排水孔均失效，则扬压力水位会进一步提升，至少高出孔口高程35～45 m。

若库区相应坝段防渗帷幕较浅部位岩层内分布有局部强透水带，则重新埋设的测压管所测扬压力值为2 120.32 m，远远超出孔口高程，且接近实测值。与此同时，若该强透水带并为延伸至防渗帷幕下游侧，则扬压力值升高的部位便只局限在防渗帷幕结构四周，下游侧扬压力值不会发生较大变化。

综合以上工况观测结果，在坝基防渗帷幕结构完好的情况下，排水孔工作与否、左岸地下水位变化与否，均不会造成局部坝段坝基扬压力值的明显升高。而当相应坝段防渗帷幕结构出现缺陷时，坝基扬压力值必将显著提升，且提升的幅度与帷幕缺陷发生位置及严重程度直接相关。为此，必须对该水库大坝防渗帷幕体的完好及稳定程度进行检测，并采取有效措施加固补强，以杜绝对应坝段坝基扬压力值异常现象的出现。根据相应坝基防渗帷幕体加固前后扬压力变化程度的对比，采取加固措施后重新埋设的测压管所测扬压力水位明显降低。

综上所述，进行水库大坝坝基扬压力异常情况及原因分析时，必须检查所在坝段坝基防渗帷幕运行是否正常以及坝基内部渗漏通道、局部强透水带是否存在；
通过坝基局部注浆补强有效阻断渗透通道，提升帷幕阻水效果；
此外，还应全面检查相应坝段排水孔有无淤堵，及时疏通。该水库在采取以上改进措施后，重新埋设的测压管所测坝基扬压力值有效降低，影响坝段扬压力异常的因素全部得到解决。