硗碛大坝坝基廊道测压管UP14水位异常成因及处理效果研究

赵 静

(云南鲁布革顾问有限公司 昆明 650051)

李宏冲

(河南灵捷水利勘测设计研究有限公司 南阳 473000)

郑培溪

(云南鲁布革顾问有限公司 昆明 650051)

1 前言

大坝安全监测资料是判断工程安危的重要依据。通过对监测资料的整理和分析，可以对水工建筑物的工作性态作出评价，及时发现安全隐患，为制定工程处理措施、指导工程处理、保障大坝安全运行提供科学的数据支撑。

硗碛水电站位于四川省雅安市宝兴县境内。2006年12月5日，下闸蓄水，拦河大坝为砾石粘土心墙堆石坝，坝顶高程2143.00m，最大坝高125.50m。坝前正常蓄水位2140.00m，死水位2060.00m。电站装机容量为3×8万kW。坝址区左右岸及河谷谷底主要为炭质千枚岩夹粉砂岩，遇水软化严重，力学强度迅速降低。大坝采用防渗墙通过廊道与心墙连接的防渗结构，属国内首创［1］;防渗墙底及左右岸采用灌浆帷幕深入弱风化基岩防渗。

硗碛大坝在蓄水过程中，坝基廊道纵0+227.00防渗墙后测压管UP14水位表现异常，后根据监测资料，对防渗墙进行灌浆处理。

2 UP14水位异常表现

坝基廊道防渗墙后布置测压管UP13～UP15，沿坝轴线方向桩号分别为纵0+197.00、纵0+227.00、纵0+256.00，管底分别深入建基面以下9.0m、6.5m、8.5m，用以监测防渗墙后水位。自2006年12月5日水库蓄水以来，位于两端的UP13、UP15水位较低且基本稳定，而位于廊道中部的UP14水位较高且与库水位相关(见表1)。2008年10月28日库水位2139.70m时，UP14水位为2085.91m，远超过设计控制指标2030.00m［1］。换算成位势，UP14 为 55.83%，仅消杀了44.17%的水头。

取下压力表，测压管内水流瞬间呈喷出现象，约5s之后，流量迅速变小，仅沿测压管口缓慢出流。水中夹有无数气泡自管底向上翻滚，水质清澈，并有一股类似H2S的味道。再次安装上压力表后，压力缓慢上升，次日恢复至之前压力。

位势计算公式为

式中 Ψ——位势，%;

hi——测点水位，m;

H1——上游水位，m;

H2——下游水位，m。

图1 UP13～UP15水位过程线

3 UP14水位异常原因

3.1 数据验证

为验证UP14水位的正确性，我们首先更换了数个新的压力表，所测水位均一致，表明压力表本身没有问题。随后，我们于2007年12月12日在测压管上安装三向接头，从其中一接头处连接塑料管并引向高处，观测水位的上升情况，同时观测压力表读数。校测结果如下:塑料管中水位最后稳定在2079.00m，压力表所测水位为2078.77m，二者相差0.23m，再次表明压力表测值正确，UP14水位确实较高。

3.2 统计模型分析

3.2.1 模型构建

现以多元逐步回归统计模型对UP14水位进行影响因子的探讨，模型构造如下［2-4］:

式中 xHi、xθj、xRk、xTl——水压因子、时效因子、降雨因子、温度因子;

ai、bj、ck、dl——待定系数;

const——常数。

选取2007年1月4日至2008年11月14日共283个测值为样本进行建模。硗碛坝区降雨主要集中在7～9月，因此计算中未计入降雨因子。同时，不考虑多场耦合作用而未计入温度因子。考虑到测压管水位存在滞后效应，选取观测当日、前5日、前10日、前30日平均水位与基准日、基准日前5日、前10日、前30日平均水位差的 1、2、3 次方 ΔH1、(ΔH1)2、(ΔH1)3;ΔH5、(ΔH5)2、(ΔH5)3;ΔH10、(ΔH10)2、(ΔH10)3;ΔH30、(ΔH30)2、(ΔH30)3等12 个水压因子，t/100、ln(t/30+1)、1 － e－0.01t、lg(t+1)等4个时效因子，总计16个因子作为影响因子进行分析。

3.2.2 计算结果

经过多次计算，求得最佳模型方程，见式(3)。其中 (ΔH5)3、ΔH10、(ΔH10)2、(ΔH10)3、ΔH30等 5 个因子未通过F检验而未能进入方程，观测值、拟合值、拟合误差过程线见图2，分量过程线见图3。

图2 UP14观测值、拟合值和拟合误差过程线

图3 UP14水压、时效分量过程线

方程复相关系数R、显著性检验值F、标准差σ分别为0.9857，841.7568，2.424。观测值和计算值拟合较好，残差在 ±2σ范围内。水压分量对UP14水位的影响较大，且随库水位升降而周期性变化，而时效分量对UP14水位影响较小，且基本稳定。如2008年10月28日，水压分量所占比重为91.06%，时效分量所占比重为8.94%。

3.3 UP14测压管水位异常成因分析

3.3.1 防渗墙或防渗墙与廊道接头处存在薄弱部位

UP14水位主要受库水位影响，坝基河床防渗墙深度较深，最深处为70.5m，采用“单反弧扫孔”工艺，而此工艺在当时尚不成熟，很难全部消除接头处三角区残留物，个别槽段接头部位在一定深度可能存在缺陷，另外，防渗墙采用廊道形式与心墙连接，在接头部位应力大，易产生裂缝［1］。初步判断UP14测压管水位异常的成因为:UP14对应防渗墙段或防渗墙与廊道连接处存在局部薄弱部位，导致UP14水位较高且与库水位相关。分析认为上述原因是最有可能的。

3.3.2 测压管内存在岩层气体侵入

在长期的地质历史过程中，一些地区深部岩体中会形成某种气体，逐步向浅层运动，富集于浅层岩层的孔隙及裂隙中［5］。基于此，分析认为硗碛地区浅层岩层孔隙及裂隙中富集着某种气体，而测压管UP14正巧与这些富集气体的孔隙或裂隙存在细微通道，当坝基岩体受力情况发生变化，或岩体中渗流状态发生变化时，这些存在于岩层孔隙或裂隙中的气体逸出，并侵入到UP14测压管中，导致其压力测值偏高。此外，岩层中也可能存在某种成分，在一定条件下会发生化学反应而产生气体，并侵入到UP14测压管中，导致其压力测值明显偏高。现场测试时，拧开压力表后，测压管水体中夹带有气体，也证明测压管内确有气体存在。

4 灌浆处理效果

为确保防渗墙的长期稳定安全运行，根据监测分析资料，于2008年11月中旬至2009年2月中旬对测压管UP14对应防渗墙段进行灌浆处理，之后在UP14附近钻孔埋设渗压计。

4.1 UP14水位

4.1.1 灌浆时

在2008年11月中旬至2009年2月中旬的灌浆过程中，UP14水位波动较大，特别是2008年11月19日、12月 20日(库水位分别为 2138.56m、2135.10m)，UP14水位突然下降，分别下降10.71m、15.30m，后分别于11月20日、12月25日突然上升到下降前水平，并与库水位同步变化，参见图4。以上情况证明防渗墙存在缺陷，且灌浆已找到防渗墙缺陷的大概位置，但尚未完全封堵住渗漏通道。

4.1.2 灌浆后

2009年2月15日，灌浆处理结束后至同年3月底，UP14水位仍然较高，且随库水位下降而缓慢下降。2009年3月与灌浆前的2008年8月相同库水位时相比，UP14水位低8m左右，说明灌浆处理起到一定效果，但十分有限，可能渗漏通道未完全封住。

图4 灌浆处理及钻孔过程中UP14水位过程线

2009年3～5月，在UP14附近钻孔埋设渗压计，其中2009年4月3日在UP14坝轴向3m处钻孔时，UP14水位一天内下降26.21m，之后基本稳定在2024.71m左右，且与库水位无关。换算成位势，在2009年、2010年库水位接近正常蓄水位2140.00m时，位势均为5.50%，即防渗墙消杀了94.50%的水头。

另外，拧开压力表后，水中气泡明显减少，但仍然存在类似H2S的味道。

综上所述，UP14水位在灌浆后并没有明显下降，而是之后在其附近钻孔时才突然下降到与周围地下水位相近水平，结合灌浆过程中UP14水位出现两次突降突升现象，分析原因应该是灌浆已封堵住防渗墙的主要渗漏通道。UP14水位在灌浆后缓慢下降与库水位无关，应是其所在部位排水不畅，导致水流消散较慢，当在其附近钻孔时，间接导致渗流通道畅通，才发生2009年4月3日UP14水位突然下降的现象。后期至今UP14水位较低且基本稳定，表明灌浆处理具有明显效果(见图5)。

图5 灌浆处理后UP14水位过程线

4.2 P12水位

渗压计P12位于UP14左侧约3m处，为2009年4月钻孔埋设，其过程线见图6。由图6可知，P12水位与库水位有一定关系，但水位不高且变化幅度不大，在2023.40～2028.40m之间，即正常蓄水位时防渗墙消杀了约92%的水头，再次表明防渗墙灌浆处理效果明显。

图6 渗压计P12水位过程线

5 结语

a.硗碛大坝防渗墙后纵0+227处布置的测压管UP14水位较高且与库水位关系密切，多元逐步回归统计模型分析表明:库水位是影响UP14水位的主要因素，防渗墙存在缺陷的可能性较大。

b.根据监测分析资料并结合实际情况，针对性地对防渗墙进行补强灌浆处理后，UP14水位迅速下降至与周边地下水位接近且与库水位无关，其左侧3m处补埋的渗压计P12水位随库水位升降在2023.40～2028.40m之间小幅周期性波动。说明灌浆处理已封堵住防渗墙的主要渗漏通道，灌浆处理效果明显。

c.测压管UP14水中存在类似H2S的味道，可能存在某种化学反应。建议对上游库水、防渗系统后包括UP14在内的不同部位的地下水进行水质分析，进一步确定化学反应类型及对防渗墙是否会产生不利影响。

d.建议在加强观测的同时，采取地质雷达等必要补充手段对防渗墙可能存在的薄弱部位进行进一步检测。同时，由于硗碛大坝采用的是“防渗墙通过廊道与心墙连接”的联合防渗体系，三者的变形协调性对于大坝的防渗性能至关重要，因此，建议对“坝基防渗墙+廊道+心墙”的变形协调性及稳定性进行计算分析。

1 王平，王晓东，王党在等.硗碛水电站蓄水安全鉴定设计自检报告［R］.成都:中水顾问集团成都勘测设计研究院，2006.

2 郞兴学，崔会东，祈月.硗碛大坝渗流监测成果初步分析［C］//周建平，宗敦峰、杨继学，等.现代堆石坝技术进展—2009.北京:中国水利水电出版社，2009.

3 黄铭.数学模型与工程安全监测［M］.上海:上海交通大学出版社，2008.

4 方涛，张忠云，徐文彬.土石坝渗流监测模型分析［J］.黑龙江水专学报，2007(4):28-30.

5 何金平，施玉群，卢秋生.古田溪四级大坝坝基扬压水位异常成因分析［J］.大坝监测技术，2010(3):36-39.