土石壩滲流監(jiān)測儀器設備應用研究

(1.中國水電顧問集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051；

2.云南民族大學，云南 昆明 650221)

土石壩滲流監(jiān)測儀器設備應用研究

張玉龍1魯米香2

(1.中國水電顧問集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051；

2.云南民族大學，云南 昆明 650221)

滲流變化對土石壩的穩(wěn)定影響至關重要，滲流監(jiān)測儀器設備包括滲壓計、分布式光纖、測壓管以及量水堰。本文對各監(jiān)測儀器設備進行了綜合對比分析，提出了采用傳統(tǒng)監(jiān)測儀器與新型監(jiān)測手段相結合的方式，有助于及時分析庫水位變化情況下的土石壩內水力坡度及掌握浸潤線的實際情況，對土石壩滲流監(jiān)測及滲流理論研究的發(fā)展有借鑒作用。

土石壩；滲流；監(jiān)測儀器

隨著施工工藝的發(fā)展，土石壩以其施工技術簡單、可就地取材、抗震性能好[1]、適用性強[2]以及經濟性等方面的優(yōu)點，在國內應用越來越廣泛，據不完全統(tǒng)計，我國已建的近10萬座大壩中95%以上為土石壩，且在我國高壩中土石壩所占比重呈逐漸增長的趨勢[3]，如：已經完建的261.5m的糯扎渡心墻堆石壩，正在建設的295m高的兩河口心墻堆石壩以及正在規(guī)劃的315m高的如美心墻堆石壩等。

土石壩受到的破壞主要源于庫水滲漏，導致壩體變形，從而造成防滲體的破壞，即土石壩破壞通常以滲透破壞為主，包括壩體滲漏、壩基滲漏以及繞壩滲流。美國發(fā)表的資料顯示，40%左右的大壩是由于滲透變形而破壞，我國因滲透變形破壞的大壩甚至達到60%，因此運行期準確及時地完成對土石壩壩體內水位線和滲流的監(jiān)測有助于對壩體穩(wěn)定性的判斷，從而減少相應的損失。

近年來土石壩防滲結構的滲透特性及滲透穩(wěn)定性研究受到廣泛重視，在材料試驗、模型試驗、原型觀測以及數值模擬等方面均取得了較大進展[4-6]，已發(fā)展了多種在防滲結構出現裂縫等非常工況下土石壩滲流場的分析方法。目前土石壩壩體內部滲流監(jiān)測通常采用滲壓計；在壩體廊道或堆石體內部可設置相應的測壓管進行監(jiān)測，測壓管內安裝滲壓計可進行自動化監(jiān)測；隨著技術的進步，新型的監(jiān)測設施也不斷應用在土石壩內部滲流監(jiān)測，如：分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)；此外地質雷達檢測技術在大壩滲漏檢測中也得以應用；土石壩壩后通常安裝量水堰以直觀地監(jiān)測壩體整體滲漏情況。

1 土石壩滲流監(jiān)測儀器設備

土石壩中的面板堆石壩以面板作為主要的防滲措施，心墻堆石壩以心墻作為主要防滲體，均質土石壩以整個壩體作為防滲體。

滲透破壞對土石壩存在不可估量的嚴重后果，因此土石壩體內部的滲透壓力監(jiān)測必不可少。

1.1 滲壓計監(jiān)測

基于土石壩體內滲流的特性，滲壓計在土石壩內部滲透壓力監(jiān)測中起到以點代面甚至以多點推算整體的效果，在防滲體周邊可布設較密的滲壓計，根據監(jiān)測資料可準確定位滲漏點，從而有針對性地進行處理；堆石體內部或者均質土石壩內部沿上、下游方向在開挖較低的壩基部位布設一滲壓計監(jiān)測斷面，通過監(jiān)測成果并與壩后量水堰處所測水位相結合，可清晰地獲得壩體內浸潤線(見圖1)。

圖1 堆石壩壩體內浸潤線

通過對壩體內滲透壓力的分析可對壩體內滲流場進行反演分析。

根據壩體內浸潤線變化即可分析判斷防滲體的工況，以便及時對異常情況進行處理。

滲壓計安裝前應取下儀器端部的透水石，在鋼膜片上涂一層黃油或凡士林以防生銹，但要避免堵孔，且需將儀器在水中浸泡2h以上，使其達到飽和狀態(tài)。在土石壩內部滲壓計安裝埋設一般采用坑埋的方式，在基巖面或壩體內挖一個40cm×20cm×20cm(長×寬×深)的坑，在坑底填10cm厚細砂，置入滲壓計再鋪10cm細砂，注入清水飽和，在坑頂第一層反濾(心墻)料以人工夯實，第二層反濾(心墻)料須靜壓；壩基部位滲壓計安裝埋設一般采用鉆孔的方式，鉆孔深度一般在50cm左右或根據設計要求確定，鉆孔結束后將包有砂袋的儀器埋入預先完成的鉆孔內，周圍回填礫石，上部注入水泥漿或水泥膨潤土球，并采用水泥砂漿回填鉆孔。

滲壓計電纜應根據現場施工情況進行牽引保護，一般應沿變形較小的壩基、面板混凝土內部等進行牽引并穿管保護，為避免電纜因變形而拉斷，應預留10%左右的裕度，另應盡量避免滲壓計電纜在土石壩體內部進行牽引，當不可避免地需穿過壩體中間部位，需采取專門的保護措施。滲壓計接入監(jiān)測自動化系統(tǒng)后，可隨時分析壩體內水位線的變化情況。

1.2 測壓管

在心墻堆石壩壩基廊道防滲帷幕下游側，可鉆孔安裝測壓管對帷幕的防滲效果進行監(jiān)測；堆石體內通過造孔或預埋管監(jiān)測堆石體內水位變化情況。

測壓管鉆孔一般直徑76mm，深入基巖1m，鉆孔方向與基礎面垂直；開孔孔位與設計位置的偏差不得大于50mm；鉆孔工作結束后，測壓管埋設之前，應用壓力風水進行沖洗，將孔道內的鉆孔巖屑和泥沙沖洗干凈，直到回水變清10min后結束，并應向鉆孔內送入壓縮空氣，將鉆孔內的積水排干；測壓管一般用鍍鋅管加工，包括進水管和導管兩段，外徑50mm，壁厚4mm；進水管透水孔孔徑4～6mm，開孔率18%，梅花形布置，內壁無刺，管外壁包裹土工布，長75cm；在鉆孔底部充填洗凈的粒徑為5～8mm的砂卵石墊層，厚30cm，搗實，將測壓管放入孔內，進水管段底部位于砂卵石墊層上；在進水管周圍填入上述規(guī)格洗凈的砂礫石，并使之密實，填至設計高程后，回填M10水泥砂漿直至管口高程，水泥砂漿水灰比不大于0.4，并應搗實，以防產生氣泡和收縮；待水泥砂漿終凝后，測定管口高程，安裝滲壓計和孔口附件，并將電纜引出。為保證測壓管測值的可靠性，測壓管與孔壁之間應采取有效措施防止?jié)B漏，另外在廊道內帷幕灌漿施工結束前不得鉆孔安裝測壓管，否則帷幕灌漿施工將可能導致測壓管被封堵。

通過在心墻堆石壩壩體內安裝測壓管也可以準確監(jiān)測堆石體內部浸潤線。云南禮河一級水電站于1958年建成發(fā)電，攔河壩為80.5m高的黏土心墻壩，在其心墻下游堆石體內安裝了17個滲流監(jiān)測孔，并且取得了良好的監(jiān)測成果(見圖2)[9]。

圖2 禮河毛家灣壩體內水位孔監(jiān)測成果

測壓管安裝后，對有壓孔可通過壓力表或者采用電測水位計對測壓管內的水位進行監(jiān)測，并轉換為折減系數，以判斷帷幕防滲效果。

1.3 分布式光纖

光纖傳感技術是繼光纖通信后于20世紀80年代出現的集光學、電子學為一體的一種新興光學技術，光纖傳感器具有體積小、精度高、耐腐蝕、抗電磁干擾、耐水性好等優(yōu)良特性，適合于惡劣環(huán)境下物理量的測量，同時光纖傳感器集傳感和信息傳輸于一體，可實現分布式或準分布式以及遠距離監(jiān)測。自2000年李端有等[10]開始對溫度示蹤法進行壩體滲漏研究開始至今已有人對光纖在堤壩滲流中的應用進行專題研究[11-15]，2012年至今國內已有鄧翔文、徐翔宇、吳玉龍等多篇碩士論文對分布式光纖測溫技術在堤壩滲漏領域進行了深入研究。

目前光纖對滲漏測量已在水布埡面板堆石壩[16]、糯扎渡心墻堆石壩[17]等多座特大型水電工程中進行了應用，且取得了一定的成果。

光纖鋪設采用人工施放，不得打折、扭曲和用力拉伸，施放時應呈自然彎曲狀態(tài)，牽引力不得大于光纜允許張力的80%，瞬時牽引力不得大于光纜允許張力；光纖接續(xù)對環(huán)境質量要求較高，避免在雨天、大霧天和0℃以下施工；加熱光纖彎曲半徑不得小于其外徑的6倍，不得有中間接頭，且應做好防水。

分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)對滲流監(jiān)測主要有梯度法和熱脈沖法。梯度法是利用光纖系統(tǒng)直接測量壩體溫度，而不需要對光纖加熱，故其使用的局限性較大；熱脈沖法是利用給光纖加熱，進而通過對監(jiān)測區(qū)溫差進行分析而確定滲漏現象的一種監(jiān)測方法，其關鍵技術是研究壩體內滲流場與溫度場的對應關系。

土石壩中滲流場、溫度場、應力場互相作用，不同條件下所監(jiān)測的結果有一定的差異，需對各監(jiān)測部位進行專門試驗加以研究，為找出測點溫度與滲流的關系，水布埡工程中就采用堆石料做了大量的試驗。壩體內溫度變化受多種因素影響，建立溫度場與壩體滲流量之間精確的對應關系仍需要進行專題研究。光纖的對流換熱系統(tǒng)受很多因素影響，如：流速、光纖周圍環(huán)境等，且其使用前需對光纖加熱一段時間，緊急情況下要想通過光纖獲得滲流參數尚不可行。

1.4 量水堰

土石壩下游部位一般都安裝量水堰對壩體的滲流量進行監(jiān)測。

按照滲流量大小對量水堰類型進行選擇：流量在1～70L/s之間時，選擇直角三角形堰；滲流量在10～300L/s時采用梯形堰；當滲流量大于50L/s時采用矩形量水堰。

量水堰可定量測定土石壩壩體(含壩基及繞壩滲流)的總滲流量，并且與壩體內滲流監(jiān)測儀器相結合，從整體上判斷土石壩體滲流情況，進而對壩體的運行情況進行判斷。圖3為一面板堆石壩壩后滲流量—庫水位關系曲線圖。

圖3 面板堆石壩滲流量—庫水位關系圖

2 監(jiān)測儀器設備應用對比

滲壓計在各種壩體內作為滲流監(jiān)測儀器已得到廣泛應用，其與土石壩周圍環(huán)境緊密結合，監(jiān)測成果與該部位水位實際情況無滯后現象，且不會有井損等現象發(fā)生，流速水頭的影響極其微小，故其廣泛應用于土石壩內滲透壓力監(jiān)測；測壓管主要應用于灌漿廊道內或均質土壩壩體，監(jiān)測壩基灌漿質量和防滲效果或壩體浸潤線，但其在一定程度上有較小的井損現象發(fā)生。二者監(jiān)測數據受周圍環(huán)境量影響不大，監(jiān)測數據直觀，可及時對監(jiān)測成果進行分析；滲壓計或測壓管通常布置代表性測點，面板后、心墻或防滲帷幕后等重點部位雖可增加布置密度，但測點安裝數量仍較少，對于準確分析、判斷定位防滲體的滲漏點稍顯不足。

分布式光纖堤壩滲流系統(tǒng)的研究已經取得了較大的進步，該監(jiān)測手段在部分重點工程中已進行應用且取得了一定的監(jiān)測成果，其造價低、體積小，可在防滲體部位大面積布設，因此對于判斷土石壩防滲體滲漏點的具體地點有明顯的優(yōu)勢。但因采用光纖進行滲流監(jiān)測需合理判斷壩體內各種因素對測值的影響，尤其是目前對于土石壩滲流場、溫度場以及應力的耦合研究還較少，如何通過光纖精確地確定滲流情況尚需進一步研究，同時在其監(jiān)測前需對光纖進行加熱將會影響到數據采集的及時性。

壩后量水堰能夠測出土石壩的總滲流量，通過與相關工程以及設計參數進行對比，能夠分析判斷壩體的防滲是否正常，在壩體蓄水后的運行過程中能夠隨時通過對比滲流量大小，及時判斷壩體的工作性態(tài)。另外壩后量水堰與壩體內滲流監(jiān)測資料相結合能夠反演分析大壩滲流場。

3 結 語

a.滲壓計、測壓管在土石壩滲流監(jiān)測中發(fā)揮了相當大的作用，能夠用于分析、判斷壩體內的滲流情況，且對于壩體內滲流場的分析有不可或缺的作用，今后將長期應用在土石壩滲流監(jiān)測中。

b.分布式光纖滲流監(jiān)測系統(tǒng)雖已進行了深入的研究且在部分重點工程中已經采用，但鑒于其在土石壩內部應用受多種因素影響，故如何定量分析其監(jiān)測成果尚需進一步研究，在土石壩內光纖安裝前需對其進行現場試驗，目前已采用在光纖的部分節(jié)點布設滲壓計從而對光纖監(jiān)測成果進行修正不失為較好的方式。

c.采用量水堰能夠測定土石壩總滲流量，通過與壩體內滲流監(jiān)測儀器的結合可系統(tǒng)分析判斷土石壩的運行狀況。

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Research on application of earth and rockfill dam seepage monitoring instrument and equipment

ZHANG Yulong1, LU Mixiang2

(1.HydroChinaKunmingSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd.,Kunming650051,China;

2.YunnanUniversityforNationalities,Kunming650221,China)

Influence of seepage change on earth and rockfill dam stability is critical. Seepage monitoring instrument and equipment include osmometer, distributed optical fiber, piezometric tube and measuring weir. In the paper, monitoring instrument and equipment are comprehensively compared and analyzed. The mode of combining traditional monitoring instrument with novel monitoring methods is recommended, which is beneficial for timely analyzing hydraulic gradient in earth and rockfill dam and mastering practical condition of seepage line under the condition of reservoir water level change. It has reference role on developing earth and rockfill dam seepage monitoring and seepage theory research.

earth and rockfill dam; seepage; monitoring instrument

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2015.10.012

TV223.4

A

1673-8241(2015)10-0036-05