大渡河雙江口水電站心墻堆石壩滲流滲壓監測設計

李 菁

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院,四川 成都 610072)

1 工程概述

雙江口水電站系大渡河干流“三庫 22級”梯級開發中的第 5級電站,是大渡河干流上游的控制性水庫。工程區位于四川省阿壩州馬爾康縣、金川縣境內的大渡河上源足木足河與綽斯甲河匯口以下約 2 km河段,距馬爾康縣和金川縣均約45 km。雙江口水電站是以發電為主的大型水庫電站,壩址處控制流域面積 39330 km2。

電站采用大壩、首部地下引水發電系統的開發方式。水庫正常蓄水位高程 2500 m,水庫總庫容約 29億 m3,具有年調節能力。電站總裝機容量為 2000 MW,多年平均年發電量 80.97億 kW·h。

雙江口水電站為Ⅰ等大(1)型工程,永久性主要建筑物為 1級建筑物,心墻堆石壩最大壩高為 314m,樞紐主要建筑物防洪標準按 1000年一遇洪水設計,可能最大洪水(PMF)校核,相應洪水流量為 6900m3/s和 8860 m3/s。

壩頂高程 2510.00 m,基底為混凝土基座,混凝土基座橫河向寬 45.28m,順河向寬 152.80 m。基座內設置基巖帷幕灌漿廊道,壩頂寬度 16.00m。

2 滲流滲壓的監測目的

據不完全統計,世界上已建和在建壩高在230m以上的高土石壩有 12座,其中 300m級高壩 2座。雙江口水電站心墻堆石壩高度超過 300 m,工程技術難度大,大壩在上下游水位差作用下產生的滲流滲壓作用顯著,因此,大壩滲流滲壓監測就顯得尤為重要。通過監測壩體孔隙水壓力、壩基滲流壓力、兩岸繞壩滲流、滲流量及水質分析等內容,可為評價大壩防滲措施及大壩的運行安全提供依據,同時也為積累工程經驗提供第一手資料。

3 堆石壩滲流滲壓監測設計

為驗證壩體結構布置的合理性,初步了解壩體及基礎在穩定滲流期的滲漏量及滲透穩定情況,在可研階段進行了穩定滲流期的壩體及壩基滲流分析。計算選取河床中壩體最大斷面進行。穩定滲流期上游水位為正常蓄水位高程 2500.00 m,下游水位取相應最低水位高程 2249.50 m。采用有限元計算分析方法及固定網格迭代法進行計算分析,通過心墻和壩基的單寬滲流量分別為3.65m3/d和 4.20 m3/d;心墻與混凝土基座的最大接觸坡降為 2.45,心墻其余部位水力坡降均在3.2以下。

大壩滲流監測分為壩體孔隙水壓力監測、壩基滲透壓力監測、繞壩滲流監測、基坑滲透壓力監測、滲流量監測等內容。滲流滲壓監測斷面選取樁號位置為壩縱 0+418、壩縱 0+178、壩縱 0+280、壩縱 0+530四個斷面。采用滲壓計、量水堰、測壓管和分布式光纖等監測儀器進行滲流監測。典型監測儀器布置見圖 1和圖 2。

3.1 壩體孔隙水壓力監測

為考察水庫水位升降時壩體的滲透壓力變化,在正常蓄水位情況下,計算結果顯示:在滲透水流經上游壩殼、心墻和下游壩殼進入排水體系的流動過程中,滲流能量主要損失在心墻中。因為心墻滲透系數比壩殼的滲透系數小很多,按達西定律,滲透量與滲透系數成正比,因此,監測設計中,在滲流進、出口段,滲流各向異性明顯的填筑料處以及浸潤線變幅較大處進行了加密滲流監測布置。

圖1 大壩縱剖面滲流滲壓監測布置示意圖

圖2 大壩最大橫剖面滲流監測布置圖

壩體孔隙水壓力監測選取最大橫剖面(樁號壩縱 0+418)和典型剖面(壩縱 0+178、壩縱 0+280、壩縱 0+530)4個橫剖面作為監測斷面。沿不同高程分別在上游反濾料、心墻和下游反濾料、過渡層及上游坡的正常高水位與死水位之間進行布置,每條線上的測點數為 3～7個,共布置了 66支滲壓計。

最大橫剖面心墻內分別在 2450 m、2410 m、2370 m、2330m、2300 m、2280 m、2242m高程分 7層布置滲壓計,每層在上游反濾料、心墻中部和下游反濾料內分別布置了 1支滲壓計,下游過渡層 2242.00 m高程布置了 1支滲壓計。

通過對以上各監測斷面浸潤線在不同部位,不同高程處的滲壓監測,可以建立空間滲流網,用以準確掌握壩體的滲流狀態。

3.2 壩基滲透壓力監測

為及時了解壩基天然巖土層、人工防滲和排水設施等關鍵部位滲透壓力的分布情況,監測不同介質接觸面可能的滲透破壞,判斷堆石壩基礎的防滲狀態和排水設施的工作效能,在壩基內埋設滲壓計,用以監測壩基滲透壓力的變化。

為滿足壩基防滲要求,將大壩心墻底部覆蓋層全部挖除。河床部位心墻及反濾層基礎開挖至2196.00m高程。由于心墻基礎部位主要分布有f3、f42、f41小斷層 ,同時,兩岸基巖均發育有節理裂隙,基礎面上可能出現張開縫。為防止沿斷層帶發生集中滲漏,保證充填物的滲透穩定性,在開挖清理完畢后,作混凝土塞以封堵心墻范圍內出露的斷層帶和張開的節理裂隙,對于壩基防滲范圍內的斷層帶和節理裂隙均采用帷幕灌漿處理。

綜合建筑物地下輪廓形狀、壩基地質條件、地層結構特點以及防滲和排水型式等情況,監測設計將最大橫剖面樁號壩縱 0+418(圖 2)和典型剖面壩縱 0+178樁號、0+280樁號、0+530樁號4個橫剖面作為監測斷面。測點布置:根據壩基的不同地質條件,在心墻及上下游壩基處分別安裝埋設滲壓計,用以監測壩基滲透壓力情況。在(壩)0+418.00最大橫剖面防滲帷幕下游測鉆孔,布置滲壓計 4支,監測帷幕灌漿后不同高程滲透壓力情況。在左右岸灌漿廊道及基礎廊道內布置測壓管,深入建基面以下 1m。另外,沿基礎廊道,在混凝土面板與心墻接觸面上布置分布式光纖 3000 m,用以判斷其滲流狀況。共布置了 33根測壓管,74支滲壓計,3000m分布式光纖。

通過上述監測布置,可基本構成壩基監測空間網格,特別是通過上下游滲透壓力監測,可了解壩基的防滲施工效果,為大壩在各種工況下的安全運行提供技術支持。

3.3 繞壩滲流監測

為監測壩肩繞壩滲流情況,沿滲透較集中的滲水層進行繞壩滲流測點布置。擬在左、右岸灌漿廊道內各布置 1個繞壩滲流測點,在帷幕后沿流線方向分別布置 9個繞滲測點,測點在靠近壩肩位置布置較密,向下游方向逐漸變稀,以監測大壩蓄水后的繞壩滲流情況,施工期采用水位計進行人工觀測,運行期安裝滲壓計,并接入自動化觀測系統。

3.4 滲流量監測

對壩體、壩基的滲流量采用分別量測的方式。在下游壩趾附近排水溝內及左岸 2450.00 m高程廊道、2400.00m高程廊道、2350.00m高程廊道和2280.00m高程廊道的集水井,右岸2450.00 m高程廊道、2390.00 m高程廊道、2330.00m高程廊道和 2270.00m高程廊道的集水井,基礎廊道兩端積水井及中部各設 1個量水堰和量水堰計,共設置 13個量水堰和量水堰計,用以檢驗排水設備和防滲結構的工作情況。

此外,在運行期定期人工采集量水堰、繞壩滲流監測孔、壩體排水孔及庫區等部位的水樣,對滲流水和上游庫水的水樣進行 PH值、總堿度、總硬度、離子和礦化度等水質分析,以期為大壩的長期安全可靠運行反饋信息。

3.5 基坑滲流滲壓監測

由于雙江口水電站堆石壩工程巨大,在施工期基坑內積水排干后,圍堰內外的水位差增大,此時滲流量相應增大,對基坑邊坡和底部的動水壓力加大,有引起管涌或流土等嚴重后果的危險。為了解基坑內的滲壓,在基坑內,沿兩岸岸坡共布置 21支滲壓計以監測基坑內滲壓變化情況,可采用人工測量滲流量的方法,在施工期監測基坑內滲流量的變化,為施工期的安全提供監測數據。

4 結 語

通過以上監測設計,可獲得壩體孔隙水壓力、壩基滲透壓力、繞壩滲流等監測成果,達到了解心墻防滲效果、基礎的防滲狀態和排水設施的工作效能以及壩肩繞壩滲流情況的監測目的。