关于加强水库大坝下游水位监测的认识与建议

江 超,吴全荣,曹 昕,闵国琪

（1.水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，210029，南京；2.水利部大坝安全管理中心，210029，南京；3.广西国能水电开发有限公司，530000，南宁；4.江苏省常州市金坛区水利局尧塘水利管理服务站，213022，常州）

水库大坝安全监测一般包括环境量、变形、渗流、应力应变等监测类别，环境量监测又主要包括上游水位、下游水位、降水量、气温等监测项目。但当前在我国水库大坝环境量安全监测设施建设过程中，下游水位监测通常被忽视或误解，受重视程度不及上游水位和降水量监测，造成监测设施不完善等问题。本文从下游水位监测的内涵与规范规定，以及下游水位在坝体浸润线位置确定、安全监测资料分析、渗流计算方面发挥的作用等角度，论证分析下游水位在水库大坝安全监测和安全管理中的重要性。

一、下游水位监测的内涵与规范规定

当前与水库大坝下游水位监测设施设置相关的技术规范和文件主要有《土石坝安全监测技术规范》（SL 551—2012）、《混凝土坝安全监测技术规范》（SL 601—2013）、《水利水电工程安全监测设计规范》（SL 725—2016），以及2021年10月水利部印发的《小型水库雨水情测报和大坝安全监测设施建设与运行管理办法》（水运管〔2021〕313号），有关下游水位监测的规定如下：

①《土石坝安全监测技术规范》（SL 551—2012）将上下游水位均作为1 级～3 级碾压式土石坝的必设监测项目，规定下游（河道）水位观测应与测流断面统一布置，测点应设置在以下位置：水流平顺、受泄流影响较小、便于安装设备和观测的地点；当各泄水口泄流分道汇入干道时，除应在干道上设置测点外，也可在各分道上布设测点；河道无水时，下游水位用河道中的地下水水位代替，宜与渗流监测结合布置。观测设备和要求同上游水位监测。

②《混凝土坝安全监测技术规范》（SL 601—2013）将上下游水位均作为1 级～4 级混凝土坝的必设监测项目，规定测点应布置在近坝趾、水流平顺、受泄流影响较小、设备安装和观测方便处；坝后无水时，下游水位应采用坝趾地下水水位；下游水位应与上游水位同步观测，有水时观测设备及要求与上游水位监测相同，无水时观测设备应按渗流观测设施进行设置。

③《水利水电工程安全监测设计规范》（SL 725—2016）将上下游水位均作为1级～5级大坝（包括混凝土坝与土石坝）的必设监测项目，但未对下游水位监测布置作出具体规定。

④《小型水库雨水情测报和大坝安全监测设施建设与运行管理办法》（水运管〔2021〕313 号）明确了小型水库监测设施设备基本配置要求，规定下游水位或近坝地下水水位监测点根据需要设置，并将下游水位列入渗流监测内容。

综上所述，《土石坝安全监测技术规范》（SL 551—2012）、《混凝土坝安全监测技术规范》（SL 601—2013）、《水利水电工程安全监测设计规范》（SL 725—2016）均认为下游水位和上游水位同等重要，是大坝安全监测必设的环境量监测项目；此外，下游水位监测的内涵又包括下游地下水水位监测，分下游有水和无水两种情形进行设置，有水时设置同上游水位监测，无水时设置同渗流监测。因我国部分水库大坝下游无水（指无地表明流，泄洪河道和输水渠道除外），导致相关人员误认为下游水位监测必要性不强，是造成当前较多水库大坝安全监测项目缺少下游水位的重要原因。

二、下游水位监测的重要意义

1.有利于确定准确完整的坝体浸润线

获取大坝浸润线位置是坝体渗流压力监测的重要目的，主要通过监测横断面上设置的渗流压力（测压管）水位、上游水位和下游水位确定，一般通过上游水位确定浸润线的入口位置，通过下游水位确定浸润线出口位置。若缺乏下游水位监测数据，则难以准确完整地确定下游出口位置的大坝浸润线位置。以下通过举例说明下游水位监测对坝体浸润线确定的重要性，为突出论证效果，此水库为结合某水库进行参数修改后的虚构水库。

某小型水库总库容236 万m3，坝型为均质土坝，最大坝高12 m，根据水运管〔2021〕313 号文要求，在坝顶下游侧、下游马道各设置了1个渗流压力测点K1、K2，采用测压管方式监测渗流压力，由于未设置下游水位监测点，绘制的大坝浸润线（如图1 所示）仅能到K2点。若在近坝下游地面补充设置1个下游水位测点K3，则可以绘制更加完整准确的坝体浸润线。

图1 大坝浸润线示意图

通过对比可见，下游水位监测在渗流压力监测中发挥了监测渗流出口的重要作用，即浸润线的入口位置通过上游水位确定，出口位置需要通过下游水位确定。

2.对渗流安全监测资料分析至关重要

比较法、作图法、特征值统计法及数学模型法为《土石坝安全监测技术规范》（SL 551—2012）、《混凝土坝安全监测技术规范》（SL 601—2013）推荐的大坝安全监测资料分析方法，当通过绘制过程线法（作图法）来分析渗流压力监测数据时，过程线图一般需要同时绘制上下游水位过程线，用于判别渗流压力监测数据的可靠性和初步分析防渗效果。假设图2的（a）、（b）、（c）分别为图1水库大坝无下游水位、下游水位测值18.4～21.6 m、下游水位测值12.0～16.0 m三种情形下渗流压力测点水位过程线，由图可见：

图2 不同下游水位情况下渗流压力水位过程线

①当无下游水位监测数据时，无法直观反映监测断面渗流安全性态，仅能计算K1、K2测值相对于库水位降低了2.3～4.7 m、5.1～7.5 m。

②当有下游水位监测数据时，可通过进一步计算K1、K2的渗流压力位势，评估监测断面渗流安全性态。渗流压力位势计算公式为：

式中：φ为渗流压力位势，H为渗流压力测点水位，HU为上游水位，HD为下游水位。

渗流压力位势越小，反映该测点上游侧防渗措施削减水头越多，剩余位势越小，防渗效果越好。基于图2（b）中监测数据计算的K1、K2的渗流压力位势分别为50%～65%、17%～27%，基于图2（c）中监测数据计算的K1、K2的渗流压力位势分别为70%～82%、50%～61%。图2（b）中的K1、K2渗流压力位势明显小于图2（c）渗流压力位势值，表明图2（b）中的大坝防渗效果整体优于图2（c），其渗流安全性态更好。由此可见，下游水位监测数据可直接影响渗流安全评价结论，因此，确保其监测数据准确性十分重要。

同样，对混凝土坝而言，扬压力折减系数是一个衡量坝基防渗效果的重要指标，其计算公式为：

式中：α为扬压力折减系数，Y为扬压力水位，HU为上游水位，HD为下游水位。

防渗帷幕后的测点扬压力折减系数越小，反映坝基防渗效果越好。若缺乏下游水位实测数据，则无法通过计算扬压力折减系数来定量评价坝基防渗效果。

综上，下游水位监测数据是土石坝渗流压力位势和混凝土坝扬压力折减系数计算的重要参数，可用于直观定量判定监测断面的防渗效果与渗流安全性态，对大坝渗流监测资料分析至关重要。

3.为大坝渗流计算提供准确边界条件参数

水库大坝安全评价与设计工作中，一般需要进行大坝渗流计算。《碾压式土石坝设计规范》（SL 274—2020）规定了大坝渗流计算的4种水位组合情况，分别为上游正常蓄水位与下游相应最低水位、上游设计洪水位与下游相应水位、上游校核洪水位与下游相应水位、库水位下降时上游坝坡稳定最不利的水位组合。由此可见，下游水位与上游水位一样，均为渗流计算的重要边界条件参数。

与上游水位相比，我国大部分水库特别是建于20世纪50—70年代的水库，因设计阶段未确定下游水位特征值或缺少设计资料或无下游水位监测数据，导致下游水位取值通常缺乏依据。而下游水位取值不合理，将会直接影响渗流计算成果的准确性，仍以图1 水库大坝为例，计算上游正常蓄水位（31.00 m）与4种不同下游水位组合工况下的浸润线位置、单宽渗流量、渗透比降，以此说明下游水位取值对渗流计算的重要性。计算成果见表1和图3。

表1 不同下游水位渗流计算成果表

图3 不同下游水位工况渗流计算成果图

由表1可见，当上游水位固定不变，随着下游水位降低，K1、K2处计算浸润线高程逐渐降低，断面单宽渗流量逐渐增大。当下游水位取下游地面时，渗流从下游坝坡逸出，出逸点渗透比降较大，约为0.37；当下游水位取地面以下时，3种工况下渗流均未从下游坝坡出逸，坝体与坝基交点处渗透比降在0.15～0.16之间。由此可见，采用不同下游水位渗流计算所得成果明显不同，下游水位监测对提高渗流计算成果精确度具有重要意义。

通过设置下游水位监测项目，可以获取更加准确可靠的监测数据。同时，对初设阶段已确定下游水位特征值的水库，可通过下游水位监测进一步修正，为渗流计算提供准确可靠的边界条件参数，提高渗流计算成果的准确性与可靠性。

三、下游水位监测设施设置注意事项

对下游无水的水库，下游（地下水）水位监测设施设置应注意以下几点：

①对大坝长度小于500 m的水库，一般仅选取1个典型渗流压力监测横断面（通常为老河床断面），在下游近坝脚地面设置1 个下游（地下水）水位监测点，同时用于监测该断面浸润线渗流出口位置。因大坝长度总体较小，不同渗流压力监测横断面的下游（地下水）水位基本接近，因此，各渗流压力监测横断面可共用同一下游（地下水）水位监测数据，用于近似确定其他断面浸润线渗流出口位置。

②对大坝较长的平原水库特别是四面筑坝的围坝，渗流压力监测横断面间距一般较大，各监测断面下游水位可能存在差异。因此，建议此类水库在各渗流压力监测横断面下游近坝脚地面，均设置一个下游（地下水）水位监测点。此外，下游水位监测点不宜距离坝脚过远，否则测值不具有代表性。

③《土石坝安全监测技术规范》（SL 551—2012）、《混凝土坝安全监测技术规范》（SL 601—2013）均规定下游无水时，下游水位观测设施设备按照渗流观测进行设置，一般通过埋设测压管方式来观测下游水位。但与大坝测压管制作相比，下游水位测压管无点压力和接触面压力监测需求，其透水管段长度可大于大坝测压管透水管段长度，重点保障测压管灵敏度合格即可。

四、结 语

下游水位监测设施的设置一般只需要增加1根测压管和1支渗压计（下游无水时），或增加1套与上游水位监测相同的仪器设备（下游有水时），投资小但可发挥较大作用，建议除少数因下游地面未确权等原因以及设置下游水位监测设施确有困难的水库，其他有条件的水库应设置下游水位监测设施，进一步完善大坝安全监测系统，在大坝安全鉴定、监测资料分析、支撑智慧水利等方面发挥重要作用。