南水北調(diào)雙王城水庫大壩滲流觀測及變化規(guī)律

李寶坤，魏 國，毛安婷

（1.南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250109；2.山東潤魯工程咨詢集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250100）

雙王城水庫是南水北調(diào)東線一期干線工程山東省境內(nèi)建設(shè)的3 座中型水庫之一，位于壽光市北雙王城生態(tài)經(jīng)濟(jì)園區(qū)。水庫最高設(shè)計蓄水水位為12.50 m，對應(yīng)最大蓄水量為6 150 萬m3；最低供水水位為3.90 m，相應(yīng)的蓄水量為820 萬m3，綜合年度調(diào)節(jié)水量為5 310 萬m3。設(shè)計初步運(yùn)行年入庫水量為7 480 萬m3，蒸發(fā)及滲漏量為1 128 萬m3，初步設(shè)計的年供水量為6 350 萬m3。設(shè)計向?yàn)H坊、青島年供水量為4 350 萬m3，向壽光當(dāng)?shù)仄髽I(yè)年供水量為1 000 萬m3。水庫泵站裝有兩大兩小4 臺水泵，組合使用，互為備用。水庫泵站機(jī)組最大設(shè)計入庫流量為8.61 m3/s，最小流量為1.5 m3/s。

1 水庫圍壩滲流觀測設(shè)施設(shè)計

1.1 壩基防滲設(shè)計

雙王城水庫圍壩為復(fù)合土工膜防滲體斜墻砂壤土均質(zhì)壩，在圍壩全長96.36 km 范圍內(nèi)設(shè)混凝土防滲圍墻，在內(nèi)坡距壩軸線41.5 m 位置，設(shè)置厚30 cm 的混凝土防滲墻。防滲墻設(shè)計深度為28 m，頂高程3.5 m；滲透系數(shù)為≤1×10-5cm/s；混凝土28 d 后抗壓強(qiáng)度為4～5 MPa，防滲墻抗拉強(qiáng)度≥0.65 MPa；允許滲透比降大于50。

1.2 壩體防滲設(shè)計

壩坡防滲采用復(fù)合土工膜，復(fù)合土工膜結(jié)構(gòu)由兩層織物中間加一層PE 膜組成，土工布為300 g/m2針副無紡?fù)凉げ迹琍E 膜厚0.5 mm。防滲墻拉應(yīng)力大于12 MPa，伸長率應(yīng)大于300%，彈性模量應(yīng)大于70 MPa，抗凍性大于零下60 ℃，連接部位強(qiáng)度高于母材的強(qiáng)度?；炷练罎B墻抗撕裂強(qiáng)度≥40 N/mm；抗?jié)B能力在1.05 MPa 水壓下應(yīng)保持48 h 不滲水，滲透系數(shù)小于1×10-5cm/s。

1.3 滲壓計的種類及選用

由于振弦式滲壓計具有傳感精度高，測量范圍大的特點(diǎn)，且結(jié)構(gòu)簡單，能適用于長期埋設(shè)在水工建筑或混凝土及壩體內(nèi)，測量壩體或建筑物內(nèi)部的滲透水壓力，并且可以實(shí)時測量埋設(shè)位置的溫度，因此工程選用振弦式滲壓計，日常人工測量的滲壓計為吊裝在測壓管內(nèi)的滲壓計。

1.4 圍壩滲壓計的布設(shè)

雙王城水庫在圍壩0+050、2+390、4+050、6+050、8+050 五個斷面分別埋設(shè)5 支直埋式滲壓計，共計25 支。在圍壩1+050、3+050、5+050、7+050、9+050 五個斷面分別埋設(shè)4 支測壓管+滲壓計，共計20 支。

1.5 觀測頻次設(shè)定

雙王城水庫圍壩測壓管觀測分為人工觀測與自動觀測兩種，自動觀測為主，人工觀測為輔。人工觀測對自動觀測數(shù)據(jù)起到校正作用。自動觀測頻次為每天12∶00 及24∶00 各1 次，人工觀測頻次為每周1 次。

2 水庫圍壩滲流規(guī)律分析

1）選取3 個測壓管，對2020 年3 月11 日至12 月18 日非調(diào)水期水庫水位、測壓管水頭統(tǒng)計見圖1 所示。

圖1 水位、滲流曲線

由圖1 可知：非調(diào)水期間圍壩滲流曲線隨著水庫水位的下降而均勻下降，離水庫水面近的1 號測壓管內(nèi)水位高于離水面遠(yuǎn)的3 號測壓管內(nèi)的水位（1、2、3 號測壓管由近及遠(yuǎn)遠(yuǎn)離水庫內(nèi)坡），相同時間內(nèi)離水庫水面近的測壓管內(nèi)水位變化量大于離水面遠(yuǎn)的測壓管內(nèi)的水位變化量。

2）選取三個測壓管，對2020 年12 月18 日至2021 年3 月18 日調(diào)水期水庫水位、測壓管水頭統(tǒng)計如圖2 所示。

圖2 水位、滲流曲線

由圖2 可知，水庫開機(jī)進(jìn)水后約25 d 內(nèi)，雖然水庫水位不斷上升，但是測壓管內(nèi)的水位卻依然保持下降的趨勢。

3）選取3 個測壓管，對2021 年3 月24 日至2021 年8 月31 日停機(jī)初期水位、測壓管水頭統(tǒng)計如圖3 所示。

圖3 水位、滲流曲線

由圖3 可知，水庫泵站停機(jī)后，水庫水位明顯逐步降低，但在停機(jī)后的37 d 內(nèi)，測壓管內(nèi)水位卻依然保持上升的趨勢。說明水庫水位變化繞過防滲墻傳遞到測壓管需要30 d 左右的時間。

通過調(diào)水初期與停機(jī)初期測壓管內(nèi)水頭變化反應(yīng)的時間可以判斷：水庫水位上升產(chǎn)生的向外滲透壓力的傳遞速率大于水庫水位下降滲透壓力變小向外傳遞的速率，符合水庫大壩正常滲透壓傳遞規(guī)律。

3 影響滲流變化的因素

1）調(diào)水期水庫水位日變化量較大，最大單日水庫水位升高值為10 cm，是造成大壩滲流曲線升高變化的主要原因。

2）非調(diào)水期水庫日變化量很小，最大單日水庫水位下降值為2 cm，所以非調(diào)水期間大壩滲流曲線穩(wěn)定，降雨是影響滲壓計數(shù)值產(chǎn)生較大變化的主要原因。

4 滲流觀測結(jié)果分析

1）工程在建設(shè)過程中對庫內(nèi)水井進(jìn)行了有效的封堵，在水庫內(nèi)坡距圍壩軸線41 m 處，設(shè)置了塑性混凝土防滲墻，對水庫防滲起到了很好的截滲作用，有效地降低了水庫的滲流曲線。水庫設(shè)計年蒸發(fā)滲漏損失總量為1 128 萬m3，但在2015—2020 年的運(yùn)行中（其中3 年為高水位運(yùn)行），水庫年蒸發(fā)滲漏總量最小為791.45 萬m3，最大為974.51 萬m3，遠(yuǎn)低于水庫設(shè)計蒸發(fā)滲漏損失總量，詳見表1。所以，不論從滲流曲線的變化，還是蒸發(fā)滲漏量的觀測，都能反應(yīng)出水庫的防滲效果符合設(shè)計要求，圍壩質(zhì)量安全可靠。

表1 2015—2020 年雙王城水庫蒸發(fā)滲漏損失總量 萬m3

2）工程運(yùn)行初期采用的監(jiān)測設(shè)備、數(shù)據(jù)采集方法基本滿足工程需要，觀測頻次計監(jiān)測數(shù)據(jù)管理能夠滿足規(guī)范要求。

3）表面變形監(jiān)測點(diǎn)和測壓管完好率較高，獲取較完整的監(jiān)測資料。土壓計、應(yīng)變計及滲壓計等傳感器采用自動化采集，受自動化系統(tǒng)穩(wěn)定性較差影響，獲取監(jiān)測資料可靠性較差，無法反應(yīng)工程實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。應(yīng)對自動化系統(tǒng)進(jìn)行維修或更新，滲壓計繼續(xù)納入自動監(jiān)測。

4）圍壩各監(jiān)測斷面實(shí)測滲壓變化規(guī)律一致，與庫水位呈明顯相關(guān)性；每個監(jiān)測斷面實(shí)測滲壓分布規(guī)律基本一致，靠近上游側(cè)測點(diǎn)實(shí)測滲壓較高，靠近下游側(cè)測點(diǎn)實(shí)測滲壓較小。圍壩實(shí)測滲壓符合正常規(guī)律。

總之，通過監(jiān)測資料分析，未發(fā)現(xiàn)建筑物明顯異?，F(xiàn)象，目前工程總體正常，在近7 年的運(yùn)行中，雙王城水庫滲漏量始終低于設(shè)計值。

5 土石壩發(fā)生滲漏的常見問題分析

1）壩體滲漏。填筑土石壩壩體時，如果壩體壓實(shí)度達(dá)不到設(shè)計要求，就會導(dǎo)致壩體滲透系數(shù)過大，當(dāng)水庫開始蓄水隨之水位的升高，水體的滲透壓力就會越來越大，浸潤線以下的壩體便都很容易變成滲漏的通道，滲透水就會在壩體外皮的壩腳處滲出，形成逸出點(diǎn)，隨之水位的不斷升高水壓的不斷增大，可能出現(xiàn)大面積的逸出點(diǎn)，慢慢的逸出點(diǎn)就會連成片，導(dǎo)致壩體出現(xiàn)滑坡甚至潰壩。

2）壩基滲漏。壩基在施工過程中，如果基礎(chǔ)材料搭配不合理或者壓實(shí)度不夠，容易在壩基淺層位置形成透水層。在庫內(nèi)水壓的不斷作用下，會產(chǎn)生滲漏涌道，水流便從壩基滲流到壩腳形成逸出點(diǎn)，慢慢地使壩基沙石料被帶走，形成空隙變沼澤化，嚴(yán)重時水流會變得渾濁翻砂，最終導(dǎo)致大的滲漏通道的形成甚至決堤。

6 滲流監(jiān)測處理建議

1）對壩體、壩基、繞滲及導(dǎo)滲（含減壓溝和減壓井）的滲流量，應(yīng)分段、分區(qū)進(jìn)行監(jiān)測。如果條件允許，可以利用分布式溫度測量的方法反應(yīng)大壩滲流狀況。所有集水和量水設(shè)施，都應(yīng)該避免其他因素水的影響。

2）若下游有滲漏水時，應(yīng)在下游腳附近設(shè)計排滲溝，在排滲溝內(nèi)設(shè)置水堰并測出其明流水量。

3）若透水層厚度較大，滲流水水位明顯低于地面時，可在壩下游河床中設(shè)置壓力觀測設(shè)施，通過監(jiān)測滲流壓力的變化確定浸潤線的滲透坡降和滲流量。滲流壓力觀測點(diǎn)應(yīng)沿水流方向布設(shè)，一般間距為10～20 m。

4）盡量避免較重車輛或震動較大的車輛從壩頂行駛，避免堆放重量超過壩體承受能力的物品。正確控制水位的上升及下降速度，防止出現(xiàn)滲壓過大造成壩坡淘刷的情況發(fā)生。

5）在固定的滲流出口或堰口對滲漏水水樣進(jìn)行采樣。在監(jiān)測滲流流量的同時，測記相應(yīng)滲漏水的溫度、透明度和氣溫。溫度測量應(yīng)精確到0.5 ℃。水體透明度應(yīng)測量兩次并確保兩次的測量值的插值小于等于1 cm。如果水體比較渾濁，還應(yīng)該測量出其相應(yīng)的含砂量。

6）對于滲流水水質(zhì)的分析，可根據(jù)現(xiàn)場需要，進(jìn)行全面或者簡單的分析。在對壩體或壩基的滲流水水質(zhì)進(jìn)行分析時，同時取水庫水樣進(jìn)行對比分析。