傅春江，李君軍，王玉潔

（國(guó)家電力監(jiān)管委員會(huì)大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州 310014）

0 引 言

抽水蓄能電站運(yùn)行水位變化頻繁，對(duì)庫(kù)盆的防滲要求較高。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)運(yùn)行的抽蓄電站庫(kù)盆的防滲體系主要有以下幾種形式：全庫(kù)盆瀝青混凝土面板防滲、全庫(kù)盆鋼筋混凝土面板防滲、庫(kù)岸鋼筋混凝土面板+庫(kù)底土工膜防滲、庫(kù)岸瀝青混凝土面板+庫(kù)底土工膜防滲、庫(kù)岸瀝青混凝土面板+庫(kù)底粘土防滲。滲漏量是綜合判斷庫(kù)盆防滲體系的重要指標(biāo)，其重要性不言而喻，幾乎所有抽蓄電站庫(kù)盆均設(shè)置了滲漏量監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，也積累了大量的實(shí)測(cè)資料，但如何判斷庫(kù)盆滲漏量是否偏大，目前國(guó)內(nèi)鮮有理論依據(jù)充足的定量判斷指標(biāo)，所以庫(kù)盆滲漏量監(jiān)測(cè)指標(biāo)研究有重大意義。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，建筑物從建造到失效通常要經(jīng)歷下列三種狀態(tài)：正常狀態(tài)、不正常（故障）狀態(tài)和失效（極限）狀態(tài)。破壞是失效狀態(tài)的一種特例。顯然，不正常狀態(tài)和失效狀態(tài)有許多癥狀和標(biāo)志，這些癥狀和標(biāo)志的界限值為狀態(tài)特征值，反映在監(jiān)控系統(tǒng)中即為監(jiān)控指標(biāo)。據(jù)此，可將水工建筑物的安全監(jiān)控指標(biāo)分為兩級(jí)：第一級(jí)為建筑物無(wú)故障監(jiān)控指標(biāo)，即為正常狀態(tài)和不正常狀態(tài)之間的界限值，第二級(jí)為建筑物極限監(jiān)控指標(biāo)，即為不正常和失效之間的界限值。

1 一級(jí)監(jiān)控指標(biāo)的制定方法

一級(jí)監(jiān)控指標(biāo)是指建筑物無(wú)故障監(jiān)控指標(biāo)，是正常狀態(tài)和不正常狀態(tài)之間的界限值。本文介紹兩種方法來(lái)推算一級(jí)監(jiān)控指標(biāo)：一是綜合滲透系數(shù)估算法；二是裂縫滲流法。

1.1 綜合滲透系數(shù)估算法

綜合滲透系數(shù)法是考慮防滲體系的綜合滲透效應(yīng)，通過(guò)實(shí)測(cè)滲漏量資料對(duì)滲透系數(shù)進(jìn)行反演，對(duì)于采用全庫(kù)盆鋼筋混凝土面板防滲的體系，即為考慮面板接縫、裂縫滲水影響的綜合滲透系數(shù)。

一般來(lái)講，面板或土工膜下的墊層的滲透系數(shù)K=a×10-3～a×10-4cm/s，顆粒粒徑較小，能滿足Re＜10的條件，其間的滲流流態(tài)呈層流，符合達(dá)西定律，且通過(guò)墊層到達(dá)過(guò)渡層和堆石區(qū)的滲流剩余水頭小于總水頭差的10%，由于水頭小、流速低，盡管主堆石區(qū)的平均粒徑較大，但其雷諾數(shù)Re仍較小，所以其滲流分析一般可以簡(jiǎn)化成達(dá)西流分析。根據(jù)達(dá)西定律，庫(kù)岸岸（壩）坡防滲體系的單寬滲漏量計(jì)算公式為：

則岸（壩）坡的總滲漏量為：

庫(kù)底單位面積滲漏量的計(jì)算公式為：

則庫(kù)底的總滲漏量為：

庫(kù)盆總滲漏量為：Q總=Q1+Q1

式中：H為壩坡面板承受的最大水頭；K-為綜合滲透系數(shù)；δ為防滲體系（面板或土工膜）的厚度；θ為防滲體系與水平面的夾角；Ln為岸（壩）坡防滲體系長(zhǎng)度；Sn為庫(kù)底防滲體系面積。

綜合滲透系數(shù)K-可根據(jù)實(shí)測(cè)滲漏量資料采用最小二乘法擬合而成，若有庫(kù)底或岸（壩）坡分區(qū)滲漏量的實(shí)測(cè)資料，可分區(qū)對(duì)相應(yīng)的K-進(jìn)行反演擬合。

另外比較多用的還有Cassinnader（1988）建議的計(jì)算通過(guò)面板滲漏量的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：QF為滲漏量，m3/s；LF為正常蓄水位時(shí)的壩頂長(zhǎng)度，m；HF為正常蓄水位時(shí)的最大壩高，m；Tsm為最長(zhǎng)面板在正常蓄水位以下的平均厚度，m；Ks為面板綜合滲透系數(shù)?？捎梢呀üこ掏魄?，也可通過(guò)實(shí)測(cè)資料反演。

1.2 裂縫滲流法

該方法主要針對(duì)混凝土面板防滲的工程，根據(jù)水流通過(guò)裂縫的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)推導(dǎo)。采用C·路易斯的研究，當(dāng)水流通過(guò)粗糙裂縫且為層流時(shí)，通過(guò)單位長(zhǎng)度裂縫的滲流量為：

式中：K為裂縫表面的絕對(duì)粗糙度；Dn為面板的厚度；K/Dn為相對(duì)粗糙度，對(duì)光滑縫面為0，當(dāng)粗糙高度等于裂縫寬度時(shí)為0.5；g為重力加速度；γ為水的動(dòng)力粘滯系數(shù)；i為裂縫滲流的水力比降，近似為作用水頭與面板厚度之比。若相對(duì)粗糙取為0.5，水溫為20℃時(shí)：

當(dāng)統(tǒng)計(jì)出各種裂縫寬度bn對(duì)應(yīng)的裂縫長(zhǎng)度Ln時(shí)，總的滲流量為：

該方法得到的滲漏量可以利用原型觀測(cè)資料以最小二乘法作進(jìn)一步修正：

式中：α為利用最小二乘法擬合的修正系數(shù)。

該方法需要對(duì)防滲體系的裂縫進(jìn)行細(xì)致的調(diào)查，裂縫調(diào)查的準(zhǔn)確性是影響計(jì)算精度的決定性因素。

2 二級(jí)監(jiān)控指標(biāo)的制定方法

第二級(jí)監(jiān)控指標(biāo)為建筑物極限監(jiān)控指標(biāo)，是不正常和失效之間的界限值。若抽蓄電站庫(kù)盆的滲水超過(guò)了其排水能力，那么可以認(rèn)為建筑物處于功能失效的極限狀態(tài)。所以二級(jí)監(jiān)控指標(biāo)的制定關(guān)鍵是計(jì)算建筑物的排水能力。

一般來(lái)說(shuō)，抽蓄電站庫(kù)盆的排水體系包括岸（壩）坡防滲體系后的排水料墊層、庫(kù)底排水墊層料及位于其中的排水花管。庫(kù)內(nèi)滲水和地下水將通過(guò)排水墊層料及其中的排水土工管排至排水廊道或者壩后。

若建筑物設(shè)置的多種排水體系之間關(guān)系相互獨(dú)立，則總排水能力為兩者排水能力之和；若多種排水體系之間的關(guān)系是相互依賴的，取兩者中的最小排水能力作為控制值。各項(xiàng)排水體系的排水能力計(jì)算如下。

（1）排水墊層的排水能力計(jì)算

根據(jù)達(dá)西定律，當(dāng)沿著水平面夾角為α的排水層滲透，且排水層的厚度為D時(shí)，單寬排水層的排水能力為：

式中：q為單寬斜坡排水層的排水量；D為排水層垂直排水方向的厚度；k為排水層的滲透系數(shù)；α為排水層與水平面的夾角；S為斜坡排水層長(zhǎng)度。

（2）排水花管排水能力計(jì)算

排水花管的排水能力考慮兩個(gè)因素，一個(gè)是排水管管身的排水能力，另一個(gè)是排水管管口的過(guò)水能力，取小值作為排水花管排水能力的控制值。

排水管管身的排水能力可按孔口出流的公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：q孔為排水管上每一排水孔的滲水量；μ為流量系數(shù)；A為排水花管的小孔面積；H0為取排水管頂部排水墊層的厚度。

則單根排水管的排水能力Q孔＝nq孔，n為單根排水花管的開孔孔數(shù)。

排水管管口的過(guò)水能力可按明槽恒定均勻流進(jìn)行估算：

式中：Q管為單根排水管的過(guò)水能力；A為過(guò)流面積，可以假定排水管的過(guò)流面積R為水力半徑；J為水力坡降，即為排水管的坡度；n為糙率；C為謝才系數(shù)。

當(dāng)Q孔≥Q管，取Q管作為花管排水能力的控制值；反之，取Q孔作為花管排水能力的控制值。

3 實(shí) 例

某抽蓄電站上水庫(kù)工程采用開挖和筑壩相結(jié)合的方式興建，主、副壩均為混凝土面板堆石壩，全部利用庫(kù)盆開挖料填筑，主壩最大壩高75 m，副壩最大壩高10 m。庫(kù)頂高程568 m，庫(kù)頂寬度10 m，庫(kù)頂周長(zhǎng)1 595 m，庫(kù)坡坡比1∶1.5。上庫(kù)正常蓄水位566 m，死水位531 m，上水庫(kù)總庫(kù)容445萬(wàn)m3，有效庫(kù)容422萬(wàn)m3。主壩面板設(shè)置水平寬度為3 m的碎石排水墊層，主壩區(qū)滲水通過(guò)斜坡墊層排到壩腳，然后沿壩基過(guò)渡料和庫(kù)底排水墊層分別排到主壩下游和庫(kù)底排水廊道。岸坡面板后設(shè)置有厚30 cm的無(wú)砂混凝土排水墊層，可將面板滲水排至庫(kù)底。庫(kù)底面板下設(shè)置有厚50 cm的碎石排水墊層，并設(shè)置排水兼檢查廊道。在庫(kù)底排水墊層的四周設(shè)置有?150 mm的環(huán)向排水花管，并以一定的間距布置?150 mm排水花管直通排水廊道。

對(duì)本工程上水庫(kù)總滲漏量的一級(jí)監(jiān)控指標(biāo)采用綜合滲透系數(shù)估算法。根據(jù)初期滲漏量實(shí)測(cè)資料反演，取面板綜合滲透系數(shù)k=1×10-7cm/s，面板的平均厚度為δ=30 cm，最大作用水頭38.5 m，根據(jù)式（2）、（3），計(jì)算得壩坡的滲漏量為1.84 L/s，庫(kù)周岸坡的總滲漏量為2.70 L/s，根據(jù)式（4），計(jì)算得到庫(kù)底的滲漏量為11.04 L/s。上水庫(kù)庫(kù)盆的總滲漏量為壩坡、庫(kù)周岸坡及庫(kù)底的滲漏量總和，為15.58 L/s。

總滲漏量的二級(jí)監(jiān)控指標(biāo)值采用排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)排水能力。利用式（7）計(jì)算排水墊層的排水能力，利用式（9）、式（10）計(jì)算花管的排水能力，得到設(shè)計(jì)排水能力為158.16 L/s，即為二級(jí)監(jiān)控指標(biāo)值。

日常觀測(cè)中量值超過(guò)二級(jí)監(jiān)控指標(biāo)值的可能性很小，真正具有監(jiān)控意義的是一級(jí)監(jiān)控指標(biāo)，可采取以下步驟進(jìn)行實(shí)際操作（操作流程圖見(jiàn)圖1）。

（1）當(dāng)發(fā)現(xiàn)滲漏量Q超過(guò)一級(jí)監(jiān)控指標(biāo)時(shí)，立即跟蹤監(jiān)測(cè)，排除觀測(cè)誤差。

圖1 一級(jí)監(jiān)控指標(biāo)操作流程圖Fig.1 Operation process for the monitoring indicators of grade one

（2）若跟蹤監(jiān)測(cè)后，測(cè)值未超過(guò)一級(jí)監(jiān)控指標(biāo)，警報(bào)解除；若仍然超過(guò)一級(jí)監(jiān)控指標(biāo)，應(yīng)對(duì)各分區(qū)滲漏量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，找出滲漏量增大的區(qū)域。

（3）對(duì)滲漏量增大的區(qū)域進(jìn)行全面檢查，并采取相應(yīng)的工程措施進(jìn)行處理。

（4）繼續(xù)觀測(cè)滲漏量，對(duì)處理效果進(jìn)行檢驗(yàn)。

該工程1997年11月的實(shí)測(cè)總滲漏量值達(dá)到了15.96 L/s，超過(guò)了一級(jí)監(jiān)控指標(biāo)（15.58 L/s），跟蹤監(jiān)測(cè)數(shù)天后，測(cè)值仍然居高不下，引起了運(yùn)行管理人員的注意，于是進(jìn)行分區(qū)滲漏量觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)庫(kù)底西北區(qū)的分區(qū)滲漏量增量明顯。1998年5月對(duì)上水庫(kù)進(jìn)行放空檢查，在該區(qū)面板發(fā)現(xiàn)一條長(zhǎng)約17.8 m的貫穿縫，導(dǎo)致滲漏量增大，超過(guò)監(jiān)控指標(biāo)。后對(duì)該裂縫進(jìn)行處理后滲漏量明顯減小。

4 結(jié) 語(yǔ)

滲漏量是綜合判斷庫(kù)盆防滲體系的重要指標(biāo)，是抽蓄電站上庫(kù)最重要的監(jiān)測(cè)對(duì)象。滲漏量監(jiān)控指標(biāo)的制定、運(yùn)用有利于運(yùn)行管理單位直觀、便捷地掌控建筑物的安全。

建筑物從正常狀態(tài)到不正常狀態(tài)再到失效狀態(tài)具有過(guò)程性，當(dāng)滲漏量超過(guò)二級(jí)監(jiān)控指標(biāo)時(shí)，說(shuō)明大壩已經(jīng)失去了正常工作的能力，處于失效狀態(tài)。工程人員往往需要在建筑物處于不正常狀態(tài)時(shí)及時(shí)對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理，以恢復(fù)正常狀態(tài)，所以具有監(jiān)控意義的往往是區(qū)別建筑物正常狀態(tài)與不正常狀態(tài)的一級(jí)監(jiān)控指標(biāo)。由于庫(kù)盆滲流狀態(tài)的復(fù)雜多變性，滲漏量的估算方法往往需要滿足一些基本假定，而這些假定可能與客觀實(shí)際存在一些出入，所以需要根據(jù)滲漏量的原型觀測(cè)資料對(duì)一級(jí)監(jiān)控指標(biāo)進(jìn)行修正，以滿足應(yīng)用上的需要。

[1]傅志安,鳳家驥.混凝土面板堆石壩[M].1992.

[2]曹克明,汪易森,徐建軍.混凝土面板堆石壩[M].2008.