察爾森水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程壩后滲漏量監(jiān)測(cè)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李 帥，徐志國(guó)，趙 也，徐金婷

（1.松遼水利委員會(huì)察爾森水庫(kù)管理局，內(nèi)蒙古烏蘭浩特 137400；2.水利部松遼水利委員會(huì)，吉林 長(zhǎng)春 130021；3.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130012）

1 工程概況

察爾森水庫(kù)位于嫩江支流洮兒河中游，是一座以防洪、灌溉為主，結(jié)合發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合利用的大（1）型水庫(kù)。水庫(kù)原安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)中有4座量水堰，施工中僅安裝了溢洪道附近的1座量水堰，但在1998年洪水中被沖毀，其他3座量水堰沒(méi)有安裝。

2011年，察爾森水庫(kù)被鑒定為“三類(lèi)壩”，為保證工程安全運(yùn)行，需進(jìn)行水庫(kù)除險(xiǎn)加固。此次除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)階段壩后滲流量設(shè)計(jì)方案為在原位置對(duì)原設(shè)計(jì)中的滲流量監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備進(jìn)行恢復(fù)與修建，共修建量水堰4座，并在該位置建量水堰觀測(cè)維護(hù)房。人工觀測(cè)采用水位測(cè)針，自動(dòng)觀測(cè)采用磁致式液位計(jì)。

2 地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)條件

壩址區(qū)位于洮兒河上游，在壩址以上洮兒河分東西兩支，河流方向?yàn)楸蔽鳌蠔|向，河谷兩岸不對(duì)稱，左岸地形較緩，地形坡度一般為15°～30°，局部稍陡，比高45.0m，屬于丘陵地形。右岸較陡，地形坡度一般為20°～35°，山頂高程500.00 m，為低山。谷底寬約1550.0m，呈寬淺“U”字型，河漫灘發(fā)育，谷底高程一般為334.00～336.00 m，兩岸零星發(fā)育有Ⅰ級(jí)階地和Ⅱ級(jí)階地。壩址區(qū)出露地層主要為第四系松散堆積層、侏羅系下統(tǒng)上興安嶺組噴出巖及燕山期侵入巖。

2.2 水文地質(zhì)條件

壩址區(qū)地下水按其埋藏條件，可分為第四系松散堆積層孔隙潛水和基巖裂隙水兩種。孔隙潛水主要埋藏于漫灘、階地及岸坡的松散堆積層中，埋深1.0～3.0m，含水層為砂礫石層，水位年變幅一般為1.0～2.0m，接受大氣降水及基巖裂隙水補(bǔ)給，水化學(xué)類(lèi)型為重碳酸鉀鈉型水；裂隙水埋藏于基巖裂隙中，壩址兩岸基巖裂隙水埋深較深，一般埋深20.0～50.0m，地下水位高程337.00～345.00m，受大氣降水和庫(kù)水滲流的補(bǔ)給，排泄于洮兒河中。

3 必要性

根據(jù)水庫(kù)多年的運(yùn)行情況，壩下河道內(nèi)未形成明流，地下水位低于地表。結(jié)合大壩實(shí)際工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件，大壩滲流量監(jiān)測(cè)采用量水堰監(jiān)測(cè)方法已不能滿足實(shí)際運(yùn)行管理需要，因此，對(duì)大壩滲流量監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行優(yōu)化與調(diào)整是非常必要的。

4 優(yōu)化與調(diào)整方案

依據(jù)SL551-2012《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》，第5.5.2款“滲流量監(jiān)測(cè)布置應(yīng)符合以下規(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。滲流壓力測(cè)點(diǎn)沿順?biāo)鞣较蛞瞬荚O(shè)2個(gè)，間距10～20m。在垂直水流方向，應(yīng)根據(jù)控制過(guò)水?dāng)嗝婕捌錆B透性進(jìn)行布設(shè)”中相關(guān)規(guī)定，對(duì)大壩壩后滲流量監(jiān)測(cè)方案采用布設(shè)滲流壓力監(jiān)測(cè)設(shè)施，通過(guò)監(jiān)測(cè)實(shí)際滲流壓力計(jì)算滲透坡降和滲流量。根據(jù)規(guī)范，滲流量計(jì)算方法采用斷面測(cè)量法推求滲流量。具體優(yōu)化調(diào)整如下：

1）在3個(gè)原監(jiān)測(cè)斷面（樁號(hào)：0+575.2，0+878.3和1+242）上，距靠近大壩坡腳側(cè)測(cè)壓管（編號(hào)：D9-5，D9-9和D9-9）的下游側(cè)20m處各增設(shè)1個(gè)測(cè)壓管，管內(nèi)安裝滲壓計(jì)，共增設(shè)3個(gè)測(cè)壓管和3支滲壓計(jì)，與原3個(gè)測(cè)壓管組成壩后滲漏量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2）大壩滲流量可根據(jù)新增設(shè)的測(cè)壓管水位實(shí)際觀測(cè)值，按照裘布依公式計(jì)算得出。根據(jù)裘布依假定，認(rèn)為壩下的覆蓋層為二維穩(wěn)定滲流，自由面是一條流線為等勢(shì)線的鉛直線，即流速是水平向的，具有靜水壓力分布。根據(jù)該假定可按裘布衣公式計(jì)算出大壩滲漏量：

式中：Q——滲漏量；K——含水層的滲透系數(shù)；S——過(guò)水?dāng)嗝婷娣e(隨著下游河床實(shí)測(cè)水位而變）；J——含水層的水力坡降。

滲漏量計(jì)算范圍為壩下河床的覆蓋層，滲流深度計(jì)算至不透水層，根據(jù)壩下河床地質(zhì)橫剖面圖地層分布情況，采用條分法，將地層部分滲流區(qū)域沿河床橫向劃分為n個(gè)分區(qū)，條分法示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 條分法示意圖

圖2 子區(qū)劃分示意圖

根據(jù)裘布衣公式，各子區(qū)滲流量為

式中：kj——子區(qū)含水地層滲透系數(shù)；J——含水地層的平均水力坡降；Sj——子區(qū)含水地層過(guò)水面積；bi——分區(qū)寬度；hj——子區(qū)含水地層高度。

由此得出，地層部分滲流量為

其中，各地層滲透系數(shù)kj參照初設(shè)階段壩基土體物理力學(xué)參數(shù)參考值，詳見(jiàn)表1。

表1 壩下河床各地層滲透系數(shù)建議值表cm/s

計(jì)算至巖基求得，平均水力坡降J由壩下河床布設(shè)的兩排測(cè)壓管的實(shí)測(cè)水位計(jì)算求出，即

式中：L——兩排測(cè)壓管間距。

分區(qū)寬度bi根據(jù)壩下河床地質(zhì)橫剖面圖地層走向確定。

子區(qū)含水地層高度hj分3種情況計(jì)算：1）當(dāng)實(shí)測(cè)水位在該地層上下限高程范圍內(nèi)，hj為兩排測(cè)壓管實(shí)測(cè)平均水位減去該地層下限高程；2）當(dāng)實(shí)測(cè)水位高于地層上限高程，hj為該地層厚度；3）當(dāng)實(shí)測(cè)水位低于地層下限高程，hj為0值。

5 影響分析

采用壩下河床布設(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，滿足規(guī)范要求，與批準(zhǔn)的初步設(shè)計(jì)方案相比，降低了施工難度，節(jié)省了工程投資，且不會(huì)對(duì)大壩上游壩坡加固工程安全、施工工期、生態(tài)環(huán)境等產(chǎn)生不利影響。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，結(jié)合察爾森水庫(kù)多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和類(lèi)似工程實(shí)例，察爾森水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程采用在大壩下游覆蓋層內(nèi)布置多個(gè)測(cè)壓管斷面監(jiān)測(cè)測(cè)壓管水位變化，用斷面測(cè)量法推求滲漏量是符合相關(guān)規(guī)范要求，大壩滲漏量監(jiān)測(cè)方式設(shè)計(jì)優(yōu)化與調(diào)整是可行的、有效的，滿足大壩工程滲流量監(jiān)測(cè)要求。