大渡河双江口水电站心墙堆石坝渗流渗压监测设计

李 菁

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,四川 成都 610072)

1 工程概述

双江口水电站系大渡河干流“三库 22级”梯级开发中的第 5级电站,是大渡河干流上游的控制性水库。工程区位于四川省阿坝州马尔康县、金川县境内的大渡河上源足木足河与绰斯甲河汇口以下约 2 km河段,距马尔康县和金川县均约45 km。双江口水电站是以发电为主的大型水库电站,坝址处控制流域面积 39330 km2。

电站采用大坝、首部地下引水发电系统的开发方式。水库正常蓄水位高程 2500 m,水库总库容约 29亿 m3,具有年调节能力。电站总装机容量为 2000 MW,多年平均年发电量 80.97亿 kW·h。

双江口水电站为Ⅰ等大(1)型工程,永久性主要建筑物为 1级建筑物,心墙堆石坝最大坝高为 314m,枢纽主要建筑物防洪标准按 1000年一遇洪水设计,可能最大洪水(PMF)校核,相应洪水流量为 6900m3/s和 8860 m3/s。

坝顶高程 2510.00 m,基底为混凝土基座,混凝土基座横河向宽 45.28m,顺河向宽 152.80 m。基座内设置基岩帷幕灌浆廊道,坝顶宽度 16.00m。

2 渗流渗压的监测目的

据不完全统计,世界上已建和在建坝高在230m以上的高土石坝有 12座,其中 300m级高坝 2座。双江口水电站心墙堆石坝高度超过 300 m,工程技术难度大,大坝在上下游水位差作用下产生的渗流渗压作用显著,因此,大坝渗流渗压监测就显得尤为重要。通过监测坝体孔隙水压力、坝基渗流压力、两岸绕坝渗流、渗流量及水质分析等内容,可为评价大坝防渗措施及大坝的运行安全提供依据,同时也为积累工程经验提供第一手资料。

3 堆石坝渗流渗压监测设计

为验证坝体结构布置的合理性,初步了解坝体及基础在稳定渗流期的渗漏量及渗透稳定情况,在可研阶段进行了稳定渗流期的坝体及坝基渗流分析。计算选取河床中坝体最大断面进行。稳定渗流期上游水位为正常蓄水位高程 2500.00 m,下游水位取相应最低水位高程 2249.50 m。采用有限元计算分析方法及固定网格迭代法进行计算分析,通过心墙和坝基的单宽渗流量分别为3.65m3/d和 4.20 m3/d;心墙与混凝土基座的最大接触坡降为 2.45,心墙其余部位水力坡降均在3.2以下。

大坝渗流监测分为坝体孔隙水压力监测、坝基渗透压力监测、绕坝渗流监测、基坑渗透压力监测、渗流量监测等内容。渗流渗压监测断面选取桩号位置为坝纵 0+418、坝纵 0+178、坝纵 0+280、坝纵 0+530四个断面。采用渗压计、量水堰、测压管和分布式光纤等监测仪器进行渗流监测。典型监测仪器布置见图 1和图 2。

3.1 坝体孔隙水压力监测

为考察水库水位升降时坝体的渗透压力变化,在正常蓄水位情况下,计算结果显示:在渗透水流经上游坝壳、心墙和下游坝壳进入排水体系的流动过程中,渗流能量主要损失在心墙中。因为心墙渗透系数比坝壳的渗透系数小很多,按达西定律,渗透量与渗透系数成正比,因此,监测设计中,在渗流进、出口段,渗流各向异性明显的填筑料处以及浸润线变幅较大处进行了加密渗流监测布置。

图1 大坝纵剖面渗流渗压监测布置示意图

图2 大坝最大横剖面渗流监测布置图

坝体孔隙水压力监测选取最大横剖面(桩号坝纵 0+418)和典型剖面(坝纵 0+178、坝纵 0+280、坝纵 0+530)4个横剖面作为监测断面。沿不同高程分别在上游反滤料、心墙和下游反滤料、过渡层及上游坡的正常高水位与死水位之间进行布置,每条线上的测点数为 3～7个,共布置了 66支渗压计。

最大横剖面心墙内分别在 2450 m、2410 m、2370 m、2330m、2300 m、2280 m、2242m高程分 7层布置渗压计,每层在上游反滤料、心墙中部和下游反滤料内分别布置了 1支渗压计,下游过渡层 2242.00 m高程布置了 1支渗压计。

通过对以上各监测断面浸润线在不同部位,不同高程处的渗压监测,可以建立空间渗流网,用以准确掌握坝体的渗流状态。

3.2 坝基渗透压力监测

为及时了解坝基天然岩土层、人工防渗和排水设施等关键部位渗透压力的分布情况,监测不同介质接触面可能的渗透破坏,判断堆石坝基础的防渗状态和排水设施的工作效能,在坝基内埋设渗压计,用以监测坝基渗透压力的变化。

为满足坝基防渗要求,将大坝心墙底部覆盖层全部挖除。河床部位心墙及反滤层基础开挖至2196.00m高程。由于心墙基础部位主要分布有f3、f42、f41小断层 ,同时,两岸基岩均发育有节理裂隙,基础面上可能出现张开缝。为防止沿断层带发生集中渗漏,保证充填物的渗透稳定性,在开挖清理完毕后,作混凝土塞以封堵心墙范围内出露的断层带和张开的节理裂隙,对于坝基防渗范围内的断层带和节理裂隙均采用帷幕灌浆处理。

综合建筑物地下轮廓形状、坝基地质条件、地层结构特点以及防渗和排水型式等情况,监测设计将最大横剖面桩号坝纵 0+418(图 2)和典型剖面坝纵 0+178桩号、0+280桩号、0+530桩号4个横剖面作为监测断面。测点布置:根据坝基的不同地质条件,在心墙及上下游坝基处分别安装埋设渗压计,用以监测坝基渗透压力情况。在(坝)0+418.00最大横剖面防渗帷幕下游测钻孔,布置渗压计 4支,监测帷幕灌浆后不同高程渗透压力情况。在左右岸灌浆廊道及基础廊道内布置测压管,深入建基面以下 1m。另外,沿基础廊道,在混凝土面板与心墙接触面上布置分布式光纤 3000 m,用以判断其渗流状况。共布置了 33根测压管,74支渗压计,3000m分布式光纤。

通过上述监测布置,可基本构成坝基监测空间网格,特别是通过上下游渗透压力监测,可了解坝基的防渗施工效果,为大坝在各种工况下的安全运行提供技术支持。

3.3 绕坝渗流监测

为监测坝肩绕坝渗流情况,沿渗透较集中的渗水层进行绕坝渗流测点布置。拟在左、右岸灌浆廊道内各布置 1个绕坝渗流测点,在帷幕后沿流线方向分别布置 9个绕渗测点,测点在靠近坝肩位置布置较密,向下游方向逐渐变稀,以监测大坝蓄水后的绕坝渗流情况,施工期采用水位计进行人工观测,运行期安装渗压计,并接入自动化观测系统。

3.4 渗流量监测

对坝体、坝基的渗流量采用分别量测的方式。在下游坝趾附近排水沟内及左岸 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,基础廊道两端积水井及中部各设 1个量水堰和量水堰计,共设置 13个量水堰和量水堰计,用以检验排水设备和防渗结构的工作情况。

此外,在运行期定期人工采集量水堰、绕坝渗流监测孔、坝体排水孔及库区等部位的水样,对渗流水和上游库水的水样进行 PH值、总碱度、总硬度、离子和矿化度等水质分析,以期为大坝的长期安全可靠运行反馈信息。

3.5 基坑渗流渗压监测

由于双江口水电站堆石坝工程巨大,在施工期基坑内积水排干后,围堰内外的水位差增大,此时渗流量相应增大,对基坑边坡和底部的动水压力加大,有引起管涌或流土等严重后果的危险。为了解基坑内的渗压,在基坑内,沿两岸岸坡共布置 21支渗压计以监测基坑内渗压变化情况,可采用人工测量渗流量的方法,在施工期监测基坑内渗流量的变化,为施工期的安全提供监测数据。

4 结 语

通过以上监测设计,可获得坝体孔隙水压力、坝基渗透压力、绕坝渗流等监测成果,达到了解心墙防渗效果、基础的防渗状态和排水设施的工作效能以及坝肩绕坝渗流情况的监测目的。