周國(guó)強(qiáng)

（中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

水力坡降法在大壩滲流監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

周國(guó)強(qiáng)

（中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

甘肅神樹水電站首部樞紐工程大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高88.8m，壩頂長(zhǎng)217.39m。壩址位于深覆蓋層河床上。大壩為2級(jí)建筑物，按照規(guī)范要求必須對(duì)其滲流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但由于大壩基礎(chǔ)坐落在深厚覆蓋層基礎(chǔ)上，河床寬度相對(duì)較寬，如按常規(guī)設(shè)置量水堰，需在量水堰上游設(shè)置截滲墻進(jìn)行壩體滲流量監(jiān)測(cè)，其工程量及投資較高。為了節(jié)省工程投資，同時(shí)還能夠合理地對(duì)壩體滲流量進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，確保工程運(yùn)行安全，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求提出了用水力坡降法替代量水堰法對(duì)壩體進(jìn)行滲流量監(jiān)測(cè)，以達(dá)到工程滲流監(jiān)測(cè)的目的。此舉為深厚覆蓋層修建的土石壩的滲流監(jiān)測(cè)開辟了新的方法，可以優(yōu)化工程投資，提高工程效益。目前，相關(guān)設(shè)計(jì)方案已經(jīng)實(shí)施，待水庫(kù)蓄水時(shí)即可投入運(yùn)行。

混凝土面板堆石壩滲流監(jiān)測(cè)；水力坡降法滲流量監(jiān)測(cè)；滲流抽水井；滲流量計(jì)算

1 工程概況

神樹水電站首部樞紐工程位于甘肅省天祝藏族自治縣毛藏鄉(xiāng)境內(nèi)的雜木河干流上游，大、小毛藏河交匯口下游約380m處，其地理位置為東經(jīng)102°26′40″、北緯37°31′10″。壩址距毛藏鄉(xiāng)約3.5 km，距雜木河出山口（雜木渠首）約32.5 km。

水庫(kù)總庫(kù)容為4 183萬(wàn)m3，興利庫(kù)容為3 732萬(wàn)m3，50年淤積量為418萬(wàn)m3，死庫(kù)容為278萬(wàn)m3，調(diào)洪庫(kù)容為173萬(wàn)m3。電站額定水頭422.27m，設(shè)計(jì)引用流量15.0m3/s，電站總裝機(jī)容量52MW，多年平均發(fā)電量1.679億kw·h，年利用小時(shí)數(shù)3 211 h。

根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252—2000）和《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201—94）的規(guī)定，本工程屬中型Ⅲ等工程。由于擋水大壩高度超過(guò)了70m，大壩級(jí)別提高為2級(jí)，但洪水標(biāo)準(zhǔn)不提高。

混凝土面板堆石壩正常蓄水位2 661.5m，設(shè)計(jì)洪水位2 661.5m，校核洪水位2 662.6m，壩頂高程2 664.8 m，防浪墻頂2 666.0m，壩頂寬8.0 m，最大壩高88.8m，壩頂長(zhǎng)217.39m。根據(jù)平趾板段河床的開挖深度和河床段深河槽的分布情況，將水平段趾板采用高趾墻結(jié)構(gòu)，與左側(cè)平趾板和右側(cè)岸坡趾板相連，和面板及趾板基礎(chǔ)防滲帷幕灌漿形成完整的防滲體系。高趾墻建基面高程為2 576.00m，頂部高程2 588.00m，最大墻高12.0m。壩體上游壩坡1∶1.45，下游壩坡在高程2 625.00m處設(shè)置2.5m寬的一級(jí)馬道，在高程2 625.0 m以上的壩坡為1∶1.45，以下壩坡為1∶1.40，在馬道以上壩后坡設(shè)置有5.0m寬“之”字型上壩公路。

在深覆蓋層上修建的混凝土面板壩工程，采用水力梯度法對(duì)壩體滲流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由于缺少相關(guān)的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，本文從滲流監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)理論依據(jù)、方案布置及計(jì)算方法等方面進(jìn)行分析研究，為方案的實(shí)施可行性及后期成果分析的可靠性進(jìn)行論述，闡明水力梯度法對(duì)深覆蓋層修建的土石壩工程進(jìn)行滲流監(jiān)測(cè)是合理可行的，值得推薦的設(shè)計(jì)方案。

2 滲流監(jiān)測(cè)概況

雜木河神樹水電站大壩樞紐為混凝土面板堆石壩，作為擋水建筑物，土石壩的滲流監(jiān)測(cè)極為重要，本工程主要的滲流監(jiān)測(cè)布置情況如下：

（1）壩體滲透壓力監(jiān)測(cè)。滲透壓力監(jiān)測(cè)主要在面板底部墊層料中埋設(shè)滲壓計(jì)，監(jiān)測(cè)庫(kù)水在通過(guò)面板以后的滲透壓力情況。高程2 596.00m、2 601.00m、2 606.00m部位的墊層料內(nèi)部，沿平行壩軸線方向每個(gè)高程面布設(shè)6支滲壓計(jì)，共計(jì)18支，采用挖坑埋設(shè)。

（2）河床壩基滲流監(jiān)測(cè)。根據(jù)大壩樞紐工程混凝土面板堆石壩的總體布置，結(jié)合壩體浸潤(rùn)線變化的規(guī)律，在壩基沿主河床壩橫0＋180.00 m布設(shè)一條滲流監(jiān)測(cè)斷面，滲漏監(jiān)測(cè)斷面沿河床深泓線進(jìn)行布置。壩基滲流監(jiān)測(cè)采用滲壓計(jì)，每35m設(shè)置一支，共9支，采用挖坑埋設(shè)，以監(jiān)測(cè)壩基的滲透壓力分布和壩體內(nèi)部從上游到下游的滲流分布情況。在高趾墻帷幕上游側(cè)2.0m的位置，基巖面以下深度3m和深度9m處各布置1支滲壓計(jì)，帷幕下游側(cè)3.0m位置的相同高程各布置1支滲壓計(jì)，共計(jì)4支，采用鉆孔埋設(shè)，以觀測(cè)帷幕上下游的水位差，判斷高趾墻和灌漿帷幕的防滲效果。總計(jì)埋設(shè)滲壓計(jì)13支。

（3）壩體滲流量監(jiān)測(cè)。壩體滲流量是反映大壩運(yùn)行狀態(tài)的重要指標(biāo)，對(duì)于了解和分析大壩的安全性狀具有重要意義。壩體滲流量監(jiān)測(cè)主要包括壩體本身的滲流量觀測(cè)、壩基滲流量觀測(cè)、繞壩滲流量觀測(cè)等內(nèi)容。由于工程特殊的地形特點(diǎn)，壩體滲漏主要來(lái)自壩體本身和壩基的滲漏。原設(shè)計(jì)方案是：在下游壩腳處設(shè)置截滲墻，在截滲墻頂部安排集水溝，以匯集來(lái)自壩體和壩基的滲流，排水溝末端設(shè)置量水堰，采用不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)三角堰進(jìn)行滲流量監(jiān)測(cè)。

按照消毒的有關(guān)流程嚴(yán)格對(duì)病牛污染的牛舍、用具等進(jìn)行消毒處理，對(duì)牛場(chǎng)地、圈舍、車輛等采用2%燒堿消毒，對(duì)飼養(yǎng)場(chǎng)的金屬設(shè)備設(shè)施采用火焰、熏蒸等方式消毒[3]，對(duì)病牛剩下的飼料以及墊料采用深埋發(fā)酵或者焚燒的方式處理，對(duì)于病牛的糞便采用堆積密封發(fā)酵方式進(jìn)行處理。

從滲流量監(jiān)測(cè)精度而言，量水堰法觀測(cè)壩體滲流量較為直觀且精度較高。但就工程實(shí)施及工程造價(jià)而言，由于河床相對(duì)較寬且壩后覆蓋層較厚（最大厚度24 m），施工截滲墻、設(shè)置集水溝、安裝量水堰的難度相對(duì)較大，工程投資較高。為此，在盡量滿足規(guī)范誤差要求的前提下，設(shè)計(jì)中提出了采用水力坡降法替代量水堰法監(jiān)測(cè)壩體滲流量的新布置方案。

3 水力坡降法取代量水堰方案依據(jù)

3.1 國(guó)家能源局標(biāo)準(zhǔn)國(guó)家能源局發(fā)布實(shí)施的《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》中關(guān)于土石壩滲流量監(jiān)測(cè)規(guī)定：當(dāng)深覆蓋層地基，下游無(wú)尾水且滲透（漏）水低于河床面，采用在壩下游河床中間隔設(shè)置測(cè)壓管經(jīng)地下水坡降計(jì)算來(lái)求取滲流量時(shí)，測(cè)壓管間距一般為10～20 m，以獲得10 cm以上的水頭差為宜，該水頭差值是根據(jù)滲流量監(jiān)測(cè)誤差不大于10％的要求反算而得的。執(zhí)行中，可根據(jù)不同介質(zhì)的實(shí)際透水性靈活掌握。

3.2 水利部標(biāo)準(zhǔn)水利部2012-03-28發(fā)布、2012-06-28實(shí)施的中華人民共和國(guó)水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（SL 551-2012）［1］關(guān)于土石壩滲流量監(jiān)測(cè)中規(guī)定：當(dāng)透水層深厚、滲流水位低于地面時(shí)，可在壩下游河床中設(shè)滲流壓力監(jiān)測(cè)設(shè)施，通過(guò)監(jiān)測(cè)滲流壓力計(jì)算出滲透坡降和滲流量。

4 滲流監(jiān)測(cè)布置方案

根據(jù)上述規(guī)范的要求，監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)中在垂直水流方向、大壩壩后坡腳前布設(shè)三排測(cè)壓管作為監(jiān)測(cè)斷面（如圖1中I-I斷面），間排距為15m，最后一排距壩后坡腳2m，每排監(jiān)測(cè)斷面間隔6m，共布設(shè)13根測(cè)壓管組成測(cè)壓管群（如圖1）。每根測(cè)壓管內(nèi)均埋設(shè)滲壓計(jì)以便后期自動(dòng)監(jiān)測(cè)管內(nèi)水位。通過(guò)實(shí)測(cè)水位求得測(cè)壓管群覆蓋范圍內(nèi)滲流場(chǎng)的等水位線和流線，并據(jù)此將滲流場(chǎng)劃分成若干微小區(qū)域，采用水力坡降法計(jì)算微小區(qū)域流量后再疊加得到總流量。測(cè)壓管群系統(tǒng)共布設(shè)測(cè)壓管孔位39個(gè)，埋設(shè)滲壓計(jì)39支，在壩后坡下部壩基內(nèi)組成72m×30m的矩形地下水位監(jiān)測(cè)網(wǎng)，作為水力坡降法布置的總布設(shè)面積。

圖1 神樹水電站首部樞紐水力坡降法滲流量監(jiān)測(cè)平面布置

在測(cè)壓管群監(jiān)測(cè)滲流量的基礎(chǔ)上，在監(jiān)測(cè)網(wǎng)下游的河床部位設(shè)置兩口抽水井進(jìn)行簡(jiǎn)單抽水試驗(yàn)以輔助分析壩基透水層的滲透性，同時(shí)根據(jù)抽水流量定性分析滲流量。抽水井位于原河床中壩后坡腳下游5 m處，直徑0.8 m，井間距20 m，兩口井中心線平行坡腳線，每口抽水井深20 m，地面4 m以下均設(shè)過(guò)濾器按潛水非完整井進(jìn)行抽水試驗(yàn)。

5 監(jiān)測(cè)成果計(jì)算方法

按照土石壩滲流監(jiān)測(cè)規(guī)范中滲流量監(jiān)測(cè)要求，在大壩壩后河床深透水層內(nèi)可以通過(guò)埋有滲壓計(jì)的測(cè)壓管測(cè)出不同時(shí)期的水力坡降：

式中：J為多孔介質(zhì)中的水力坡降，無(wú)量綱；h前為靠近壩前測(cè)點(diǎn)的測(cè)壓管水頭，m；h后為靠近壩后測(cè)點(diǎn)的測(cè)壓管水頭，m；L前后為前后兩測(cè)點(diǎn)的水平間距，m。

根據(jù)達(dá)西定律關(guān)于滲流速度的規(guī)定，可以計(jì)算確定透過(guò)壩后河床過(guò)水?dāng)嗝娴臐B流流速：

式中：V為多孔介質(zhì)中滲透水流的流速，m/s；K為多孔介質(zhì)的滲透系數(shù)，根據(jù)工程實(shí)際水文地質(zhì)資料而定，m/s，本工程根據(jù)鉆孔抽水試驗(yàn)資料及室內(nèi)試驗(yàn)資料，漂卵礫石的滲透系數(shù)70～90 m/ d，可通過(guò)抽水井經(jīng)行抽水試驗(yàn)校核；J為多孔介質(zhì)中的水力坡降，無(wú)量綱。

滲流力學(xué)中達(dá)西定律應(yīng)用上限是臨界雷諾數(shù)Re在1～10范圍內(nèi)，一般選Re=5，下限為終止于黏性土中微小流速的滲流。水利工程中，自然狀態(tài)下細(xì)裂隙巖體中的滲流均符合層流規(guī)律，一般都可以按照達(dá)西定律處理問(wèn)題。

結(jié)合神樹壩后覆蓋層即透水層過(guò)水?dāng)嗝婷娣e根據(jù)流體力學(xué)基本理論可以求得壩后通過(guò)一定過(guò)水?dāng)嗝婷娣e的滲流量：

式中：Q為多孔介質(zhì)中的滲流量即單位時(shí)間內(nèi)滲透水流穿過(guò)某一過(guò)水?dāng)嗝娴捏w積，m3/s；A為多孔介質(zhì)中滲透水流穿過(guò)的過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；V為多孔介質(zhì)中滲透水流的流速，m/s。

為了盡量準(zhǔn)確地求得滲流量，采用布設(shè)測(cè)壓管群方案，根據(jù)39個(gè)測(cè)壓管水位測(cè)值求解地下透水層滲流場(chǎng)，求解結(jié)果是兩組互相正交的曲線：等水位線和流線，其示意圖見圖2。

圖2 監(jiān)測(cè)區(qū)域滲流場(chǎng)示意圖

根據(jù)實(shí)際測(cè)得的地下水位，借助計(jì)算機(jī)求解出監(jiān)測(cè)區(qū)域的滲流場(chǎng)。取相鄰兩根等水位線，將它們中間的區(qū)域劃分成若干很小的矩形（近似上圖黃色區(qū)域），計(jì)算滲流水通過(guò)這矩形區(qū)域的流量（求過(guò)流面積需要的高可根據(jù)附近測(cè)壓管的高度插值求得）；將相鄰兩根等水位線之間所有小矩形區(qū)域的流量疊加后即可獲得總流量。

如果確定的等水位線有n根，采用上述同樣的方法可以算出n-1個(gè)結(jié)果（相鄰等水位線組成一組，可以有n-1個(gè)組合），這些結(jié)果之間可以互相驗(yàn)證。調(diào)整n的大小，加密/分散等水位線間距，可以減?。ㄔ龃螅﹏-1個(gè)結(jié)果之間的差異，提高（降低）最終總流量結(jié)果的精確度，同時(shí)增加（減少）計(jì)算工作量。

最終流量監(jiān)測(cè)成果可取n-1個(gè)結(jié)果的平均值。

如上所述通過(guò)把整個(gè)大的滲流區(qū)域劃分成若干個(gè)小區(qū)域，以盡量準(zhǔn)確地?cái)M合出不透水基巖層和滲流自由水位線圍成的過(guò)水?dāng)嗝?，求出相?yīng)小單元過(guò)水?dāng)嗝鏉B流量，進(jìn)而疊加計(jì)算出總滲流量，該方法可以借助自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和計(jì)算。

測(cè)壓管陣后方布設(shè)兩口抽水井，抽水井打入基巖，按照潛水非完整井的試驗(yàn)方法和計(jì)算公式，通過(guò)抽水試驗(yàn)驗(yàn)證透水層滲透系數(shù)K，并通過(guò)不同工況時(shí)抽水量和對(duì)應(yīng)水位恢復(fù)時(shí)間算得井的流量，從而粗略估算、定性分析滲流量，和前部測(cè)壓管系統(tǒng)用水力坡降法測(cè)得的滲流量進(jìn)行比較。因抽水試驗(yàn)時(shí)會(huì)存在壩后回水、井間干擾、壩前后水位影響等因素，抽水井抽水算出滲流量與測(cè)壓管群所測(cè)滲流量勢(shì)必不完全一致，設(shè)計(jì)方案僅借助抽水井進(jìn)行比對(duì)分析。另外，抽水井中放置滲壓計(jì)可以借助自動(dòng)化量測(cè)，但進(jìn)行抽水試驗(yàn)必須進(jìn)行人工操作。

水力坡降法計(jì)算結(jié)果相比量水堰量測(cè)結(jié)果，計(jì)算精度勢(shì)必有所差異，水力坡降法計(jì)算滲流量的同時(shí)，當(dāng)壩前水位發(fā)生明顯漲落時(shí)，應(yīng)加密壩前水位、導(dǎo)流洞出口水位、壩后地下水位觀測(cè)，并保持測(cè)次同步，從而得出相應(yīng)時(shí)段的滲流量，為更準(zhǔn)確、更深入地分析判斷大壩滲流情況積累詳實(shí)的資料。

6 結(jié)語(yǔ)

土石壩的滲流監(jiān)測(cè)是工程的重中之重，滲流量的大小直接關(guān)系到壩體的安全，但對(duì)于深覆蓋層上修建的土石壩的滲流監(jiān)測(cè)，按照常規(guī)在壩體下游修建截滲墻，采用量水堰的方式對(duì)滲流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，往往造成工程投資增加，且截滲墻的施工效果將直接影響其觀測(cè)效果，對(duì)其觀測(cè)精度也造成一定的影響。采用水力坡降法對(duì)壩體滲流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方法，其原理是根據(jù)壩區(qū)水流的各項(xiàng)異性，采用多點(diǎn)采集，多點(diǎn)分析，并配合下游集水井抽水率定河床覆蓋層滲透系數(shù)的方法綜合分析。經(jīng)過(guò)一定的運(yùn)行時(shí)間后總結(jié)出合理的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，能夠較合理的反映壩體的滲漏情況，從理論上是可行的，且由于水力坡降法施工簡(jiǎn)單，工程投資費(fèi)用小，值得在類似工程的相應(yīng)滲流監(jiān)測(cè)中進(jìn)行推廣。

目前神樹水電站首部樞紐混凝土面板堆石壩滲流量監(jiān)測(cè)已經(jīng)采用水力坡降法監(jiān)測(cè)方案施工完畢，待工程蓄水時(shí)即可投入運(yùn)行，承擔(dān)起壩體滲流監(jiān)測(cè)的功能。

［1］SL 551-2012.土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范［S］.

Discussion on hyd rau lic grad ient m ethod app lied in dam seepage m onitoring

ZHOU Guo-qiang

（CSCECAECOM ConsultantsCO.，LTD，Lanzhou 730000，China）

The first hub project of Shenshu storage power station is a concrete face rockfill dam with a maximum height of 88.8m and a crest length 217.39 m.The dam is located on the deep overburden river?bed.Because the dam is level 2 building，the seepage flow should be monitored according to the specifica?tion requirements.But the dam foundation is located on the deep overburden，and the riverbed is wide.So setting in a weir upstream cutoff wall to monitor the dam seepage flow is a regular method，but the invest?ment cost is too high.In order to save the project cost，ensure the safe operation of the project and moni?tor the dam seepage flow safely，the design will monitor the dam seepage flow with hydraulic gradient meth?od instead of method of measuring weir according to relevant regulations.At the same time，the new meth?od could optim ize the project investment and improve engineering efficiency.At present，the construction based on the design is completed and the monitoring system could be put into operation when the dam be?gans impounding.

concrete faced rockfill dam seepage monitoring；seepage flow monitoring by hydraulic gradient method；seepage pumping wells；seepage flow calculation

TV139.1

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.04.006

1672-3031（2014）04-0371-05

（責(zé)任編輯：李福田）

2014-09-21

周國(guó)強(qiáng)（1974-）男，寧夏中衛(wèi)人，高級(jí)工程師，主要從事水利水電工程規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。

E-mail：549992247@qq.com。