周国强

（中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000）

水力坡降法在大坝渗流监测中的应用

周国强

（中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000）

甘肃神树水电站首部枢纽工程大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高88.8m，坝顶长217.39m。坝址位于深覆盖层河床上。大坝为2级建筑物，按照规范要求必须对其渗流量进行监测，但由于大坝基础坐落在深厚覆盖层基础上，河床宽度相对较宽，如按常规设置量水堰，需在量水堰上游设置截渗墙进行坝体渗流量监测，其工程量及投资较高。为了节省工程投资，同时还能够合理地对坝体渗流量进行安全监测，确保工程运行安全，根据相关规范要求提出了用水力坡降法替代量水堰法对坝体进行渗流量监测，以达到工程渗流监测的目的。此举为深厚覆盖层修建的土石坝的渗流监测开辟了新的方法，可以优化工程投资，提高工程效益。目前，相关设计方案已经实施，待水库蓄水时即可投入运行。

混凝土面板堆石坝渗流监测；水力坡降法渗流量监测；渗流抽水井；渗流量计算

1 工程概况

神树水电站首部枢纽工程位于甘肃省天祝藏族自治县毛藏乡境内的杂木河干流上游，大、小毛藏河交汇口下游约380m处，其地理位置为东经102°26′40″、北纬37°31′10″。坝址距毛藏乡约3.5 km，距杂木河出山口（杂木渠首）约32.5 km。

水库总库容为4 183万m3，兴利库容为3 732万m3，50年淤积量为418万m3，死库容为278万m3，调洪库容为173万m3。电站额定水头422.27m，设计引用流量15.0m3/s，电站总装机容量52MW，多年平均发电量1.679亿kw·h，年利用小时数3 211 h。

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252—2000）和《防洪标准》（GB50201—94）的规定，本工程属中型Ⅲ等工程。由于挡水大坝高度超过了70m，大坝级别提高为2级，但洪水标准不提高。

混凝土面板堆石坝正常蓄水位2 661.5m，设计洪水位2 661.5m，校核洪水位2 662.6m，坝顶高程2 664.8 m，防浪墙顶2 666.0m，坝顶宽8.0 m，最大坝高88.8m，坝顶长217.39m。根据平趾板段河床的开挖深度和河床段深河槽的分布情况，将水平段趾板采用高趾墙结构，与左侧平趾板和右侧岸坡趾板相连，和面板及趾板基础防渗帷幕灌浆形成完整的防渗体系。高趾墙建基面高程为2 576.00m，顶部高程2 588.00m，最大墙高12.0m。坝体上游坝坡1∶1.45，下游坝坡在高程2 625.00m处设置2.5m宽的一级马道，在高程2 625.0 m以上的坝坡为1∶1.45，以下坝坡为1∶1.40，在马道以上坝后坡设置有5.0m宽“之”字型上坝公路。

在深覆盖层上修建的混凝土面板坝工程，采用水力梯度法对坝体渗流量进行监测，由于缺少相关的实施经验，本文从渗流监测设计理论依据、方案布置及计算方法等方面进行分析研究，为方案的实施可行性及后期成果分析的可靠性进行论述，阐明水力梯度法对深覆盖层修建的土石坝工程进行渗流监测是合理可行的，值得推荐的设计方案。

2 渗流监测概况

杂木河神树水电站大坝枢纽为混凝土面板堆石坝，作为挡水建筑物，土石坝的渗流监测极为重要，本工程主要的渗流监测布置情况如下：

（1）坝体渗透压力监测。渗透压力监测主要在面板底部垫层料中埋设渗压计，监测库水在通过面板以后的渗透压力情况。高程2 596.00m、2 601.00m、2 606.00m部位的垫层料内部，沿平行坝轴线方向每个高程面布设6支渗压计，共计18支，采用挖坑埋设。

（2）河床坝基渗流监测。根据大坝枢纽工程混凝土面板堆石坝的总体布置，结合坝体浸润线变化的规律，在坝基沿主河床坝横0＋180.00 m布设一条渗流监测断面，渗漏监测断面沿河床深泓线进行布置。坝基渗流监测采用渗压计，每35m设置一支，共9支，采用挖坑埋设，以监测坝基的渗透压力分布和坝体内部从上游到下游的渗流分布情况。在高趾墙帷幕上游侧2.0m的位置，基岩面以下深度3m和深度9m处各布置1支渗压计，帷幕下游侧3.0m位置的相同高程各布置1支渗压计，共计4支，采用钻孔埋设，以观测帷幕上下游的水位差，判断高趾墙和灌浆帷幕的防渗效果。总计埋设渗压计13支。

（3）坝体渗流量监测。坝体渗流量是反映大坝运行状态的重要指标，对于了解和分析大坝的安全性状具有重要意义。坝体渗流量监测主要包括坝体本身的渗流量观测、坝基渗流量观测、绕坝渗流量观测等内容。由于工程特殊的地形特点，坝体渗漏主要来自坝体本身和坝基的渗漏。原设计方案是：在下游坝脚处设置截渗墙，在截渗墙顶部安排集水沟，以汇集来自坝体和坝基的渗流，排水沟末端设置量水堰，采用不锈钢标准三角堰进行渗流量监测。

按照消毒的有关流程严格对病牛污染的牛舍、用具等进行消毒处理，对牛场地、圈舍、车辆等采用2%烧碱消毒，对饲养场的金属设备设施采用火焰、熏蒸等方式消毒[3]，对病牛剩下的饲料以及垫料采用深埋发酵或者焚烧的方式处理，对于病牛的粪便采用堆积密封发酵方式进行处理。

从渗流量监测精度而言，量水堰法观测坝体渗流量较为直观且精度较高。但就工程实施及工程造价而言，由于河床相对较宽且坝后覆盖层较厚（最大厚度24 m），施工截渗墙、设置集水沟、安装量水堰的难度相对较大，工程投资较高。为此，在尽量满足规范误差要求的前提下，设计中提出了采用水力坡降法替代量水堰法监测坝体渗流量的新布置方案。

3 水力坡降法取代量水堰方案依据

3.1 国家能源局标准国家能源局发布实施的《土石坝安全监测技术规范》中关于土石坝渗流量监测规定：当深覆盖层地基，下游无尾水且渗透（漏）水低于河床面，采用在坝下游河床中间隔设置测压管经地下水坡降计算来求取渗流量时，测压管间距一般为10～20 m，以获得10 cm以上的水头差为宜，该水头差值是根据渗流量监测误差不大于10％的要求反算而得的。执行中，可根据不同介质的实际透水性灵活掌握。

3.2 水利部标准水利部2012-03-28发布、2012-06-28实施的中华人民共和国水利行业标准《土石坝安全监测技术规范》（SL 551-2012）［1］关于土石坝渗流量监测中规定：当透水层深厚、渗流水位低于地面时，可在坝下游河床中设渗流压力监测设施，通过监测渗流压力计算出渗透坡降和渗流量。

4 渗流监测布置方案

根据上述规范的要求，监测设计中在垂直水流方向、大坝坝后坡脚前布设三排测压管作为监测断面（如图1中I-I断面），间排距为15m，最后一排距坝后坡脚2m，每排监测断面间隔6m，共布设13根测压管组成测压管群（如图1）。每根测压管内均埋设渗压计以便后期自动监测管内水位。通过实测水位求得测压管群覆盖范围内渗流场的等水位线和流线，并据此将渗流场划分成若干微小区域，采用水力坡降法计算微小区域流量后再叠加得到总流量。测压管群系统共布设测压管孔位39个，埋设渗压计39支，在坝后坡下部坝基内组成72m×30m的矩形地下水位监测网，作为水力坡降法布置的总布设面积。

图1 神树水电站首部枢纽水力坡降法渗流量监测平面布置

在测压管群监测渗流量的基础上，在监测网下游的河床部位设置两口抽水井进行简单抽水试验以辅助分析坝基透水层的渗透性，同时根据抽水流量定性分析渗流量。抽水井位于原河床中坝后坡脚下游5 m处，直径0.8 m，井间距20 m，两口井中心线平行坡脚线，每口抽水井深20 m，地面4 m以下均设过滤器按潜水非完整井进行抽水试验。

5 监测成果计算方法

按照土石坝渗流监测规范中渗流量监测要求，在大坝坝后河床深透水层内可以通过埋有渗压计的测压管测出不同时期的水力坡降：

式中：J为多孔介质中的水力坡降，无量纲；h前为靠近坝前测点的测压管水头，m；h后为靠近坝后测点的测压管水头，m；L前后为前后两测点的水平间距，m。

根据达西定律关于渗流速度的规定，可以计算确定透过坝后河床过水断面的渗流流速：

式中：V为多孔介质中渗透水流的流速，m/s；K为多孔介质的渗透系数，根据工程实际水文地质资料而定，m/s，本工程根据钻孔抽水试验资料及室内试验资料，漂卵砾石的渗透系数70～90 m/ d，可通过抽水井经行抽水试验校核；J为多孔介质中的水力坡降，无量纲。

渗流力学中达西定律应用上限是临界雷诺数Re在1～10范围内，一般选Re=5，下限为终止于黏性土中微小流速的渗流。水利工程中，自然状态下细裂隙岩体中的渗流均符合层流规律，一般都可以按照达西定律处理问题。

结合神树坝后覆盖层即透水层过水断面面积根据流体力学基本理论可以求得坝后通过一定过水断面面积的渗流量：

式中：Q为多孔介质中的渗流量即单位时间内渗透水流穿过某一过水断面的体积，m3/s；A为多孔介质中渗透水流穿过的过水断面面积，m2；V为多孔介质中渗透水流的流速，m/s。

为了尽量准确地求得渗流量，采用布设测压管群方案，根据39个测压管水位测值求解地下透水层渗流场，求解结果是两组互相正交的曲线：等水位线和流线，其示意图见图2。

图2 监测区域渗流场示意图

根据实际测得的地下水位，借助计算机求解出监测区域的渗流场。取相邻两根等水位线，将它们中间的区域划分成若干很小的矩形（近似上图黄色区域），计算渗流水通过这矩形区域的流量（求过流面积需要的高可根据附近测压管的高度插值求得）；将相邻两根等水位线之间所有小矩形区域的流量叠加后即可获得总流量。

如果确定的等水位线有n根，采用上述同样的方法可以算出n-1个结果（相邻等水位线组成一组，可以有n-1个组合），这些结果之间可以互相验证。调整n的大小，加密/分散等水位线间距，可以减小（增大）n-1个结果之间的差异，提高（降低）最终总流量结果的精确度，同时增加（减少）计算工作量。

最终流量监测成果可取n-1个结果的平均值。

如上所述通过把整个大的渗流区域划分成若干个小区域，以尽量准确地拟合出不透水基岩层和渗流自由水位线围成的过水断面，求出相应小单元过水断面渗流量，进而叠加计算出总渗流量，该方法可以借助自动化监测和计算。

测压管阵后方布设两口抽水井，抽水井打入基岩，按照潜水非完整井的试验方法和计算公式，通过抽水试验验证透水层渗透系数K，并通过不同工况时抽水量和对应水位恢复时间算得井的流量，从而粗略估算、定性分析渗流量，和前部测压管系统用水力坡降法测得的渗流量进行比较。因抽水试验时会存在坝后回水、井间干扰、坝前后水位影响等因素，抽水井抽水算出渗流量与测压管群所测渗流量势必不完全一致，设计方案仅借助抽水井进行比对分析。另外，抽水井中放置渗压计可以借助自动化量测，但进行抽水试验必须进行人工操作。

水力坡降法计算结果相比量水堰量测结果，计算精度势必有所差异，水力坡降法计算渗流量的同时，当坝前水位发生明显涨落时，应加密坝前水位、导流洞出口水位、坝后地下水位观测，并保持测次同步，从而得出相应时段的渗流量，为更准确、更深入地分析判断大坝渗流情况积累详实的资料。

6 结语

土石坝的渗流监测是工程的重中之重，渗流量的大小直接关系到坝体的安全，但对于深覆盖层上修建的土石坝的渗流监测，按照常规在坝体下游修建截渗墙，采用量水堰的方式对渗流量进行监测，往往造成工程投资增加，且截渗墙的施工效果将直接影响其观测效果，对其观测精度也造成一定的影响。采用水力坡降法对坝体渗流量进行监测的方法，其原理是根据坝区水流的各项异性，采用多点采集，多点分析，并配合下游集水井抽水率定河床覆盖层渗透系数的方法综合分析。经过一定的运行时间后总结出合理的经验计算公式，能够较合理的反映坝体的渗漏情况，从理论上是可行的，且由于水力坡降法施工简单，工程投资费用小，值得在类似工程的相应渗流监测中进行推广。

目前神树水电站首部枢纽混凝土面板堆石坝渗流量监测已经采用水力坡降法监测方案施工完毕，待工程蓄水时即可投入运行，承担起坝体渗流监测的功能。

［1］SL 551-2012.土石坝安全监测技术规范［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

（责任编辑：李福田）

2014-09-21

周国强（1974-）男，宁夏中卫人，高级工程师，主要从事水利水电工程规划设计工作。

E-mail：549992247@qq.com。