南水北调双王城水库大坝渗流观测及变化规律

李宝坤，魏 国，毛安婷

（1.南水北调东线山东干线有限责任公司，山东 济南 250109；2.山东润鲁工程咨询集团有限公司，山东 济南 250100）

双王城水库是南水北调东线一期干线工程山东省境内建设的3 座中型水库之一，位于寿光市北双王城生态经济园区。水库最高设计蓄水水位为12.50 m，对应最大蓄水量为6 150 万m3；最低供水水位为3.90 m，相应的蓄水量为820 万m3，综合年度调节水量为5 310 万m3。设计初步运行年入库水量为7 480 万m3，蒸发及渗漏量为1 128 万m3，初步设计的年供水量为6 350 万m3。设计向潍坊、青岛年供水量为4 350 万m3，向寿光当地企业年供水量为1 000 万m3。水库泵站装有两大两小4 台水泵，组合使用，互为备用。水库泵站机组最大设计入库流量为8.61 m3/s，最小流量为1.5 m3/s。

1 水库围坝渗流观测设施设计

1.1 坝基防渗设计

双王城水库围坝为复合土工膜防渗体斜墙砂壤土均质坝，在围坝全长96.36 km 范围内设混凝土防渗围墙，在内坡距坝轴线41.5 m 位置，设置厚30 cm 的混凝土防渗墙。防渗墙设计深度为28 m，顶高程3.5 m；渗透系数为≤1×10-5cm/s；混凝土28 d 后抗压强度为4～5 MPa，防渗墙抗拉强度≥0.65 MPa；允许渗透比降大于50。

1.2 坝体防渗设计

坝坡防渗采用复合土工膜，复合土工膜结构由两层织物中间加一层PE 膜组成，土工布为300 g/m2针副无纺土工布，PE 膜厚0.5 mm。防渗墙拉应力大于12 MPa，伸长率应大于300%，弹性模量应大于70 MPa，抗冻性大于零下60 ℃，连接部位强度高于母材的强度。混凝土防渗墙抗撕裂强度≥40 N/mm；抗渗能力在1.05 MPa 水压下应保持48 h 不渗水，渗透系数小于1×10-5cm/s。

1.3 渗压计的种类及选用

由于振弦式渗压计具有传感精度高，测量范围大的特点，且结构简单，能适用于长期埋设在水工建筑或混凝土及坝体内，测量坝体或建筑物内部的渗透水压力，并且可以实时测量埋设位置的温度，因此工程选用振弦式渗压计，日常人工测量的渗压计为吊装在测压管内的渗压计。

1.4 围坝渗压计的布设

双王城水库在围坝0+050、2+390、4+050、6+050、8+050 五个断面分别埋设5 支直埋式渗压计，共计25 支。在围坝1+050、3+050、5+050、7+050、9+050 五个断面分别埋设4 支测压管+渗压计，共计20 支。

1.5 观测频次设定

双王城水库围坝测压管观测分为人工观测与自动观测两种，自动观测为主，人工观测为辅。人工观测对自动观测数据起到校正作用。自动观测频次为每天12∶00 及24∶00 各1 次，人工观测频次为每周1 次。

2 水库围坝渗流规律分析

1）选取3 个测压管，对2020 年3 月11 日至12 月18 日非调水期水库水位、测压管水头统计见图1 所示。

图1 水位、渗流曲线

由图1 可知：非调水期间围坝渗流曲线随着水库水位的下降而均匀下降，离水库水面近的1 号测压管内水位高于离水面远的3 号测压管内的水位（1、2、3 号测压管由近及远远离水库内坡），相同时间内离水库水面近的测压管内水位变化量大于离水面远的测压管内的水位变化量。

2）选取三个测压管，对2020 年12 月18 日至2021 年3 月18 日调水期水库水位、测压管水头统计如图2 所示。

图2 水位、渗流曲线

由图2 可知，水库开机进水后约25 d 内，虽然水库水位不断上升，但是测压管内的水位却依然保持下降的趋势。

3）选取3 个测压管，对2021 年3 月24 日至2021 年8 月31 日停机初期水位、测压管水头统计如图3 所示。

图3 水位、渗流曲线

由图3 可知，水库泵站停机后，水库水位明显逐步降低，但在停机后的37 d 内，测压管内水位却依然保持上升的趋势。说明水库水位变化绕过防渗墙传递到测压管需要30 d 左右的时间。

通过调水初期与停机初期测压管内水头变化反应的时间可以判断：水库水位上升产生的向外渗透压力的传递速率大于水库水位下降渗透压力变小向外传递的速率，符合水库大坝正常渗透压传递规律。

3 影响渗流变化的因素

1）调水期水库水位日变化量较大，最大单日水库水位升高值为10 cm，是造成大坝渗流曲线升高变化的主要原因。

2）非调水期水库日变化量很小，最大单日水库水位下降值为2 cm，所以非调水期间大坝渗流曲线稳定，降雨是影响渗压计数值产生较大变化的主要原因。

4 渗流观测结果分析

1）工程在建设过程中对库内水井进行了有效的封堵，在水库内坡距围坝轴线41 m 处，设置了塑性混凝土防渗墙，对水库防渗起到了很好的截渗作用，有效地降低了水库的渗流曲线。水库设计年蒸发渗漏损失总量为1 128 万m3，但在2015—2020 年的运行中（其中3 年为高水位运行），水库年蒸发渗漏总量最小为791.45 万m3，最大为974.51 万m3，远低于水库设计蒸发渗漏损失总量，详见表1。所以，不论从渗流曲线的变化，还是蒸发渗漏量的观测，都能反应出水库的防渗效果符合设计要求，围坝质量安全可靠。

表1 2015—2020 年双王城水库蒸发渗漏损失总量 万m3

2）工程运行初期采用的监测设备、数据采集方法基本满足工程需要，观测频次计监测数据管理能够满足规范要求。

3）表面变形监测点和测压管完好率较高，获取较完整的监测资料。土压计、应变计及渗压计等传感器采用自动化采集，受自动化系统稳定性较差影响，获取监测资料可靠性较差，无法反应工程实际运行状态。应对自动化系统进行维修或更新，渗压计继续纳入自动监测。

4）围坝各监测断面实测渗压变化规律一致，与库水位呈明显相关性；每个监测断面实测渗压分布规律基本一致，靠近上游侧测点实测渗压较高，靠近下游侧测点实测渗压较小。围坝实测渗压符合正常规律。

总之，通过监测资料分析，未发现建筑物明显异常现象，目前工程总体正常，在近7 年的运行中，双王城水库渗漏量始终低于设计值。

5 土石坝发生渗漏的常见问题分析

1）坝体渗漏。填筑土石坝坝体时，如果坝体压实度达不到设计要求，就会导致坝体渗透系数过大，当水库开始蓄水随之水位的升高，水体的渗透压力就会越来越大，浸润线以下的坝体便都很容易变成渗漏的通道，渗透水就会在坝体外皮的坝脚处渗出，形成逸出点，随之水位的不断升高水压的不断增大，可能出现大面积的逸出点，慢慢的逸出点就会连成片，导致坝体出现滑坡甚至溃坝。

2）坝基渗漏。坝基在施工过程中，如果基础材料搭配不合理或者压实度不够，容易在坝基浅层位置形成透水层。在库内水压的不断作用下，会产生渗漏涌道，水流便从坝基渗流到坝脚形成逸出点，慢慢地使坝基沙石料被带走，形成空隙变沼泽化，严重时水流会变得浑浊翻砂，最终导致大的渗漏通道的形成甚至决堤。

6 渗流监测处理建议

1）对坝体、坝基、绕渗及导渗（含减压沟和减压井）的渗流量，应分段、分区进行监测。如果条件允许，可以利用分布式温度测量的方法反应大坝渗流状况。所有集水和量水设施，都应该避免其他因素水的影响。

2）若下游有渗漏水时，应在下游脚附近设计排渗沟，在排渗沟内设置水堰并测出其明流水量。

3）若透水层厚度较大，渗流水水位明显低于地面时，可在坝下游河床中设置压力观测设施，通过监测渗流压力的变化确定浸润线的渗透坡降和渗流量。渗流压力观测点应沿水流方向布设，一般间距为10～20 m。

4）尽量避免较重车辆或震动较大的车辆从坝顶行驶，避免堆放重量超过坝体承受能力的物品。正确控制水位的上升及下降速度，防止出现渗压过大造成坝坡淘刷的情况发生。

5）在固定的渗流出口或堰口对渗漏水水样进行采样。在监测渗流流量的同时，测记相应渗漏水的温度、透明度和气温。温度测量应精确到0.5 ℃。水体透明度应测量两次并确保两次的测量值的插值小于等于1 cm。如果水体比较浑浊，还应该测量出其相应的含砂量。

6）对于渗流水水质的分析，可根据现场需要，进行全面或者简单的分析。在对坝体或坝基的渗流水水质进行分析时，同时取水库水样进行对比分析。