深厚覆盖层防渗墙安全监测关键技术研究

柳 莹，李 江，贾洪全，杨玉生，3

（1．新疆水利水电规划设计管理局，新疆乌鲁木齐 830000；2．新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐 830000；3．中国水利水电科学研究院，北京 100048）

1 研究背景

深埋于覆盖层内的防渗墙属于隐蔽工程，对其进行安全监测，是判定防渗墙施工质量和运行状态的必要手段[1-2]。监测成果对防渗墙质量鉴定和运行状态评价具有重要的实际意义。

目前，国内深厚覆盖层内建成的深、超深防渗墙工程在挠度变形、应力应变、渗透压力和土压力等开展了不同程度的监测。监测实施前通过相关软件模拟计算分析墙体材料和形状、施工顺序和连接方式等对运行期防渗墙性态的影响，有助于指导优化防渗墙设计和施工[3]。监测实施前通过相关软件模拟计算分析墙体材料和形状、施工顺序和连接方式等对运行期防渗墙性态的影响，有助于指导优化前期防渗墙设计和施工。郦能惠等[4]采用双屈服面弹塑性模型分析各种不利因素对防渗墙应力变形的影响规律并提出了工程建议。Liu等[5]通过数值模拟分析论证了选择低弹模高强度混凝土、优化防渗墙与坝体心墙连接方式可有效降低墙体的压应力和变形。20世纪以来，深、超深防渗墙监测方案设计、监测仪器选型、仪器布设安装技术及保护、监测结果分析等发展迅速，西藏旁多水库在防渗墙渗压计安装中研发了深槽柔性弹簧杆法，保证了渗压计的成活率[6]。监测仪器安装技术和工艺的发展提高了仪器成活率和监测效果，监测数据反馈的防渗墙运行状态也更真实、准确。瀑布沟水电站[7]坝基防渗墙施工期应变监测结果分析表明，墙体变形与覆盖层沉降不协调而产生的负摩阻力是影响其应力应变的主要因素。新疆大河沿[8]水库坝基186 m超深防渗墙施工期的监测数据分析表明，墙体应力变形、渗流、土压力的变化均在合理范围内，防渗墙运行状况良好。监测结果分析能判定和评价防渗墙实际工作性态和破坏与否，同时校核前期数值模拟的合理性和准确性。

我国在深厚覆盖层内已建深、超深防渗墙监测上均取得了较好的成果，显现出监测技术应用的可行性和必要性。然而，深、超深防渗墙监测受深厚覆盖层结构的多元性、墙体施工和受力的复杂性等限制，仍存在一定不足。总结深、超深防渗墙监测仪器布设细节、监测数据分析成果并提出对策建议，以期为后续深、超深防渗墙监测设计、施工、监测结果分析和工作性态评价等技术的改进提供参考。

2 国内深厚覆盖层防渗墙监测技术进展

我国防渗墙监测技术最早应用于1958年建设的密云水库，而后防渗墙监测技术备受关注并持续发展[9]。2001年建成的小浪底坝基防渗墙最大墙深81．9 m，仅设一个监测断面，其土压力计采用水压法布设，应变计、无应力计、倾角计采用角钢架法布设，仪器成活率高达100%[10]。2009年建成的仁宗海坝基防渗墙深80．5 m，设计3个监测断面，并布设固定式测斜仪、钻孔渗压计、单向应变计和无应力计进行监测，监测结果分析得出坝体填筑影响墙体挠度变形，竖向荷载及墙侧摩阻力严重影响墙体应变空间分布[11]。2016年建成西藏旁多水库坝基防渗墙（最大墙深158 m）墙深已突破150m级，针对常规安装方法无法适用其坝基全素混凝土超深防渗墙的特殊情况，采用自主研发的固定钢架法埋设应变计和无应力计，柔性弹簧杆法安装渗压计，成功减少超深防渗墙监测仪器布设施工难度，确保了监测仪器的精确定位、成活率和监测效果，监测资料准确反映了防渗墙工作性态与坝体填筑、库水位的关系[6]。新疆深厚覆盖层坝基防渗墙发展主要历经了3个阶段：1990年代初期防渗墙深度在50 m以内；21世纪初探索防渗墙＋帷幕灌浆的防渗处理形式，防渗墙深度突破100 m级；2010年以来深厚覆盖层防渗墙深度向200 m级发展。随着深厚覆盖层坝基防渗墙处理深度的增加，防渗墙监测的重要性和必要性不言而喻。2010年建成的下坂地水库坝基防渗墙布设了固定式测斜仪、双向应变计、无应力计和渗压计进行监测，监测数据反映出防渗墙挠度变形较小，应力应变分布及变化与坝体填筑和蓄水有关，防渗效果良好[12]。2019年建成的阿尔塔什水库坝基防渗墙在3个断面上埋设单、双向应变计和无应力计，蓄水前5支应变计损坏，成活率仅有64．3%；监测结果表明墙体混凝土大都处于受压状态[13]。在建的大河沿水库坝基186 m超深防渗墙埋设了测斜仪、应变计、无应力计、渗压计和土压力计，监测结果表明，在施工期防渗墙呈现两端受压、中间受拉状态[8]。国内部分已建深厚覆盖层深、超深防渗墙工程监测仪器选型及布置情况见表1。

表1 国内部分已建深厚覆盖层坝基深、超深防渗墙工程监测仪器选型及布置情况统计表

综合来看，国内深厚覆盖层防渗墙监测技术呈现监测仪器种类越来越多、质量越来越精良、适用性越来越广，监测精度越来越高，信息处理越来越高效准确的发展态势。当然，深厚覆盖层坝基超深防渗墙监测技术仍在不断探索，相关规范、标准有待进一步完善。

3 深厚覆盖层防渗墙安全监测关键技术研究

防渗墙成型后，在大坝填筑期和蓄水运行期的适应性和运行性状直接关乎坝基防渗效果和运行安全稳定，这就需要通过监测数据来判定和评价防渗墙的实际形状。

3．1 规定针对性的监测设计原则防渗墙监测目的就是通过分析监测数据来判定和评定防渗墙运行性态、施工质量、防渗效果以及安全稳定，检验设计和施工的正确性，据以修正和完善设计方案[14]。防渗墙监测设计应遵循以下原则：（1）监测项目和仪器布设要目的明确、高效可靠、经济合理，便于及时检验和后期检修；（2）监测仪器选型要因地制宜，仪器设备精确可靠、性能稳定、耐久防潮，仪器安装前严格校正率定；（3）重要监测断面同一监测项目尽量采用多种监测手段，便于监测数据可靠性、准确性的校核和补充；（4）根据科学技术的发展和工程的实际情况，尽量实现自动化监测，提高观测精度，简化监测数据处理和资料分析，充分发挥监测成果参考作用，及时反馈可靠信息作为决策依据。

3．2 选择合理的监测仪器类型防渗墙监测仪器包括单双向应变计、无应力计、固定式或活动式测斜仪、土压力计、渗压计等，从结构原理上分差动电阻式和振弦式两种。差动电阻式仪器的耐久性和稳定性好，仪器本身可监测环境温度；仪器布设工艺成熟，成活率可达 94．8%～98．0%以上；振弦式仪器结构简单、性能稳定、测值精准且受外界干扰较小，自动化和智能化程度高，适用于远距离自动监测，应用比较广泛。监测仪器选型时要根据其适用性、经济性和精度要求等综合选择，尽量采用智能化和自动化监测仪器和设备，以节约后期监测数据采集的人力物力。当前，大中型工程基本趋向于采用振弦式监测仪器。当工程地处高寒、高震区，且防渗墙深度较大时，一般选择应用广泛且性能稳定的 “BGK（北京基康公司）”和 “Sinco（美国新科公司）”监测仪器，西藏旁多水库坝基超深防渗墙监测即是如此[9]。

3．3 制定可行的监测仪器布设注意事项防渗墙监测断面应具有典型性、代表性，一般包括最大坝高断面或最大墙深断面。其次，土层性质变化较大和地质条件复杂区域也应设计监测断面；监测点在监测断面竖直方向应均匀划分，在界面尺寸变化、地层条件复杂部位应加密观测点。

无应力计和应变计分别布设于防渗墙中心和两侧，应变计外侧预留约10 cm的保护层。二者应等距对正布置，高程保持一致，一般采用垂直吊装法或沉重块法布设，无应力计和应变计的竖向布设间隔，墙深小于70 m（深墙）时约为10 m，墙深大于70 m（超深墙）时为20～30 m；在墙体材料、截面和覆盖层结构变化处应适当加密观测点，以保证防渗墙应力应变监测的准确性和可靠性。采用沉重块法时，在仪器埋设2 d前，应按防渗墙混凝土配合比预制无应力计，安装用尼龙绳预先浸水1 d后和钢丝进行适当预拉，以消除塑性变形；沉重块下放过程中保持水平，在仪器埋设后应悬浮在槽底，以使吊绳受力呈铅直状态；应变计设置保护框，与无应力计保持同步下放，仪器电缆端朝下并绑扎在钢丝上[15]。土压力计一般采用挂布法将其布设于防渗墙顶部和底部上、下游侧的覆盖层中，并根据实际情况在不同高程处和覆盖层结构显著变化处增加观测点，以确定不同高程、层次的土压力对防渗墙的影响程度。

防渗墙水平位移监测普遍采用固定式或活动式测倾仪，测斜管安装在防渗墙中心线底部、地形地质突变和受力较复杂部位。采用钻孔或起拔钢管形成预留孔，下设测斜管；因超深防渗墙钻孔垂直度难以控制，故起拔钢管预留孔法应用较为普遍。深、超深防渗墙测斜管内测斜仪竖向布设间隔为10～20 m。

渗压计布设于防渗墙上下游外侧的覆盖层中，竖向上保持等距对称，间隔为20～40 m。校验合格的渗压计在埋设前应用清水将其浸泡，使其处于饱水状态，一般用土工膜包裹，与应变计和无应力计同步安装，导管和渗压计同步下放，安装中应在固定时间间隔进行测量校准，确保仪器完好。

钢筋计只适用防渗墙顶部设置钢筋笼和钢筋混凝土防渗墙的监测，仪器对称布设于防渗墙顶部上下游侧，沿横河向依次展布；特别是对于超深防渗墙，覆盖层沉降与墙体变形不协调产生的拖拽力和坝体自重荷载作用，将导致防渗墙顶部应力变形较大，因此设计时会在墙体顶部设置5～10 m深的钢筋笼，用以改善防渗墙顶部应力变形和增加与上部坝体心墙连接的稳固性[16]。钢筋计的监测结果能精确反应钢筋笼设置对防渗墙顶部应力变形的改善效果，从而论证钢筋笼设置的可行性。

3．4 提出适合的防渗墙槽孔稳定性和平直度要求防渗墙槽孔稳定性和平直度严重影响监测仪器的布设效率、质量和成活率等，特别是超深防渗墙，槽孔稳定性、平直度和孔斜率控制难度极大但又极其重要。造孔成槽时应严格控制导墙稳定性和导墙位置准确性，合理划分槽段，选用配套的造孔机械设备，通过先导试验确定施工参数和提出孔斜控制要求，调配性能优异的固壁泥浆，采用有利于槽壁稳定、高效的清孔工艺，从而保证了槽壁稳定性、平直度。大河沿水库坝基超深防渗墙工程槽孔造孔施工时，通过严格把关导墙轴线偏位、孔斜率量测纠偏等措施，将槽孔斜率控制在1‰以内，并采用新型MMH正电胶、优质Ⅱ级钙基膨润土、烧碱、纯碱等复合泥浆护壁，成功确保了槽孔稳定性和平直度，为后续监测仪器布设创造了有利条件[17]。

3．5 做好监测仪器埋设的设计和施工防渗墙监测仪器布设常用方法有：吊索法、挂布法、推顶法、套管法、钻孔法、预埋导管法、加压法、沉重块法、绳索法和钢架固定法等。防渗墙监测仪器布设安装前应严格检查、率定和校核，包括力学特性、温度特性、绝缘密封特性参数等，还应检查其配套和附属器械的质量[18]。设计监测断面位置和高程可根据现场实际情况进行合理调整，应尽量设置在两根浇筑导管中间，浇筑导管下设时注意不要触碰扰动已安装的监测仪器，严格控制浇筑导管混凝土注入量，避免槽孔内混凝土面产生高差而横向流动，使槽内混凝土面均匀同步上升，保证仪器两侧混凝土的冲击力和压力均衡；当设计断面偏向于某一侧或出现单根导管浇筑混凝土时，应降低混凝土浇筑速率和提高仪器固定装置刚度，减少混凝土的冲击力和压力对仪器的干扰，提高监测仪器的成活率和质量。监测仪器布设时，应准确计算仪器前期率定校正时间与槽孔开挖、清孔验收等工序的时间间隔，确保各工序有序衔接。在监测仪器布设前后和墙体混凝土浇筑后对其进行全面测读，确保监测仪器运行正常。监测仪器布设主要控制仪器性能满足设计要求和位置准确稳固，从而保证监测仪器的成活率和长期稳定性。

3．6 开展全面的监测结果分析目前，深厚覆盖层内深、超深防渗墙监测技术已经日趋成熟，但监测结果分析基本均采用常规分析方法，并且缺少根据监测结果分析建立的河谷形状、覆盖层特性、防渗墙材料特性和深度、施工顺序、坝体自重、挡水水头等因素对防渗墙应力和变形的影响规律及程度的数据库。对于超深防渗墙，还存在以下突出问题：（1）工作水头较大。防渗墙迎水面和背水面深层长期处于饱水状态，背水面浅层长期处于干燥状态；（2）混凝土湿度变形不均一。高压水头作用下，水分沿着防渗墙上游面向下游面迁移，形成一定的渗流水力梯度，不同深度墙体内部湿度分布严重失衡；（3）超深防渗墙和深厚覆盖层之间的变形协调性。防渗墙刚度相比于覆盖层较大，深厚覆盖层较大沉降带给墙体的侧摩阻力、超深防渗墙的自重和高水头的水压力作用将导致墙体产生较大应力和变形。这些突出问题对防渗墙应力变形及工作性状的影响急需通过监测来解析，同时也加大了监测实施和监测数据分析的难度。超深防渗墙监测结果分析大都停留在常规二维分析层面，应加强应用三维、复杂数学模型分析研究，让监测结果更直观、更准确反应出各因素对防渗墙的影响规律和防渗墙的运行性状变化；同时加强与深防渗墙监测结果对比综合分析，建立不同时期、不同条件下深、超深防渗墙应力变形和运行性状变化的数据库，以校核前期数值模拟计算分析并指导后期类似防渗墙工程建设。

4 应用实例分析

4．1 下坂地水库工程下坂地水库坝基防渗墙设计了 0＋160．0 m、0＋221．0 m和0＋294．0 m 3个监测断面，在3个断面沿高程方向共布设了21套固定式测倾仪（见图1），顶部位置共布设3支无应力计，在3个断面防渗墙上下游侧共布设40支应变计和36支渗压计（见图2）。

图1 防渗墙固定式测倾仪布置图

图2 0＋221 m断面渗压计布置图

挠度变形监测结果（见图3）表明：水库未蓄水之前（2010年1月5日），河床段（0＋221）防渗墙底部1/3范围向上游变形，中部以上2/3范围向下游变形；两岸坝肩附近防渗墙除0＋160．0 m断面底部11 m范围向下游变形外，其余部分均向上游变形，整体上表现为中间受拉、两侧受压状态。水库蓄水后，因为防渗墙在承受坝体自重影响的同时，还需承受较大的水压力，所以防渗墙3个断面的挠度变形均有不同程度的增加，中间断面向下游变形量明显大于两侧断面向上游变形量，中间0＋221．0 m断面中上部最大变形约5 mm。由此可见，防渗墙变形量较小，发生挠曲变形破坏可能性不大，运行状态良好。

图3 下坂地水库坝基防渗墙0＋160 m、0＋221 m、0＋294 m断面挠曲变形分布图

渗压计水位监测结果（见图4—图5）表明：防渗墙上游渗压计的渗压水头随库水位的涨落而升降，下游渗压计水位在蓄水2年内有小幅上升，渗压计最大水位涨幅约为上游水头的1/6（上游水位最大变幅约50 m），而后渗压计水位基本趋于稳定。由此可见，防渗墙防渗效果良好。其防渗效果也得到了前人的证实。

图4 防渗墙0＋160 m断面渗压计水位过程线

图5 防渗墙0＋221 m断面渗压计水位过程线

4．2 阿尔塔什水利枢纽工程本工程坝基防渗墙设置防0＋185 m和防0＋230 m监测断面，防0＋185 m断面，在高程1635．0 m、1610．0 m和1585．0 m防渗墙轴线和上下游10 cm处分别埋设无应力计和单向应变计，防0＋230 m断面在高程1635．0 m和1610．0 m埋设相同的监测仪器。

根据监测结果（见图6）可知：防渗墙浇筑成型后，墙体温度大约由45℃急剧下降到15℃，应变计F-S1-1、F-S1-2（防0＋160．0断面、高程1595 m、防渗墙上下游侧）和无应力计 F-N01（防渗墙轴线）的综合应变由拉应变转变为压应变，且压缩变形量急剧增大约500με。墙体温度趋于稳定后，应变计F-S1-1、F-S1-2和无应力计F-N01的综合应变压缩变形增加趋势明显减缓，因为此时墙体应变变化仅受混凝土湿度、徐变和自身体积变形的影响。综合应变变化过程符合混凝土应变变化的一般规律，防渗墙运行状态良好。

图6 应变计F-S1组与无应力计F-N01综合应变变化过程线

4．3 三十八团石门水库工程三十八团石门水库坝基防渗采用混凝土防渗墙结合帷幕灌浆形式，防渗墙最大深度111 m，墙厚1 m。防渗墙监测设置坝0＋250 m和坝0＋300 m断面，坝0＋250 m断面沿高程布设6支应变计和无应力计，坝0＋300 m断面沿高程布设8支应变计和无应力计（见图7），同时布置固定式测斜仪（见图8），防渗墙顶部上下游侧布置渗压计，0＋145 m、0＋220 m、0＋300 m断面各布设3支土压力计（见图9）。

图7 防渗墙应力应变计与无应力计布置图

图8 防渗墙固定式测倾仪布置图

图9 大坝主断面坝基渗压计和土压力计布置图

根据渗压计监测结果（见图10—图12）可知，防渗墙顶部上游渗压计的渗透水位基本与库水位保持同步变化，渗透水位上升了62．297～62．104 m。而防渗墙顶部下游渗压计的渗透水位随库水位的上升仅发生微弱变化。根据土压力计监测结果（见图13—图14）可知，水库蓄水前，坝0＋220 m和坝0＋300 m断面防渗墙顶部上、下游的土压力均有所增加，且覆盖层越厚，土压力增幅越大，最大增幅分别约为0．4 MPa和0．7 MPa；水库蓄水后，随着库水位的上升，坝0＋220 m和坝0＋300 m断面防渗墙顶部上游的土压力总体上继续增加，下游土压力有所减小或维持稳定。因为覆盖层越厚，可能的沉降变形量越大，当水库蓄水后，坝体上游坝料的容重增加，使得覆盖层进一步发生沉降。故而蓄水前防渗墙顶部上、下游的土压力均有所增加，蓄水后仅上游的土压力增加。

图10 防渗墙顶部P01、P02渗压计渗透水位变化过程线

图11 防渗墙顶部P09、P10渗压计渗透水位变化过程线

图12 防渗墙顶部P17、P18渗压计渗透水位变化过程线

图13 坝0＋220 m断面防渗墙顶部土压力变化过程线

图14 坝0＋300 m断面防渗墙顶部土压力变化过程线

监测结果分析表明，坝体心墙和坝基防渗墙对渗流的削减效果明显，防渗墙顶部最大土压力在0．8 MPa以内，满足允许要求。防渗墙运行正常，防渗效果良好。

5 结论

本文研究得到如下主要结论：

（1）总结了我国防渗墙安全监测的发展特点，具体为：20世纪50年代末我国开始了对防渗墙的监测工作，随着科学技术的进步，监测仪器的种类逐渐增多，监测精度和质量水平越来越高，检测方法也日益完善。特别是近20年来，国内深厚覆盖层坝基深、超深防渗墙建设及监测技术发展均取得了较好的成果，呈现仪器种类多、质量精良、适用性广，监测精度高，信息处理高效准确的态势。然而，深、超深防渗墙监测受深厚覆盖层结构的多元性、墙体施工和受力的复杂性等限制，仍存在一定不足，对于百米级、尤其是200 m级深度的防渗墙受力及变形特性目前研究尚嫌不足。

（2）深厚覆盖层坝基防渗墙安全监测关键技术有：规定针对性的监测设计原则、选择合理的监测仪器类型、制定可行的监测仪器布设注意事项、提出适合的防渗墙槽孔稳定性和平直度要求、做好监测仪器埋设的设计和施工、开展全面的监测结果分析6个方面。在防渗墙安全监测中，只有把握住这6个方面的每一个环节，才能提高监测仪器成活率和监测数据精度，更直观准确反应各因素对防渗墙的影响规律和防渗墙的运行性状变化。

（3）通过应用实例分析，验证了防渗墙安全监测的作用和特点。例如：下坂地水利枢纽工程防渗墙监测最大变形约5 mm，防渗墙上游渗压计最大水位涨幅约为上游水头的1/6，说明防渗墙变形量较小，防渗效果良好，防渗墙运行状态良好。阿尔塔什水库坝基防渗墙应力应变监测结果表明，墙体受力变化符合一般规律，防渗墙运行正常。三十八团石门水库坝基防渗墙顶部上下游渗透水位差值明显，土压力变化满足要求，防渗墙运行状态良好，截渗效果明显。