(1.中國水電顧問集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051；

2.云南民族大學(xué)，云南 昆明 650221)

土石壩滲流監(jiān)測儀器設(shè)備應(yīng)用研究

張玉龍1魯米香2

(1.中國水電顧問集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051；

2.云南民族大學(xué)，云南 昆明 650221)

滲流變化對土石壩的穩(wěn)定影響至關(guān)重要，滲流監(jiān)測儀器設(shè)備包括滲壓計(jì)、分布式光纖、測壓管以及量水堰。本文對各監(jiān)測儀器設(shè)備進(jìn)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(jié)合的方式，有助于及時(shí)分析庫水位變化情況下的土石壩內(nèi)水力坡度及掌握浸潤線的實(shí)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(shù)簡單、可就地取材、抗震性能好[1]、適用性強(qiáng)[2]以及經(jīng)濟(jì)性等方面的優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)應(yīng)用越來越廣泛，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，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(jīng)完建的261.5m的糯扎渡心墻堆石壩，正在建設(shè)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(dǎo)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(dá)到60%，因此運(yùn)行期準(zhǔn)確及時(shí)地完成對土石壩壩體內(nèi)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(yīng)的損失。

近年來土石壩防滲結(jié)構(gòu)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(yàn)、模型試驗(yàn)、原型觀測以及數(shù)值模擬等方面均取得了較大進(jìn)展[4-6]，已發(fā)展了多種在防滲結(jié)構(gòu)出現(xiàn)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(nèi)部滲流監(jiān)測通常采用滲壓計(jì)；在壩體廊道或堆石體內(nèi)部可設(shè)置相應(yīng)的測壓管進(jìn)行監(jiān)測，測壓管內(nèi)安裝滲壓計(jì)可進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測；隨著技術(shù)的進(jìn)步，新型的監(jiān)測設(shè)施也不斷應(yīng)用在土石壩內(nèi)部滲流監(jiān)測，如：分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)；此外地質(zhì)雷達(dá)檢測技術(shù)在大壩滲漏檢測中也得以應(yīng)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(shè)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(zhì)土石壩以整個(gè)壩體作為防滲體。

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

1.1 滲壓計(jì)監(jiān)測

基于土石壩體內(nèi)滲流的特性，滲壓計(jì)在土石壩內(nèi)部滲透壓力監(jiān)測中起到以點(diǎn)代面甚至以多點(diǎn)推算整體的效果，在防滲體周邊可布設(shè)較密的滲壓計(jì)，根據(jù)監(jiān)測資料可準(zhǔn)確定位滲漏點(diǎn)，從而有針對性地進(jìn)行處理；堆石體內(nèi)部或者均質(zhì)土石壩內(nèi)部沿上、下游方向在開挖較低的壩基部位布設(shè)一滲壓計(jì)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(jié)合，可清晰地獲得壩體內(nèi)浸潤線(見圖1)。

圖1 堆石壩壩體內(nèi)浸潤線

通過對壩體內(nèi)滲透壓力的分析可對壩體內(nèi)滲流場進(jìn)行反演分析。

根據(jù)壩體內(nèi)浸潤線變化即可分析判斷防滲體的工況，以便及時(shí)對異常情況進(jìn)行處理。

滲壓計(jì)安裝前應(yīng)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(dá)到飽和狀態(tài)。在土石壩內(nèi)部滲壓計(jì)安裝埋設(shè)一般采用坑埋的方式，在基巖面或壩體內(nèi)挖一個(gè)40cm×20cm×20cm(長×寬×深)的坑，在坑底填10cm厚細(xì)砂，置入滲壓計(jì)再鋪10cm細(xì)砂，注入清水飽和，在坑頂?shù)谝粚臃礊V(心墻)料以人工夯實(shí)，第二層反濾(心墻)料須靜壓；壩基部位滲壓計(jì)安裝埋設(shè)一般采用鉆孔的方式，鉆孔深度一般在50cm左右或根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定，鉆孔結(jié)束后將包有砂袋的儀器埋入預(yù)先完成的鉆孔內(nèi)，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(jì)電纜應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場施工情況進(jìn)行牽引保護(hù)，一般應(yīng)沿變形較小的壩基、面板混凝土內(nèi)部等進(jìn)行牽引并穿管保護(hù)，為避免電纜因變形而拉斷，應(yīng)預(yù)留10%左右的裕度，另應(yīng)盡量避免滲壓計(jì)電纜在土石壩體內(nèi)部進(jìn)行牽引，當(dāng)不可避免地需穿過壩體中間部位，需采取專門的保護(hù)措施。滲壓計(jì)接入監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)后，可隨時(shí)分析壩體內(nèi)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(cè)，可鉆孔安裝測壓管對帷幕的防滲效果進(jìn)行監(jiān)測；堆石體內(nèi)通過造孔或預(yù)埋管監(jiān)測堆石體內(nèi)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(chǔ)面垂直；開孔孔位與設(shè)計(jì)位置的偏差不得大于50mm；鉆孔工作結(jié)束后，測壓管埋設(shè)之前，應(yīng)用壓力風(fēng)水進(jìn)行沖洗，將孔道內(nèi)的鉆孔巖屑和泥沙沖洗干凈，直到回水變清10min后結(jié)束，并應(yīng)向鉆孔內(nèi)送入壓縮空氣，將鉆孔內(nèi)的積水排干；測壓管一般用鍍鋅管加工，包括進(jìn)水管和導(dǎo)管兩段，外徑50mm，壁厚4mm；進(jìn)水管透水孔孔徑4～6mm，開孔率18%，梅花形布置，內(nèi)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(shí)，將測壓管放入孔內(nèi)，進(jìn)水管段底部位于砂卵石墊層上；在進(jìn)水管周圍填入上述規(guī)格洗凈的砂礫石，并使之密實(shí)，填至設(shè)計(jì)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(yīng)搗實(shí)，以防產(chǎn)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(jì)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(yīng)采取有效措施防止?jié)B漏，另外在廊道內(nèi)帷幕灌漿施工結(jié)束前不得鉆孔安裝測壓管，否則帷幕灌漿施工將可能導(dǎo)致測壓管被封堵。

通過在心墻堆石壩壩體內(nèi)安裝測壓管也可以準(zhǔn)確監(jiān)測堆石體內(nèi)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(nèi)安裝了17個(gè)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(nèi)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(jì)對測壓管內(nèi)的水位進(jìn)行監(jiān)測，并轉(zhuǎn)換為折減系數(shù)，以判斷帷幕防滲效果。

1.3 分布式光纖

光纖傳感技術(shù)是繼光纖通信后于20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的集光學(xué)、電子學(xué)為一體的一種新興光學(xué)技術(shù)，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(shí)光纖傳感器集傳感和信息傳輸于一體，可實(shí)現(xiàn)分布式或準(zhǔn)分布式以及遠(yuǎn)距離監(jiān)測。自2000年李端有等[10]開始對溫度示蹤法進(jìn)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(yīng)用進(jìn)行專題研究[11-15]，2012年至今國內(nèi)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(shù)在堤壩滲漏領(lǐng)域進(jìn)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(jìn)行了應(yīng)用，且取得了一定的成果。

光纖鋪設(shè)采用人工施放，不得打折、扭曲和用力拉伸，施放時(shí)應(yīng)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(shí)牽引力不得大于光纜允許張力；光纖接續(xù)對環(huán)境質(zhì)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(yīng)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(jìn)而通過對監(jiān)測區(qū)溫差進(jìn)行分析而確定滲漏現(xiàn)象的一種監(jiān)測方法，其關(guān)鍵技術(shù)是研究壩體內(nèi)滲流場與溫度場的對應(yīng)關(guān)系。

土石壩中滲流場、溫度場、應(yīng)力場互相作用，不同條件下所監(jiān)測的結(jié)果有一定的差異，需對各監(jiān)測部位進(jìn)行專門試驗(yàn)加以研究，為找出測點(diǎn)溫度與滲流的關(guān)系，水布埡工程中就采用堆石料做了大量的試驗(yàn)。壩體內(nèi)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(yīng)關(guān)系仍需要進(jìn)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(shí)間，緊急情況下要想通過光纖獲得滲流參數(shù)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(jìn)行監(jiān)測。

按照滲流量大小對量水堰類型進(jìn)行選擇：流量在1～70L/s之間時(shí)，選擇直角三角形堰；滲流量在10～300L/s時(shí)采用梯形堰；當(dāng)滲流量大于50L/s時(shí)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(nèi)滲流監(jiān)測儀器相結(jié)合，從整體上判斷土石壩體滲流情況，進(jìn)而對壩體的運(yùn)行情況進(jìn)行判斷。圖3為一面板堆石壩壩后滲流量—庫水位關(guān)系曲線圖。

圖3 面板堆石壩滲流量—庫水位關(guān)系圖

2 監(jiān)測儀器設(shè)備應(yīng)用對比

滲壓計(jì)在各種壩體內(nèi)作為滲流監(jiān)測儀器已得到廣泛應(yīng)用，其與土石壩周圍環(huán)境緊密結(jié)合，監(jiān)測成果與該部位水位實(shí)際情況無滯后現(xiàn)象，且不會(huì)有井損等現(xiàn)象發(fā)生，流速水頭的影響極其微小，故其廣泛應(yīng)用于土石壩內(nèi)滲透壓力監(jiān)測；測壓管主要應(yīng)用于灌漿廊道內(nèi)或均質(zhì)土壩壩體，監(jiān)測壩基灌漿質(zhì)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(xiàn)象發(fā)生。二者監(jiān)測數(shù)據(jù)受周圍環(huán)境量影響不大，監(jiān)測數(shù)據(jù)直觀，可及時(shí)對監(jiān)測成果進(jìn)行分析；滲壓計(jì)或測壓管通常布置代表性測點(diǎn)，面板后、心墻或防滲帷幕后等重點(diǎn)部位雖可增加布置密度，但測點(diǎn)安裝數(shù)量仍較少，對于準(zhǔn)確分析、判斷定位防滲體的滲漏點(diǎn)稍顯不足。

分布式光纖堤壩滲流系統(tǒng)的研究已經(jīng)取得了較大的進(jìn)步，該監(jiān)測手段在部分重點(diǎn)工程中已進(jìn)行應(yīng)用且取得了一定的監(jiān)測成果，其造價(jià)低、體積小，可在防滲體部位大面積布設(shè)，因此對于判斷土石壩防滲體滲漏點(diǎn)的具體地點(diǎn)有明顯的優(yōu)勢。但因采用光纖進(jìn)行滲流監(jiān)測需合理判斷壩體內(nèi)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(yīng)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(jìn)一步研究，同時(shí)在其監(jiān)測前需對光纖進(jìn)行加熱將會(huì)影響到數(shù)據(jù)采集的及時(shí)性。

壩后量水堰能夠測出土石壩的總滲流量，通過與相關(guān)工程以及設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)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(yùn)行過程中能夠隨時(shí)通過對比滲流量大小，及時(shí)判斷壩體的工作性態(tài)。另外壩后量水堰與壩體內(nèi)滲流監(jiān)測資料相結(jié)合能夠反演分析大壩滲流場。

3 結(jié) 語

a.滲壓計(jì)、測壓管在土石壩滲流監(jiān)測中發(fā)揮了相當(dāng)大的作用，能夠用于分析、判斷壩體內(nèi)的滲流情況，且對于壩體內(nèi)滲流場的分析有不可或缺的作用，今后將長期應(yīng)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(jìn)行了深入的研究且在部分重點(diǎn)工程中已經(jīng)采用，但鑒于其在土石壩內(nèi)部應(yīng)用受多種因素影響，故如何定量分析其監(jiān)測成果尚需進(jìn)一步研究，在土石壩內(nèi)光纖安裝前需對其進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，目前已采用在光纖的部分節(jié)點(diǎn)布設(shè)滲壓計(jì)從而對光纖監(jiān)測成果進(jìn)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(nèi)滲流監(jiān)測儀器的結(jié)合可系統(tǒng)分析判斷土石壩的運(yùn)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