察尔森水库除险加固工程坝后渗漏量监测优化设计

李 帅，徐志国，赵 也，徐金婷

（1.松辽水利委员会察尔森水库管理局，内蒙古乌兰浩特 137400；2.水利部松辽水利委员会，吉林 长春 130021；3.长春工业大学，吉林 长春 130012）

1 工程概况

察尔森水库位于嫩江支流洮儿河中游，是一座以防洪、灌溉为主，结合发电、养殖等综合利用的大（1）型水库。水库原安全监测设计中有4座量水堰，施工中仅安装了溢洪道附近的1座量水堰，但在1998年洪水中被冲毁，其他3座量水堰没有安装。

2011年，察尔森水库被鉴定为“三类坝”，为保证工程安全运行，需进行水库除险加固。此次除险加固工程初步设计阶段坝后渗流量设计方案为在原位置对原设计中的渗流量监测仪器设备进行恢复与修建，共修建量水堰4座，并在该位置建量水堰观测维护房。人工观测采用水位测针，自动观测采用磁致式液位计。

2 地质条件

2.1 工程地质条件

坝址区位于洮儿河上游，在坝址以上洮儿河分东西两支，河流方向为北西～南东向，河谷两岸不对称，左岸地形较缓，地形坡度一般为15°～30°，局部稍陡，比高45.0m，属于丘陵地形。右岸较陡，地形坡度一般为20°～35°，山顶高程500.00 m，为低山。谷底宽约1550.0m，呈宽浅“U”字型，河漫滩发育，谷底高程一般为334.00～336.00 m，两岸零星发育有Ⅰ级阶地和Ⅱ级阶地。坝址区出露地层主要为第四系松散堆积层、侏罗系下统上兴安岭组喷出岩及燕山期侵入岩。

2.2 水文地质条件

坝址区地下水按其埋藏条件，可分为第四系松散堆积层孔隙潜水和基岩裂隙水两种。孔隙潜水主要埋藏于漫滩、阶地及岸坡的松散堆积层中，埋深1.0～3.0m，含水层为砂砾石层，水位年变幅一般为1.0～2.0m，接受大气降水及基岩裂隙水补给，水化学类型为重碳酸钾钠型水；裂隙水埋藏于基岩裂隙中，坝址两岸基岩裂隙水埋深较深，一般埋深20.0～50.0m，地下水位高程337.00～345.00m，受大气降水和库水渗流的补给，排泄于洮儿河中。

3 必要性

根据水库多年的运行情况，坝下河道内未形成明流，地下水位低于地表。结合大坝实际工程地质条件、水文地质条件，大坝渗流量监测采用量水堰监测方法已不能满足实际运行管理需要，因此，对大坝渗流量监测方案进行优化与调整是非常必要的。

4 优化与调整方案

依据SL551-2012《土石坝安全监测技术规范》，第5.5.2款“渗流量监测布置应符合以下规定：当透水层深厚、渗流水位低于地面时，可在坝下游河床中设渗流压力监测设施，通过监测渗流压力计算出渗透坡降和渗流量。渗流压力测点沿顺水流方向宜布设2个，间距10～20m。在垂直水流方向，应根据控制过水断面及其渗透性进行布设”中相关规定，对大坝坝后渗流量监测方案采用布设渗流压力监测设施，通过监测实际渗流压力计算渗透坡降和渗流量。根据规范，渗流量计算方法采用断面测量法推求渗流量。具体优化调整如下：

1）在3个原监测断面（桩号：0+575.2，0+878.3和1+242）上，距靠近大坝坡脚侧测压管（编号：D9-5，D9-9和D9-9）的下游侧20m处各增设1个测压管，管内安装渗压计，共增设3个测压管和3支渗压计，与原3个测压管组成坝后渗漏量监测系统。

2）大坝渗流量可根据新增设的测压管水位实际观测值，按照裘布依公式计算得出。根据裘布依假定，认为坝下的覆盖层为二维稳定渗流，自由面是一条流线为等势线的铅直线，即流速是水平向的，具有静水压力分布。根据该假定可按裘布衣公式计算出大坝渗漏量：

式中：Q——渗漏量；K——含水层的渗透系数；S——过水断面面积(随着下游河床实测水位而变）；J——含水层的水力坡降。

渗漏量计算范围为坝下河床的覆盖层，渗流深度计算至不透水层，根据坝下河床地质横剖面图地层分布情况，采用条分法，将地层部分渗流区域沿河床横向划分为n个分区，条分法示意图见图1。

图1 条分法示意图

图2 子区划分示意图

根据裘布衣公式，各子区渗流量为

式中：kj——子区含水地层渗透系数；J——含水地层的平均水力坡降；Sj——子区含水地层过水面积；bi——分区宽度；hj——子区含水地层高度。

由此得出，地层部分渗流量为

其中，各地层渗透系数kj参照初设阶段坝基土体物理力学参数参考值，详见表1。

表1 坝下河床各地层渗透系数建议值表cm/s

计算至岩基求得，平均水力坡降J由坝下河床布设的两排测压管的实测水位计算求出，即

式中：L——两排测压管间距。

分区宽度bi根据坝下河床地质横剖面图地层走向确定。

子区含水地层高度hj分3种情况计算：1）当实测水位在该地层上下限高程范围内，hj为两排测压管实测平均水位减去该地层下限高程；2）当实测水位高于地层上限高程，hj为该地层厚度；3）当实测水位低于地层下限高程，hj为0值。

5 影响分析

采用坝下河床布设渗流压力监测设施，通过监测渗流压力计算出渗透坡降和渗流量，满足规范要求，与批准的初步设计方案相比，降低了施工难度，节省了工程投资，且不会对大坝上游坝坡加固工程安全、施工工期、生态环境等产生不利影响。

6 结语

综上所述，结合察尔森水库多年运行经验和类似工程实例，察尔森水库除险加固工程采用在大坝下游覆盖层内布置多个测压管断面监测测压管水位变化，用断面测量法推求渗漏量是符合相关规范要求，大坝渗漏量监测方式设计优化与调整是可行的、有效的，满足大坝工程渗流量监测要求。