土石坝渗流监测仪器设备应用研究

(1.中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051；

2.云南民族大学，云南 昆明 650221)

土石坝渗流监测仪器设备应用研究

张玉龙1鲁米香2

(1.中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051；

2.云南民族大学，云南 昆明 650221)

渗流变化对土石坝的稳定影响至关重要，渗流监测仪器设备包括渗压计、分布式光纤、测压管以及量水堰。本文对各监测仪器设备进行了综合对比分析，提出了采用传统监测仪器与新型监测手段相结合的方式，有助于及时分析库水位变化情况下的土石坝内水力坡度及掌握浸润线的实际情况，对土石坝渗流监测及渗流理论研究的发展有借鉴作用。

土石坝；渗流；监测仪器

随着施工工艺的发展，土石坝以其施工技术简单、可就地取材、抗震性能好[1]、适用性强[2]以及经济性等方面的优点，在国内应用越来越广泛，据不完全统计，我国已建的近10万座大坝中95%以上为土石坝，且在我国高坝中土石坝所占比重呈逐渐增长的趋势[3]，如：已经完建的261.5m的糯扎渡心墙堆石坝，正在建设的295m高的两河口心墙堆石坝以及正在规划的315m高的如美心墙堆石坝等。

土石坝受到的破坏主要源于库水渗漏，导致坝体变形，从而造成防渗体的破坏，即土石坝破坏通常以渗透破坏为主，包括坝体渗漏、坝基渗漏以及绕坝渗流。美国发表的资料显示，40%左右的大坝是由于渗透变形而破坏，我国因渗透变形破坏的大坝甚至达到60%，因此运行期准确及时地完成对土石坝坝体内水位线和渗流的监测有助于对坝体稳定性的判断，从而减少相应的损失。

近年来土石坝防渗结构的渗透特性及渗透稳定性研究受到广泛重视，在材料试验、模型试验、原型观测以及数值模拟等方面均取得了较大进展[4-6]，已发展了多种在防渗结构出现裂缝等非常工况下土石坝渗流场的分析方法。目前土石坝坝体内部渗流监测通常采用渗压计；在坝体廊道或堆石体内部可设置相应的测压管进行监测，测压管内安装渗压计可进行自动化监测；随着技术的进步，新型的监测设施也不断应用在土石坝内部渗流监测，如：分布式光纤温度监测系统；此外地质雷达检测技术在大坝渗漏检测中也得以应用；土石坝坝后通常安装量水堰以直观地监测坝体整体渗漏情况。

1 土石坝渗流监测仪器设备

土石坝中的面板堆石坝以面板作为主要的防渗措施，心墙堆石坝以心墙作为主要防渗体，均质土石坝以整个坝体作为防渗体。

渗透破坏对土石坝存在不可估量的严重后果，因此土石坝体内部的渗透压力监测必不可少。

1.1 渗压计监测

基于土石坝体内渗流的特性，渗压计在土石坝内部渗透压力监测中起到以点代面甚至以多点推算整体的效果，在防渗体周边可布设较密的渗压计，根据监测资料可准确定位渗漏点，从而有针对性地进行处理；堆石体内部或者均质土石坝内部沿上、下游方向在开挖较低的坝基部位布设一渗压计监测断面，通过监测成果并与坝后量水堰处所测水位相结合，可清晰地获得坝体内浸润线(见图1)。

图1 堆石坝坝体内浸润线

通过对坝体内渗透压力的分析可对坝体内渗流场进行反演分析。

根据坝体内浸润线变化即可分析判断防渗体的工况，以便及时对异常情况进行处理。

渗压计安装前应取下仪器端部的透水石，在钢膜片上涂一层黄油或凡士林以防生锈，但要避免堵孔，且需将仪器在水中浸泡2h以上，使其达到饱和状态。在土石坝内部渗压计安装埋设一般采用坑埋的方式，在基岩面或坝体内挖一个40cm×20cm×20cm(长×宽×深)的坑，在坑底填10cm厚细砂，置入渗压计再铺10cm细砂，注入清水饱和，在坑顶第一层反滤(心墙)料以人工夯实，第二层反滤(心墙)料须静压；坝基部位渗压计安装埋设一般采用钻孔的方式，钻孔深度一般在50cm左右或根据设计要求确定，钻孔结束后将包有砂袋的仪器埋入预先完成的钻孔内，周围回填砾石，上部注入水泥浆或水泥膨润土球，并采用水泥砂浆回填钻孔。

渗压计电缆应根据现场施工情况进行牵引保护，一般应沿变形较小的坝基、面板混凝土内部等进行牵引并穿管保护，为避免电缆因变形而拉断，应预留10%左右的裕度，另应尽量避免渗压计电缆在土石坝体内部进行牵引，当不可避免地需穿过坝体中间部位，需采取专门的保护措施。渗压计接入监测自动化系统后，可随时分析坝体内水位线的变化情况。

1.2 测压管

在心墙堆石坝坝基廊道防渗帷幕下游侧，可钻孔安装测压管对帷幕的防渗效果进行监测；堆石体内通过造孔或预埋管监测堆石体内水位变化情况。

测压管钻孔一般直径76mm，深入基岩1m，钻孔方向与基础面垂直；开孔孔位与设计位置的偏差不得大于50mm；钻孔工作结束后，测压管埋设之前，应用压力风水进行冲洗，将孔道内的钻孔岩屑和泥沙冲洗干净，直到回水变清10min后结束，并应向钻孔内送入压缩空气，将钻孔内的积水排干；测压管一般用镀锌管加工，包括进水管和导管两段，外径50mm，壁厚4mm；进水管透水孔孔径4～6mm，开孔率18%，梅花形布置，内壁无刺，管外壁包裹土工布，长75cm；在钻孔底部充填洗净的粒径为5～8mm的砂卵石垫层，厚30cm，捣实，将测压管放入孔内，进水管段底部位于砂卵石垫层上；在进水管周围填入上述规格洗净的砂砾石，并使之密实，填至设计高程后，回填M10水泥砂浆直至管口高程，水泥砂浆水灰比不大于0.4，并应捣实，以防产生气泡和收缩；待水泥砂浆终凝后，测定管口高程，安装渗压计和孔口附件，并将电缆引出。为保证测压管测值的可靠性，测压管与孔壁之间应采取有效措施防止渗漏，另外在廊道内帷幕灌浆施工结束前不得钻孔安装测压管，否则帷幕灌浆施工将可能导致测压管被封堵。

通过在心墙堆石坝坝体内安装测压管也可以准确监测堆石体内部浸润线。云南礼河一级水电站于1958年建成发电，拦河坝为80.5m高的黏土心墙坝，在其心墙下游堆石体内安装了17个渗流监测孔，并且取得了良好的监测成果(见图2)[9]。

图2 礼河毛家湾坝体内水位孔监测成果

测压管安装后，对有压孔可通过压力表或者采用电测水位计对测压管内的水位进行监测，并转换为折减系数，以判断帷幕防渗效果。

1.3 分布式光纤

光纤传感技术是继光纤通信后于20世纪80年代出现的集光学、电子学为一体的一种新兴光学技术，光纤传感器具有体积小、精度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、耐水性好等优良特性，适合于恶劣环境下物理量的测量，同时光纤传感器集传感和信息传输于一体，可实现分布式或准分布式以及远距离监测。自2000年李端有等[10]开始对温度示踪法进行坝体渗漏研究开始至今已有人对光纤在堤坝渗流中的应用进行专题研究[11-15]，2012年至今国内已有邓翔文、徐翔宇、吴玉龙等多篇硕士论文对分布式光纤测温技术在堤坝渗漏领域进行了深入研究。

目前光纤对渗漏测量已在水布垭面板堆石坝[16]、糯扎渡心墙堆石坝[17]等多座特大型水电工程中进行了应用，且取得了一定的成果。

光纤铺设采用人工施放，不得打折、扭曲和用力拉伸，施放时应呈自然弯曲状态，牵引力不得大于光缆允许张力的80%，瞬时牵引力不得大于光缆允许张力；光纤接续对环境质量要求较高，避免在雨天、大雾天和0℃以下施工；加热光纤弯曲半径不得小于其外径的6倍，不得有中间接头，且应做好防水。

分布式光纤温度监测系统对渗流监测主要有梯度法和热脉冲法。梯度法是利用光纤系统直接测量坝体温度，而不需要对光纤加热，故其使用的局限性较大；热脉冲法是利用给光纤加热，进而通过对监测区温差进行分析而确定渗漏现象的一种监测方法，其关键技术是研究坝体内渗流场与温度场的对应关系。

土石坝中渗流场、温度场、应力场互相作用，不同条件下所监测的结果有一定的差异，需对各监测部位进行专门试验加以研究，为找出测点温度与渗流的关系，水布垭工程中就采用堆石料做了大量的试验。坝体内温度变化受多种因素影响，建立温度场与坝体渗流量之间精确的对应关系仍需要进行专题研究。光纤的对流换热系统受很多因素影响，如：流速、光纤周围环境等，且其使用前需对光纤加热一段时间，紧急情况下要想通过光纤获得渗流参数尚不可行。

1.4 量水堰

土石坝下游部位一般都安装量水堰对坝体的渗流量进行监测。

按照渗流量大小对量水堰类型进行选择：流量在1～70L/s之间时，选择直角三角形堰；渗流量在10～300L/s时采用梯形堰；当渗流量大于50L/s时采用矩形量水堰。

量水堰可定量测定土石坝坝体(含坝基及绕坝渗流)的总渗流量，并且与坝体内渗流监测仪器相结合，从整体上判断土石坝体渗流情况，进而对坝体的运行情况进行判断。图3为一面板堆石坝坝后渗流量—库水位关系曲线图。

图3 面板堆石坝渗流量—库水位关系图

2 监测仪器设备应用对比

渗压计在各种坝体内作为渗流监测仪器已得到广泛应用，其与土石坝周围环境紧密结合，监测成果与该部位水位实际情况无滞后现象，且不会有井损等现象发生，流速水头的影响极其微小，故其广泛应用于土石坝内渗透压力监测；测压管主要应用于灌浆廊道内或均质土坝坝体，监测坝基灌浆质量和防渗效果或坝体浸润线，但其在一定程度上有较小的井损现象发生。二者监测数据受周围环境量影响不大，监测数据直观，可及时对监测成果进行分析；渗压计或测压管通常布置代表性测点，面板后、心墙或防渗帷幕后等重点部位虽可增加布置密度，但测点安装数量仍较少，对于准确分析、判断定位防渗体的渗漏点稍显不足。

分布式光纤堤坝渗流系统的研究已经取得了较大的进步，该监测手段在部分重点工程中已进行应用且取得了一定的监测成果，其造价低、体积小，可在防渗体部位大面积布设，因此对于判断土石坝防渗体渗漏点的具体地点有明显的优势。但因采用光纤进行渗流监测需合理判断坝体内各种因素对测值的影响，尤其是目前对于土石坝渗流场、温度场以及应力的耦合研究还较少，如何通过光纤精确地确定渗流情况尚需进一步研究，同时在其监测前需对光纤进行加热将会影响到数据采集的及时性。

坝后量水堰能够测出土石坝的总渗流量，通过与相关工程以及设计参数进行对比，能够分析判断坝体的防渗是否正常，在坝体蓄水后的运行过程中能够随时通过对比渗流量大小，及时判断坝体的工作性态。另外坝后量水堰与坝体内渗流监测资料相结合能够反演分析大坝渗流场。

3 结 语

a.渗压计、测压管在土石坝渗流监测中发挥了相当大的作用，能够用于分析、判断坝体内的渗流情况，且对于坝体内渗流场的分析有不可或缺的作用，今后将长期应用在土石坝渗流监测中。

b.分布式光纤渗流监测系统虽已进行了深入的研究且在部分重点工程中已经采用，但鉴于其在土石坝内部应用受多种因素影响，故如何定量分析其监测成果尚需进一步研究，在土石坝内光纤安装前需对其进行现场试验，目前已采用在光纤的部分节点布设渗压计从而对光纤监测成果进行修正不失为较好的方式。

c.采用量水堰能够测定土石坝总渗流量，通过与坝体内渗流监测仪器的结合可系统分析判断土石坝的运行状况。

[1] 马洪淇，赵川.糯扎渡水电站掺砾黏土心墙堆石坝基础理论与关键技术研究[J].水力发电学报，2013(2)：208-212.

[2] 蒋国澄，赵增凯.中国的高混凝土面板堆石坝[C]∥混凝土面板堆石坝国际研讨会论文集.北京：2000.

[3] 林继镛.水工建筑物[M].北京：中国水利水电出版社，2006.

[4] 杨得勇，雍莉.混凝土面板砂砾石坝垫层料过渡料渗流及渗透稳定性试验研究[J].西北水电，2001(2)：47-50.

[5] 张有天，陈平，王镭.有排水孔的三维渗流场的有限元-边界元耦合分析[J].水利学报，1985(5)：30-38.

[6] 赵君.面板堆石坝集中渗流研究[J].大连理工大学学报，1999，39(3)：460-463.

[7] 张玉龙，赵华，董泽荣，等.面板堆石坝坝体渗流监测资料分析[J].长江科学院院报，2009，26(S)：140-143.

[8] 苑莲菊，李振栓，武胜忠，等.工程渗流力学及应用[M].北京：中国建材工业出版社，2001.

[9] 董梦林，樊早，曾友成.云南省以礼河一级水电站毛家村大坝历年水工观测资料简要分析报告[R].昆明：华电云南发电有限公司以礼河发电厂，2009.

[10] 李端有，陈鹏宵，王志旺.温度示踪法渗流监测技术在长江堤防渗流监测中的应用初探[J].长江科学院院报，2000(S)：48-50.

[11] 望燕慧，蔡德所，肖衡林，等.DTS监测混凝土面板堆石坝坝体渗漏应用研究[J].中国农村水利水电，2006(8):101-102.

[12] 肖衡林，蔡德所.基于温度测量的分布式光纤渗漏监测技术机理探讨[J].岩土力学，2008，29(S)：550-554.

[13] 周柏兵，王伟杰，易长春.基于耦合分析的光纤堤坝渗漏监测研究进展[J].水利信息化，2012(6):40-43.

[14] 董海洲，寇丁文，彭虎跃.基于分布式光纤温度监测系统的集中渗漏通道流速计算模型[J].岩土工程学报，2013(9)：1717-1721.

[15] 段珣.基于温度示踪法的堤坝渗漏探测研究[J].科学技术与工程，2014(9)：140-143.

[16] 杨启贵，刘宁，孙役，等.水布垭面板堆石坝筑坝技术[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

[17] 沈嗣元，马能武，葛培清，等.超高心墙堆石坝安全监测工程的创新技术探讨[J].人民长江，2010(20)：5-8.

[18] 杜跃亭，贾鹏生，张丽丽.复杂介质的土坝渗流计算分析[J].中国水能及电气化，2014(9)：67-70.

[19] 冯耀奇，赵铁斌.土石坝渗流计算模型的建立及应用研究[J].水利水电工程，2007(1):38-30.

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