沙沱水电站坝基扬压力分析及监控指标拟定

何平

中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳  550081

摘要：沙沱水电站自2013年4月下闸蓄水以来，坝基实测扬压力大部分超过设计值，本文采用逐步回归分析方法对坝基扬压力进行定量分析，并采用置信区间法重新拟定了坝基扬压力监控指标，以指导运行期监测工作，确保工程处于安全可控状态。

关键词：沙沱水电站；坝基扬压力；逐步回归分析；置信区间法；监控指标

1 概述

沙沱水电站是乌江干流开发方案中的第9级，枢纽工程规模为二等大（2）型。枢纽由碾压混凝土重力坝、坝身溢流表孔、左岸取水坝段、坝后厂房及右岸垂直升船机等建筑物组成。拦河大坝为全断面碾压混凝土重力坝，坝顶高程371.00m，河床最低建基面高程270.00m，最大坝高101m，电站装机容量1120MW（4×280MW），保证出力322.9MW，多年平均发电量45.52亿kW·h。通航建筑物为垂直升船机，过船吨位500t[1]。

沙沱水电站自2013年4月下闸蓄水至今已稳定运行9余年，基于工程安全监测系统所获历史数据反映的大坝变形、渗流等指标总体正常，大坝整体工作性态良好。但在运行过程中，通过渗流监测数据反馈出部分坝段实测渗压系数较设计值偏高。为此，有必要进一步对各坝段扬压力测值偏高的原因进行分析，全面复核坝基抗滑稳定及坝基应力，并重新拟定扬压力监控指标，以科学指导后续运行的监测工作，确保工程安全处于可控状态[2]。

2 监测布置及现状

（1）在坝纵0+006.500m桩号1#坝段~16#坝段共布置17个测压管，26支渗压计；其中在坝纵0+005.5m桩号上游主灌浆廊道内布置8套测压管，监测坝基帷幕后扬压力纵向分布情况；在坝横0+168.0m、坝横0+295.5m、坝横0+386.0m和坝横0+504.0桩号的四个横向排水廊道内布置测压管，监测坝基帷幕后扬压力横向分布情况，共计8套测压管。

（2）在坝纵0+006.500m桩号1#坝段~16#坝段共布置17个测压管，26支渗压计；其中在坝纵0+005.5m桩号上游主灌浆廊道内布置8套测压管，监测坝基帷幕后扬压力纵向分布情况；在坝横0+168.0m、坝横0+295.5m、坝横0+386.0m和坝横0+504.0桩号的四个横向排水廊道内布置测压管，监测坝基帷幕后扬压力横向分布情况，共计8套测压管。测压管从廊道内钻孔，穿过建基面1m，每套测压管内均安装1支渗压计，二者测值可相互验证。

（3）为满足下闸蓄水及长期运行要求，需加强坝基深层抗滑稳定渗压监测分析。在坝基深层抗滑相关底滑面上布置渗压监测仪器，以加强坝基深层渗压监测及预警。具体在7#坝段坝横0+244m桩号，中间廊道和下游廊道排水孔经过jr7夹层位置各布置1支渗压计（PByj-1、PByj-2）；10#坝段坝横0+370m桩号，中间廊道和下游廊道排水孔经过J4夹层位置各布置1支渗压计（PByj-3、PByj-4）。坝基深层渗压监测共布置4支渗压计。

（4）在6#~8#坝段上游深挖齿槽混凝土与四周基岩接合面上布置渗压计对该基础面渗压进行监测；在6#~8#坝段上游边坡局部裂隙发育部位布置渗压计监测其裂隙渗水情况；对6#坝段出现的冒水点埋设渗压计监测其发展情况；个别坝段因现场需要零星增设渗压计。

3 坝基扬压力分析及稳定复核

3.1坝基扬压力分析

3.1.1扬压力现状

（1）上游主灌浆廊道有20个测点渗压系数较高，渗压系数（9#坝段、PBZ5）最大值为0.58，平均值为0.41，测值出现突升或突降，波动范围均不大；其次（8#坝段、PBZ13）为0.51，平均值为0.41，测值也出现突升或突降，但波动范围均不大；其余18个测点渗压系数在0.2~0.48之间，则河床坝段（5#坝段~14#坝段）渗压系数均较高。

（2）岸坡坝段的3个测点渗压系数较高，实测渗压系数15#坝段（PBZ16）最大值为0.86，平均值为0.58，初期渗压系数较较小，经2016年突变，2019年测值出现突升或突降，但波动范围均不大；1#坝段（PBZ9）为0.39，平均值为0.27，波动范围不大。

（3）坝基深层抗滑渗压监测2个测点渗压系数较高，实测渗压系数10#坝段（PByj-3）最大值为0.85，平均值为0.57，测值比较稳定，变化缓慢；次之7#坝段（PByj-1）最大值为0.62，平均值为0.56。

（4）6#~8#坝段上游齿槽基础渗压监测2个测点渗压系数较高，实测渗压系数7#坝段（Pbj-7-2）最大值为0.91，平均值为0.83，测值变化比较稳定；次之8#坝段（Pbj-8-2）最大值为0.27，平均值为0.25。

3.1.2统计模型

选择水位变幅较大及测点渗压系数较大的扬压力测点，进行回归分析。影响坝基扬压力的因素主要是上、下游水位，混凝土（岩石）温度状况以及坝基防渗条件等，除此之外，降雨还可能对岸坡坝段的渗流状况和绕坝渗流有影响。基于上述分析，建立如下渗流统计模型

[3]：

式中   ——某扬压力测孔的扬压力测值；

       H——坝基扬压力测值的水压分量；

T——坝基扬压力测值的温度分量；

S——坝基扬压力测值的降雨分量；

t——坝基扬压力测值的时效分量。

（1）水压分量H

由实测资料及渗流理论分析表明，上下游水位变化对坝基扬压力测值有较大的影响，且有一定的滞后效应，采用多段平均上、下游水位的线性组合形式表示。综合考虑这些方面，其表达式为：

H=

                

式中：Hu0，Hu3，……，Hu60分别表示当天，前3天，……，前60天的平均上游水位；Hd0，Hd3，……，Hd60分别表示当天，前7天，……，前60天的平均下游水位。

（2）温度分量T

渗流受地基裂隙变化的影响，裂隙变化受基岩温度的作用。而基岩温度变化较小，且基本上呈年周期变化。因此温度因子可选用正弦波周期的谐波作为因子，由此求得温度分量，即：

  

式中： 、、 、——回归系数；

——监测日至实测日的累计天数；

——计算时段起测日至始测日的累计天数。

（3）降雨分量

一般采用前 天的降雨量的平均值作为因子，如前 1 天、2 天、5 天、10 天等的平均降雨量作为因子，即：

式中：——前 天的平均降雨量均值（ =1，2，5，10，……，天；

——回归系数。

（4）时效分量

时效分量是扬压力的一个重要分量，也是评价渗流状况的一个重要依据。坝前淤积、坝基裂隙的缓慢变化以及防渗体的防渗效应的变化等因素，都将影响坝基的渗流状况。其一般规律是在蓄水初期或某一工程措施初期变化较快，然后，随着时间的延伸而逐渐趋向平稳，这个分量称为时效分量，并选用目前常用的模式，即：

式中：、——时效因子回归系数。

综上所述，根据沙陀水电站的特点，并考虑初始值的影响，得到沙陀水电站的坝基扬压力测值回归模型为：

式中：——常数项。

3.1.3统计模型成果分析

（1）资料系列

本节选取扬压力测点渗压系数较大的测点建立统计模型，根据监测数据的整理分析，确定建模系列为2020年11月~2022年 4月，各测点的基准值均为初始测值。

（2）统计模型分析

采用多元线性回归分析法，对坝基扬压力28个测点自动化监测资料建立回归模型。根据各测点回归模型的回归系数、复相关系数（R）和标准差（S），各分量分解及统计成果绘制各测点的回归值及原始值过程线。

（3）精度分析

1）在28个扬压力监测点中，进行回归分析的各测点复相关系数R最大为0.98（PBZ11增），最小为0.74（PBZ4-1），其统计模型的复相关系数大于0.9的有PBZ3、 Pbj-8-2、PBZ11增、Pbyj-3、PBZ6-1增、PBZ7增、PBZ13增、PBZ8-1和PBZ16共9个测点，介于0.8～0.9之间的测点有16个，低于0.8的测点有3个。各扬压力测点测值统计模型精度总体较高。

2）各测点标准差在0.06m～2.82m之间。

3）各测点回归方程的F值在32.1～1344.91之间。

（4）分量效应分析

1）水压分量

坝基所有测点的回归方程均有水位因子入选，水压分量的变幅在0.16～8.66之间，约占测孔水位变化总量的12.68%～84.73%，可见库水位变化是引起坝基扬压力变化的主要原因，且大多数测点扬压力测值最大时发生在分析时段接近最高水位时，水压分量整体表现出“水位升高，扬压力增大；水位降低，扬压力减小”的规律。

2）降雨分量

降雨对扬压力孔水位变化也有一定的作用，降雨量较大的月份扬压力值一般较大，降雨分量变幅在0.00～4.03之间，约占降雨量变化总量的0.06%～19.21%

3）温度分量

所有测点的回归方程均有温度因子入选，温度分量对坝基扬压力有一定的影响，温度分量变幅在0.00～4.60之间，约占温度变化总量的0.00%～38.68%，温度对不同坝段的影响有差异。

4）时效分量

①时效对坝基扬压力有一定影响，但其影响逐渐趋于稳定，时效分量变幅在0.10～21.11之间，约占时效变化总量的4.16%～71.84%，说明由坝基防渗帷幕的防渗效应的变化及周围的排水情况、岩性、裂隙等因素造成的时效变化对坝基扬压力的变化产生了一定的影响。

②时效分量产生的原因主要是因为运行初期，在上游水位的持续作用下，坝基扬压力有所增大，表明前期扬压力有增大的趋势，后随着坝基渗流场的稳定，扬压力逐渐趋于稳定。

综上所述，库水位变化是引起坝基扬压力变化的主要原因，其次坝基扬压力受时效影响较大，但逐渐趋于稳定，温度变化对坝基扬压力有一定的影响，其作用界于时效和降雨之间，降雨变化对坝基扬压力的影响较小。

图1：PBZ11增的原始值及回归值过程线

3.2坝基扬压力监控指标拟定

3.2.1监控指标制定方法

常用监控指标的拟定有置信区间法和综合比较法。本次采用置信区间法拟定监控指标。

置信区间法的原理是统计理论的小概率事件，取显着性水平α（一般为1%～5%），则为小概率，在统计学中认为一般是不可能发生的，如果发生，则认为是异常的。

[4-6]

该方法首先根据实际监测资料，应用数学统计理论，建立数学模型，然后用数学模型来计算监测量的预报值及置信带：

式中：S—数学模型的标准差；β—α的函数（α=1%，β=2.58；α=5%，β=1.96）。

若测值落在Δ范围内，而且无趋势性变化，那么大坝运行正常，反之，则可能出现异常。预报和监控的原则是：

1）测点实测值不应大于监控指标。对于坝基扬压力，监控指标只取上限值；

2）用回归方程标准差S控制：①当时，测值正常；②当时，应跟踪监测2～3次，如无趋势性变化，则为正常，否则为异常，应分析成因；③当时，测值异常，应分析成因。上述各式中为实测值，为回归模型计算值。

3.2.2坝基扬压力监控指标

扬压力由水压、降雨、温度及时效变化等引起的。正常运行的大坝，最大坝基扬压力测值的推算应考虑在各种环境量(上下游水位、降雨、高温)极限情况下的可能组合，对于存在一定时效分量的测点，还应预计随着时间的推移，可能产生不可逆的扬压力增大值。

选取最大渗压系数超设计值的渗压计作为监控指标分析对象。

（1）水压分量

上游水位变化对坝基扬压力测值有较大影响，回归分析时段中坝基扬压力水压分量极限测值相对于回归时段初始日来说，大多数测点扬压力测值最大时发生在分析时段接近最高水位时。

（2）降雨分量

降雨变化对坝基扬压力测值有一定影响，各测点回归分析时段中坝基扬压力降雨分量极限测值相对于回归时段初始日来说，大多数测点扬压力测值最大时发生在分析时段降雨量较大时。

（3）时效分量

出于监控考虑，预报时段的时效量值仍按资料分析时段末累计时效分量或加上相应的时效增长量估算。

（4）温度分量

温度变化对坝基扬压力测值有一定影响，各测点回归分析时段中坝基扬压力温度分量极限测值相对于回归时段初始日来说，大多数测点扬压力测值最大时发生在分析时段温度较高时，这是由于温度高时，水的运动粘性系数减小，流速增大，坝基渗流穿过缝隙的能力增强。

（5）极限扬压力

影响坝基扬压力的主要因素是库水压力、降雨、温度及时效，最大扬压力发生在高水位、雨季、高温工况。通过坝区降雨、气温、水库水位分析，可认为：高水位工况基本发生在雨季，坝址所在区域雨季气温较高，这三种情况可认为是出现极限扬压力的环境量组合。考虑容许误差(2S) 及初始拟合值，坝基扬压力监控指标估算值见表1，表中所列的数值为2022年~2026年的监控指标值，2023年~2026年考虑随着时间的推移，产生不可逆的扬压力增大值，各测点增大值根据回归模型中时效分量确定。

表1：坝基扬压力监控指标值一览表

监控值（m）		2022年	2023年	2024年	2025年	2026年
测点	坝段
PBZ9	1#坝段	8.48	8.88	9.28	9.68	10.08
PBZ11	3#坝段	22.00	22.30	22.60	22.90	23.20
PBZ2-1	5#坝段	21.71	22.21	22.71	23.21	23.71
PBZ2-2	5#坝段	18.68	19.28	19.88	20.48	21.08
PBZ12	6#坝段	22.23	22.92	23.62	24.31	25.00
PBZ3	7#坝段	21.52	22.10	22.69	23.27	23.86
PBZ3增	7#坝段	18.93	19.85	20.76	21.67	22.58
Pbj-7-2	7#坝段	86.81	87.33	87.84	88.35	88.86
Pbj-8-2	8#坝段	40.74	40.93	41.11	41.29	41.47
PBZ10增	8#坝段	43.07	43.57	44.07	44.57	45.07
PBZ13	8#坝段	45.20	45.52	45.84	46.16	46.48
PBZ4-1	9#坝段	28.78	28.92	29.07	29.21	29.36
PBZ4-1增	9#坝段	24.64	24.89	25.15	25.40	25.66
PBZ-5	9#坝段	60.07	60.27	60.47	60.67	60.87
PBZ5增	9#坝段	21.11	21.26	21.41	21.56	21.71
PBZ11增	10#坝段	30.05	30.40	30.75	31.10	31.45
PBZ14	10#坝段	136.54	137.16	137.78	138.40	139.02
Pbyj-3	11#坝段	17.53	18.33	19.14	19.94	20.74
PBZ6-1	11#坝段	46.41	46.63	46.85	47.07	47.29
PBZ6-1增	11#坝段	33.72	34.52	35.32	36.12	36.92
PBZ7	12#坝段	20.39	20.50	20.61	20.72	20.83
PBZ7增	12#坝段	18.10	18.69	19.27	19.85	20.44
PBZ13增	13#坝段	27.27	28.17	29.07	29.97	30.87
PBZ15	13#坝段	32.91	34.15	35.39	36.63	37.87
PBZ8-1	14#坝段	40.84	41.04	41.24	41.44	41.64
PBZ16	15#坝段	55.00	56.50	58.00	59.50	61.00
PBZ12增	12#坝段	17.96	18.18	18.40	18.62	18.83
Pbyj-1	7#坝段	13.76	13.94	14.12	14.31	14.49

4 结论与建议

4.1结论

帷幕后上游灌浆廊道4#坝段、5#坝段、7#坝段、8#坝段、9#坝段、10#坝段、11#坝段、12#坝段、13#坝段、14#坝段的部分坝基渗压系数大于设计值0.20，其余坝段坝基渗压系数均小于设计值0.2；中部纵向排水廊道各坝段坝基扬压力测值变化较为平稳，其中仅5#坝段坝基渗压系数均大于设计值0.5；岸坡坝段坝基渗压系数均较小，仅右岸岸坡坝段15#坝段、左岸岸坡1#坝段坝基渗压系数大于设计值。

采用逐步回归分析法，对坝基扬压力超设计限值的28个测点2020年11月~2022年 4月自动化监测资料建立回归模型，结果表明水压分量的变幅在0.16～8.66之间，约占测孔水位变化总量的12.68%～84.73%，库水位是引起坝基扬压力变化的主要原因。进一步的复核坝基抗滑稳定及应力，目前扬压力较大的1#、7#、9#、13#、16#坝段建基面抗滑稳定及强度安全裕度均较大；即使扬压力不折减，5个坝段抗滑力均大于滑动力，满足规范要求。实测扬压力作用下，对效应组合下坝踵垂直应力均未出现拉应力，坝趾垂正应力均小于基岩的允许承载力。最后，采用置信区间法，给出了2022年~2026年扬压力监控指标值。

4.2建议

（1）根据现有监测成果复核坝基抗滑稳定虽然满足要求，且应力处于正常范围内，但仍需关注后续基础扬压力以及坝基渗流量、坝基及坝体变形等的变化情况。建议对坝基及坝体现有监测设施进行全面排查，对于可更换的监测设施尽快进行修复。

（2）由于监测数据是时间序列数据，随着时间推移以及部分边界条件的改变，以现有历史数据确定的监控模型适用性不是一成不变的，建议后续根据最新监测数据动态调整、优化渗流监控指标。

参考文献：

[1]董飞,冯海军,李会甫.沙沱水电站移民安置规划方案实施效果分析[J].水力发电,2020,46(07):46-49.

[2]沙沱水电站大坝渗流安全专题分析报告[R].贵阳:中国电建集团贵阳勘测设计研究院,2022

[3]张秀丽,杨泽艳.水工设计手册（第二版）第十一卷 水工安全监测［M］．北京:中国水利水电出版社,2011.

[4]李占超,侯会静.大坝安全监控指标理论及方法分析[J].水力发电,2010,36(05):64-67.

[5]李黎.大朝山大坝水平位移安全监控指标的拟定[J].云南水力发电,2019,35(01):28-32.

[6]李姝昱,张伟,姚远等.丰满大坝坝基扬压力安全监控指标拟定[J].人民黄河，2011，33(04):124-126.

作者简介：何平（1977-），男，工程师，贵州省思南县人，长期从事岩土及大坝安全监测工作。