混凝土坝坝基渗压系数超限常见问题分析

混凝土坝坝基渗压系数超限常见问题分析

黄文萃

五凌电力有限公司三板溪水电厂 贵州省黔东南州 556704

摘要：大坝安全监测中，常将坝基设计渗压系数作为衡量扬压力是否超限的标准，但局部渗压系数超限的情况较为常见。本文结合部分工程案例，对渗压系数超限监测资料分析中常见的问题进行解析。

关键词：混凝土坝；扬压力；渗压系数；扬压力水头；不利工况；抗滑稳定

1 前言

进行扬压力监测数据整编分析时，必须考虑大坝运行工况，通过渗压系数、扬压力水头等指标进行综合分析判断，分析扬压力超限对大坝抗滑稳定的影响，查证影响扬压力的各种相关因素，才能准确评判大坝安全情况。

2 渗压系数超限的发生工况分析

根据渗压系数计算公式，当上游水位低或上下游水头差较小时，可能导致渗压系数计算值增大，甚至超过设计容许值。在进行渗压系数超限时，应排除上游水位低或上下游水头差较小等偏安全的工况。

2.1上游低水位工况

A工程岸坡侧1#坝段BO-01（建基面高程227m）测点年历史渗压系数最大值为0.68（对应上下游水位238.39m/202.93m），且大部分时间均大于岸坡侧设计容许值0.35。相关性分析：渗压水位与库水位无相关性，但渗压系数与库水位呈一定的负相关，库水位低于240m渗压系数均高于0.5，库水位高于247m渗压系数反而在0.25-0.35之间。

在库水位升高，工况变的较为不利的情况下，渗压系数反而满足设计要求。A工程大坝设计阶段，选取正常蓄水（248m）、设计洪水（249.96m）2种正常运行工况进行坝体稳定及应力计算荷载，BO-01建基面高程227m，计算出设计2种工况选取的扬压力水头分别为7.35m、8.04m。BO-01渗压系数超限时实测扬压力水头在3-5m之间，历史最大扬压力水头为6.91，均未超过正常蓄水工况设计扬压力水头。

因此，在进行此类测点扬压力超限判断时，应以设计扬压力水头作为标准更加科学准确。

2.2低水头电站大洪水期间上下游水头差较小的工况

B工程泄水坝段UP13-1测点2017年最大渗压系数达到0.72（2017-7-3），该日发生大洪水，上下游水位50.18m/46.94m），超过设计容许值0.5。扬压水位与下游水位密切相关，但下游水位为42m上下游水头差较大时，渗压系数均低于设计值0.5。

B工程大坝设计阶段，选取正常蓄水（51m）、设计洪水（60.99m）2种正常运行工况进行泄水坝段坝体稳定及应力计算荷载，抗滑稳定安全系数分别为14.95、32.89。这类低水头电站大洪水期间，上下游水头差大幅减小，作用在大坝的水平推力变小，运行工况相比不泄洪时更加安全。

在进行此类测点扬压力超限判断时，应结合设计阶段正常蓄水计算工况及电站投运后的运行工况设置下游水位条件，统计在上下游水位差较大时等相对不利工况下的渗压系数、扬压力水头超限情况，以便判断扬压力超限是否可能影响大坝抗滑稳定安全计算结果。

3 扬压力超限对大坝抗滑稳定的影响分析

下面以C工程UP-1、UP-11扬压力超限为例，采用分项系数极限状态设计法对相应坝段抗滑稳定进行验算分析。

因为扬压力全部垂直作用在坝基面上，只影响抗力效应R(·)，因此计算扬压力超限对抗滑稳定的影响是，只需计算扬压力增加的荷载ΔU对计算截面垂直作用力的影响即可。

C工程UP-1、UP-11渗压系数实测最大值分别为0.73、0.54。大坝设计阶段，选取正常蓄水位322m（相应下游水位296.6m）工况下对UP-11和UP-1所在左、右岸非溢流坝进行抗滑稳定计算，抗滑稳定满足规范要求。查询C工程相关设计参数，根据式1对抗力效应进行验算，验算结果表明相应坝段抗滑稳定仍满足规范要求。

4 扬压力超限的相关因素分析

4.1影响扬压力的相关因素

扬压力根本上由坝基地质性质、帷幕深度厚度、帷幕灌浆质量以及排水孔设置等大坝基础条件所决定。

发现扬压力超限后，可从以下几个方面去查证：1）扬压力和上游水位或温度相关性说明可能存在渗漏通道，应与其他坝段对比，重点从地质条件、帷幕质量等方面入手；2）扬压力和降雨相关性较强，一般发生在岸坡坝段，应结合周边地下水位孔及地质情况进行分析；3）扬压力随时间逐步抬高，应考虑投运时间较长，排水逐步堵塞等因素，重点检查坝基排水畅通情况。

4.2 C工程扬压力超限分析

（1）UP-1超限分析

数据相关分析：UP-1（右岸坡2#坝段）建基面高程295m，最高扬压水位为314.56m，渗压系数在0.73-0.46之间，全年均超设计渗压系数0.35。因C工程库水位常年保持在322m附近，库水位无明显规律性变化，而扬压水位和渗压系数与温度呈明显负相关变化，说明存在渗流通道受温度影响开合，导致管水位呈周期性变化。

数据对比分析：其邻近的坝肩OH-5地下水位主要受降雨影响，最大年变幅2m，变化规律与UP-1不一致，排除该点受边坡地下水影响的可能。其他坝段多数测点也随气温呈周期性变化，但年变幅均在3m以内，远小于该测点水位年变幅5-8m，说明该坝段渗透性大于其他坝段坝基。

设计施工资料查证：高程290m~303m以上边坡以强风化岩体为主，节理裂隙较发育至发育，且发育顺坡向结构面，卸荷裂隙较发育，结构面微张至张开，局部附次生泥，为Ⅳ1~Ⅳ2类岩体。施工期间，安装间上游侧沿断层上盘岩体局部垮塌，左侧受厂房集水井边坡垮塌影响沿NW向结构面地基岩体部分垮塌。从资料查证，也说明该坝段地质条件较差。

现场检查：UP-1附近排水孔为P-4和P-5，其中右岸侧P-1～P-4未见排水，左岸侧P-5有少量水排出，说明整个坝段排水效果不佳。右廊道渗漏量监测资料显示，近5年来平均每年减少0.22L/S，说明排水有逐年堵塞的可能性。

处理建议：通过排水孔扫孔、补打排水孔等措施排水降压；密切关注渗压发展趋势，若进一步快速上涨，可综合应用渗流监测、水质分析等手段，查清渗漏通道，针对性开展灌浆补强措施。

（2）UP-11超限分析

数据过程线及相关性分析：UP-11（左岸坡12#坝段）建基面高程293m，2010年初至2012年底扬压水位逐渐升高，平均年涨幅1.5m。2013年后扬压水位逐渐稳定在308m附近，目前渗压系数稳定在0.54左右。其邻近的坝肩OH-3地下水位主要受降雨影响，最大年变幅3m，变化规律与UP-11不一致，排除该点受边坡地下水影响的可能。2010年至2013年时效性明显，可能系排水孔逐渐堵塞逐步失效导致水头逐年抬升，直至完全堵塞后水头维持不变。

设计施工资料查证：建基面以下为强风化下部至弱风化岩体，未发现断层，节理裂隙较发育，部分为缓倾角的，强风化带节理张开充填次生粘土，完整性较差。但未见施工期间岩体垮塌记录。

现场检查：UP-11附近排水孔P48存在排水存在堵孔现象，孔内铁锈、泥沙等析出物较多，坝基排水沟内有大量淤积物。左廊道渗漏量监测资料显示，近5年来平均每年减少0.91L/S。因此初步判断扬压水位逐渐升高是受排水孔堵塞影响。

处理建议：进行水质分析、淤积物成分分析，查找排水孔堵塞原因；通过排水孔扫孔、补打排水孔等措施排水降压。

5 结论

1. 扬压力与大坝运行工况、地质条件、帷幕灌浆、基础排水等多个因素相关，因此要进行科学、准确的扬压力分析，必须收集完整的设计、施工、运行资料。

2. 扬压力超限统计时，应设置运行工况条件，建立渗压系数、扬压力水头等综合监测预警指标，排除水库低水位、低水头等非不利工况不影响大坝抗滑稳定计算的超限情况。

3. 扬压力只影响抗力效应，故在扬压力超限时可通过承载能力极限状态设计式对抗力效应进行验算，分析相应坝段抗滑稳定是否满足规范要求。

4. 监测数据分析时，不仅要分析与环境量的相关性，还要建立整体概念，分析周边地下水、接缝的关联性，结合设计、施工、运行资料，与其他坝段扬压力变化特征进行综合对比，才能更加准确的分析影响超限的因素。

参考文献

[1]中华人民共和国国家经济贸易委员会.DL5108混凝土重力坝设计规范[S].北京：中国出版社，2000.

[2]中华人民共和国电力工业部.DL5077水工建筑物荷载设计规范[S].北京：中国出版社，1998.

[3]水电水利规划设计总院.水工设计手册（第2版）·第5卷混凝土坝[M].北京：中国水利水电出版社，2011.