察爾森水庫除險加固工程壩后滲漏量監測優化設計

李 帥，徐志國，趙 也，徐金婷

（1.松遼水利委員會察爾森水庫管理局，內蒙古烏蘭浩特 137400；2.水利部松遼水利委員會，吉林 長春 130021；3.長春工業大學，吉林 長春 130012）

1 工程概況

察爾森水庫位于嫩江支流洮兒河中游，是一座以防洪、灌溉為主，結合發電、養殖等綜合利用的大（1）型水庫。水庫原安全監測設計中有4座量水堰，施工中僅安裝了溢洪道附近的1座量水堰，但在1998年洪水中被沖毀，其他3座量水堰沒有安裝。

2011年，察爾森水庫被鑒定為“三類壩”，為保證工程安全運行，需進行水庫除險加固。此次除險加固工程初步設計階段壩后滲流量設計方案為在原位置對原設計中的滲流量監測儀器設備進行恢復與修建，共修建量水堰4座，并在該位置建量水堰觀測維護房。人工觀測采用水位測針，自動觀測采用磁致式液位計。

2 地質條件

2.1 工程地質條件

壩址區位于洮兒河上游，在壩址以上洮兒河分東西兩支，河流方向為北西～南東向，河谷兩岸不對稱，左岸地形較緩，地形坡度一般為15°～30°，局部稍陡，比高45.0m，屬于丘陵地形。右岸較陡，地形坡度一般為20°～35°，山頂高程500.00 m，為低山。谷底寬約1550.0m，呈寬淺“U”字型，河漫灘發育，谷底高程一般為334.00～336.00 m，兩岸零星發育有Ⅰ級階地和Ⅱ級階地。壩址區出露地層主要為第四系松散堆積層、侏羅系下統上興安嶺組噴出巖及燕山期侵入巖。

2.2 水文地質條件

壩址區地下水按其埋藏條件，可分為第四系松散堆積層孔隙潛水和基巖裂隙水兩種。孔隙潛水主要埋藏于漫灘、階地及岸坡的松散堆積層中，埋深1.0～3.0m，含水層為砂礫石層，水位年變幅一般為1.0～2.0m，接受大氣降水及基巖裂隙水補給，水化學類型為重碳酸鉀鈉型水；裂隙水埋藏于基巖裂隙中，壩址兩岸基巖裂隙水埋深較深，一般埋深20.0～50.0m，地下水位高程337.00～345.00m，受大氣降水和庫水滲流的補給，排泄于洮兒河中。

3 必要性

根據水庫多年的運行情況，壩下河道內未形成明流，地下水位低于地表。結合大壩實際工程地質條件、水文地質條件，大壩滲流量監測采用量水堰監測方法已不能滿足實際運行管理需要，因此，對大壩滲流量監測方案進行優化與調整是非常必要的。

4 優化與調整方案

依據SL551-2012《土石壩安全監測技術規范》，第5.5.2款“滲流量監測布置應符合以下規定：當透水層深厚、滲流水位低于地面時，可在壩下游河床中設滲流壓力監測設施，通過監測滲流壓力計算出滲透坡降和滲流量。滲流壓力測點沿順水流方向宜布設2個，間距10～20m。在垂直水流方向，應根據控制過水斷面及其滲透性進行布設”中相關規定，對大壩壩后滲流量監測方案采用布設滲流壓力監測設施，通過監測實際滲流壓力計算滲透坡降和滲流量。根據規范，滲流量計算方法采用斷面測量法推求滲流量。具體優化調整如下：

1）在3個原監測斷面（樁號：0+575.2，0+878.3和1+242）上，距靠近大壩坡腳側測壓管（編號：D9-5，D9-9和D9-9）的下游側20m處各增設1個測壓管，管內安裝滲壓計，共增設3個測壓管和3支滲壓計，與原3個測壓管組成壩后滲漏量監測系統。

2）大壩滲流量可根據新增設的測壓管水位實際觀測值，按照裘布依公式計算得出。根據裘布依假定，認為壩下的覆蓋層為二維穩定滲流，自由面是一條流線為等勢線的鉛直線，即流速是水平向的，具有靜水壓力分布。根據該假定可按裘布衣公式計算出大壩滲漏量：

式中：Q——滲漏量；K——含水層的滲透系數；S——過水斷面面積(隨著下游河床實測水位而變）；J——含水層的水力坡降。

滲漏量計算范圍為壩下河床的覆蓋層，滲流深度計算至不透水層，根據壩下河床地質橫剖面圖地層分布情況，采用條分法，將地層部分滲流區域沿河床橫向劃分為n個分區，條分法示意圖見圖1。

圖1 條分法示意圖

圖2 子區劃分示意圖

根據裘布衣公式，各子區滲流量為

式中：kj——子區含水地層滲透系數；J——含水地層的平均水力坡降；Sj——子區含水地層過水面積；bi——分區寬度；hj——子區含水地層高度。

由此得出，地層部分滲流量為

其中，各地層滲透系數kj參照初設階段壩基土體物理力學參數參考值，詳見表1。

表1 壩下河床各地層滲透系數建議值表cm/s

計算至巖基求得，平均水力坡降J由壩下河床布設的兩排測壓管的實測水位計算求出，即

式中：L——兩排測壓管間距。

分區寬度bi根據壩下河床地質橫剖面圖地層走向確定。

子區含水地層高度hj分3種情況計算：1）當實測水位在該地層上下限高程范圍內，hj為兩排測壓管實測平均水位減去該地層下限高程；2）當實測水位高于地層上限高程，hj為該地層厚度；3）當實測水位低于地層下限高程，hj為0值。

5 影響分析

采用壩下河床布設滲流壓力監測設施，通過監測滲流壓力計算出滲透坡降和滲流量，滿足規范要求，與批準的初步設計方案相比，降低了施工難度，節省了工程投資，且不會對大壩上游壩坡加固工程安全、施工工期、生態環境等產生不利影響。

6 結語

綜上所述，結合察爾森水庫多年運行經驗和類似工程實例，察爾森水庫除險加固工程采用在大壩下游覆蓋層內布置多個測壓管斷面監測測壓管水位變化，用斷面測量法推求滲漏量是符合相關規范要求，大壩滲漏量監測方式設計優化與調整是可行的、有效的，滿足大壩工程滲流量監測要求。