抽水蓄能電站庫盆滲漏量監控指標的研究

傅春江，李君軍，王玉潔

（國家電力監管委員會大壩安全監察中心，浙江杭州 310014）

0 引 言

抽水蓄能電站運行水位變化頻繁，對庫盆的防滲要求較高。目前國內已經運行的抽蓄電站庫盆的防滲體系主要有以下幾種形式：全庫盆瀝青混凝土面板防滲、全庫盆鋼筋混凝土面板防滲、庫岸鋼筋混凝土面板+庫底土工膜防滲、庫岸瀝青混凝土面板+庫底土工膜防滲、庫岸瀝青混凝土面板+庫底粘土防滲。滲漏量是綜合判斷庫盆防滲體系的重要指標，其重要性不言而喻，幾乎所有抽蓄電站庫盆均設置了滲漏量監測項目，也積累了大量的實測資料，但如何判斷庫盆滲漏量是否偏大，目前國內鮮有理論依據充足的定量判斷指標，所以庫盆滲漏量監測指標研究有重大意義。

根據統計資料，建筑物從建造到失效通常要經歷下列三種狀態：正常狀態、不正常（故障）狀態和失效（極限）狀態。破壞是失效狀態的一種特例。顯然，不正常狀態和失效狀態有許多癥狀和標志，這些癥狀和標志的界限值為狀態特征值，反映在監控系統中即為監控指標。據此，可將水工建筑物的安全監控指標分為兩級：第一級為建筑物無故障監控指標，即為正常狀態和不正常狀態之間的界限值，第二級為建筑物極限監控指標，即為不正常和失效之間的界限值。

1 一級監控指標的制定方法

一級監控指標是指建筑物無故障監控指標，是正常狀態和不正常狀態之間的界限值。本文介紹兩種方法來推算一級監控指標：一是綜合滲透系數估算法；二是裂縫滲流法。

1.1 綜合滲透系數估算法

綜合滲透系數法是考慮防滲體系的綜合滲透效應，通過實測滲漏量資料對滲透系數進行反演，對于采用全庫盆鋼筋混凝土面板防滲的體系，即為考慮面板接縫、裂縫滲水影響的綜合滲透系數。

一般來講，面板或土工膜下的墊層的滲透系數K=a×10-3～a×10-4cm/s，顆粒粒徑較小，能滿足Re＜10的條件，其間的滲流流態呈層流，符合達西定律，且通過墊層到達過渡層和堆石區的滲流剩余水頭小于總水頭差的10%，由于水頭小、流速低，盡管主堆石區的平均粒徑較大，但其雷諾數Re仍較小，所以其滲流分析一般可以簡化成達西流分析。根據達西定律，庫岸岸（壩）坡防滲體系的單寬滲漏量計算公式為：

則岸（壩）坡的總滲漏量為：

庫底單位面積滲漏量的計算公式為：

則庫底的總滲漏量為：

庫盆總滲漏量為：Q總=Q1+Q1

式中：H為壩坡面板承受的最大水頭；K-為綜合滲透系數；δ為防滲體系（面板或土工膜）的厚度；θ為防滲體系與水平面的夾角；Ln為岸（壩）坡防滲體系長度；Sn為庫底防滲體系面積。

綜合滲透系數K-可根據實測滲漏量資料采用最小二乘法擬合而成，若有庫底或岸（壩）坡分區滲漏量的實測資料，可分區對相應的K-進行反演擬合。

另外比較多用的還有Cassinnader（1988）建議的計算通過面板滲漏量的經驗公式：

式中：QF為滲漏量，m3/s；LF為正常蓄水位時的壩頂長度，m；HF為正常蓄水位時的最大壩高，m；Tsm為最長面板在正常蓄水位以下的平均厚度，m；Ks為面板綜合滲透系數。可由已建工程推求，也可通過實測資料反演。

1.2 裂縫滲流法

該方法主要針對混凝土面板防滲的工程，根據水流通過裂縫的運動規律來推導。采用C·路易斯的研究，當水流通過粗糙裂縫且為層流時，通過單位長度裂縫的滲流量為：

式中：K為裂縫表面的絕對粗糙度；Dn為面板的厚度；K/Dn為相對粗糙度，對光滑縫面為0，當粗糙高度等于裂縫寬度時為0.5；g為重力加速度；γ為水的動力粘滯系數；i為裂縫滲流的水力比降，近似為作用水頭與面板厚度之比。若相對粗糙取為0.5，水溫為20℃時：

當統計出各種裂縫寬度bn對應的裂縫長度Ln時，總的滲流量為：

該方法得到的滲漏量可以利用原型觀測資料以最小二乘法作進一步修正：

式中：α為利用最小二乘法擬合的修正系數。

該方法需要對防滲體系的裂縫進行細致的調查，裂縫調查的準確性是影響計算精度的決定性因素。

2 二級監控指標的制定方法

第二級監控指標為建筑物極限監控指標，是不正常和失效之間的界限值。若抽蓄電站庫盆的滲水超過了其排水能力，那么可以認為建筑物處于功能失效的極限狀態。所以二級監控指標的制定關鍵是計算建筑物的排水能力。

一般來說，抽蓄電站庫盆的排水體系包括岸（壩）坡防滲體系后的排水料墊層、庫底排水墊層料及位于其中的排水花管。庫內滲水和地下水將通過排水墊層料及其中的排水土工管排至排水廊道或者壩后。

若建筑物設置的多種排水體系之間關系相互獨立，則總排水能力為兩者排水能力之和；若多種排水體系之間的關系是相互依賴的，取兩者中的最小排水能力作為控制值。各項排水體系的排水能力計算如下。

（1）排水墊層的排水能力計算

根據達西定律，當沿著水平面夾角為α的排水層滲透，且排水層的厚度為D時，單寬排水層的排水能力為：

式中：q為單寬斜坡排水層的排水量；D為排水層垂直排水方向的厚度；k為排水層的滲透系數；α為排水層與水平面的夾角；S為斜坡排水層長度。

（2）排水花管排水能力計算

排水花管的排水能力考慮兩個因素，一個是排水管管身的排水能力，另一個是排水管管口的過水能力，取小值作為排水花管排水能力的控制值。

排水管管身的排水能力可按孔口出流的公式進行計算：

式中：q孔為排水管上每一排水孔的滲水量；μ為流量系數；A為排水花管的小孔面積；H0為取排水管頂部排水墊層的厚度。

則單根排水管的排水能力Q孔＝nq孔，n為單根排水花管的開孔孔數。

排水管管口的過水能力可按明槽恒定均勻流進行估算：

式中：Q管為單根排水管的過水能力；A為過流面積，可以假定排水管的過流面積R為水力半徑；J為水力坡降，即為排水管的坡度；n為糙率；C為謝才系數。

當Q孔≥Q管，取Q管作為花管排水能力的控制值；反之，取Q孔作為花管排水能力的控制值。

3 實 例

某抽蓄電站上水庫工程采用開挖和筑壩相結合的方式興建，主、副壩均為混凝土面板堆石壩，全部利用庫盆開挖料填筑，主壩最大壩高75 m，副壩最大壩高10 m。庫頂高程568 m，庫頂寬度10 m，庫頂周長1 595 m，庫坡坡比1∶1.5。上庫正常蓄水位566 m，死水位531 m，上水庫總庫容445萬m3，有效庫容422萬m3。主壩面板設置水平寬度為3 m的碎石排水墊層，主壩區滲水通過斜坡墊層排到壩腳，然后沿壩基過渡料和庫底排水墊層分別排到主壩下游和庫底排水廊道。岸坡面板后設置有厚30 cm的無砂混凝土排水墊層，可將面板滲水排至庫底。庫底面板下設置有厚50 cm的碎石排水墊層，并設置排水兼檢查廊道。在庫底排水墊層的四周設置有?150 mm的環向排水花管，并以一定的間距布置?150 mm排水花管直通排水廊道。

對本工程上水庫總滲漏量的一級監控指標采用綜合滲透系數估算法。根據初期滲漏量實測資料反演，取面板綜合滲透系數k=1×10-7cm/s，面板的平均厚度為δ=30 cm，最大作用水頭38.5 m，根據式（2）、（3），計算得壩坡的滲漏量為1.84 L/s，庫周岸坡的總滲漏量為2.70 L/s，根據式（4），計算得到庫底的滲漏量為11.04 L/s。上水庫庫盆的總滲漏量為壩坡、庫周岸坡及庫底的滲漏量總和，為15.58 L/s。

總滲漏量的二級監控指標值采用排水系統的設計排水能力。利用式（7）計算排水墊層的排水能力，利用式（9）、式（10）計算花管的排水能力，得到設計排水能力為158.16 L/s，即為二級監控指標值。

日常觀測中量值超過二級監控指標值的可能性很小，真正具有監控意義的是一級監控指標，可采取以下步驟進行實際操作（操作流程圖見圖1）。

（1）當發現滲漏量Q超過一級監控指標時，立即跟蹤監測，排除觀測誤差。

圖1 一級監控指標操作流程圖Fig.1 Operation process for the monitoring indicators of grade one

（2）若跟蹤監測后，測值未超過一級監控指標，警報解除；若仍然超過一級監控指標，應對各分區滲漏量進行監測，找出滲漏量增大的區域。

（3）對滲漏量增大的區域進行全面檢查，并采取相應的工程措施進行處理。

（4）繼續觀測滲漏量，對處理效果進行檢驗。

該工程1997年11月的實測總滲漏量值達到了15.96 L/s，超過了一級監控指標（15.58 L/s），跟蹤監測數天后，測值仍然居高不下，引起了運行管理人員的注意，于是進行分區滲漏量觀測，發現庫底西北區的分區滲漏量增量明顯。1998年5月對上水庫進行放空檢查，在該區面板發現一條長約17.8 m的貫穿縫，導致滲漏量增大，超過監控指標。后對該裂縫進行處理后滲漏量明顯減小。

4 結 語

滲漏量是綜合判斷庫盆防滲體系的重要指標，是抽蓄電站上庫最重要的監測對象。滲漏量監控指標的制定、運用有利于運行管理單位直觀、便捷地掌控建筑物的安全。

建筑物從正常狀態到不正常狀態再到失效狀態具有過程性，當滲漏量超過二級監控指標時，說明大壩已經失去了正常工作的能力，處于失效狀態。工程人員往往需要在建筑物處于不正常狀態時及時對其進行補強處理，以恢復正常狀態，所以具有監控意義的往往是區別建筑物正常狀態與不正常狀態的一級監控指標。由于庫盆滲流狀態的復雜多變性，滲漏量的估算方法往往需要滿足一些基本假定，而這些假定可能與客觀實際存在一些出入，所以需要根據滲漏量的原型觀測資料對一級監控指標進行修正，以滿足應用上的需要。

[1]傅志安,鳳家驥.混凝土面板堆石壩[M].1992.

[2]曹克明,汪易森,徐建軍.混凝土面板堆石壩[M].2008.