運(yùn)用滲流測(cè)量設(shè)施改善壩體安全監(jiān)測(cè)

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(韓國(guó)水資源公社業(yè)務(wù)維護(hù)部 ，韓國(guó) 大田 34350)

近年來，地震、壩體老化等威脅水壩安全的因素越來越多。因此，對(duì)水壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)施的管理越來越受到重視。

就工程結(jié)構(gòu)而言，水壩是一種相對(duì)安全的設(shè)施，然而一旦發(fā)生坍塌等事故，將在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)中斷水源供應(yīng)，同時(shí)下游將遭到洪水侵害。因此有必要對(duì)水壩結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的安全管理。為此，韓國(guó)水資源公社(K-water)正在推進(jìn)加強(qiáng)水壩安全項(xiàng)目，以保障水壩設(shè)施的安全可靠性。K-water正在開展一項(xiàng)工作，對(duì)建造時(shí)未配備滲流測(cè)量設(shè)施的水壩補(bǔ)充安裝這一設(shè)施，該項(xiàng)目是加強(qiáng)水壩安全項(xiàng)目的一部分。本文介紹了建立滲流測(cè)量設(shè)施的設(shè)計(jì)工作。

1 水壩滲流測(cè)量設(shè)施

滲流測(cè)量設(shè)施由滲水收集墻和滲水測(cè)量室組成(見圖1)，用于測(cè)量壩體和壩基的滲流，通過分析滲流的濁度和流量變化來判斷水壩是否產(chǎn)生異常。如果壩體發(fā)生滲漏，通過滲透測(cè)量設(shè)施的觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常跡象，就可提前防止壩體可能出現(xiàn)的問題。對(duì)填筑壩來說，滲流測(cè)量設(shè)施尤為重要。

K-water正在對(duì)6座建造時(shí)未配備滲流測(cè)量設(shè)施的水壩配備這一設(shè)施，江原道的廣洞(Gwangdong)水壩就是其中之一。該壩建于1989年，高39.5 m，長(zhǎng)282 m，為土心墻堆石壩(ECRD)。

2 現(xiàn)場(chǎng)土壤勘測(cè)

首先需進(jìn)行土壤勘測(cè)(見圖2)，以提供設(shè)計(jì)滲水收集墻布置和測(cè)量室建設(shè)所需的巖土工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。同時(shí)，對(duì)水壩下游進(jìn)行鉆探、電阻率法勘測(cè)等各種現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

2.1 電阻率法勘測(cè)

在水壩下游側(cè)及兩側(cè)進(jìn)行電阻率法勘測(cè)試驗(yàn)(見圖3)。通過測(cè)量和分析地下電阻率異常引起的電位差，確定地下地質(zhì)構(gòu)造、斷層破碎帶等。在分析勘測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，選擇鉆探勘測(cè)的位置，掌握整片地區(qū)的巖層分布狀況。

圖1 水壩滲流測(cè)量設(shè)施

圖2 廣洞水壩土壤勘測(cè)方案

圖3 廣洞水壩電阻率法勘測(cè)結(jié)果

預(yù)測(cè)滲徑為2條(見圖4)，主要朝向大壩堤岸的右下方匯集。因此在進(jìn)行細(xì)部設(shè)計(jì)時(shí)，計(jì)劃根據(jù)預(yù)測(cè)的滲徑，建造滲水收集墻和測(cè)量室。

2.2 鉆孔勘探

鉆孔勘探旨在評(píng)估地層組成、巖層厚度與特性(見圖5)以及土壤和巖石的滲透性。在分析電阻率法勘測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)低電阻率異常區(qū)域進(jìn)行集中鉆探。除鉆孔勘測(cè)外，還進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)(SPT)、現(xiàn)場(chǎng)滲透試驗(yàn)和巖層透水性試驗(yàn)。

通過分析鉆探結(jié)果，編制地質(zhì)和地質(zhì)柱狀圖以及巖層透水圖。在巖層透水圖中，土層屬于設(shè)置滲水收集墻部分，而超過3 Lu的巖石層則屬于帷幕灌漿段。

3 設(shè) 計(jì)

對(duì)運(yùn)行20～40 a的水壩上建造滲流測(cè)量設(shè)施時(shí)，設(shè)計(jì)中主要考慮以下2個(gè)方面: ①確保滲水收集墻不會(huì)干擾到壩體。 ②設(shè)置滲水收集墻后，壩基地下水位會(huì)上升，因此要確保水壩安全不會(huì)受到威脅。基于此，分析了土壤、地下水位和地層分布情況，對(duì)滲水收集墻布置、測(cè)量室位置以及堰高進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)。

圖4 廣洞水壩主要滲徑

圖5 廣洞水壩鉆孔勘探

圖6 廣洞水壩滲水收集墻布置

3.1 滲水收集墻建造方案

滲水收集墻是在壩下游側(cè)面防止?jié)B透和用于測(cè)量壩體和壩基滲透的設(shè)施。

(1)選擇滲水收集墻。設(shè)計(jì)滲水收集墻布置路線時(shí)，考慮了地下滲流的類型、壩體線以及滲流測(cè)量室的導(dǎo)流渠方案。為了防止?jié)B流流向滲水收集墻的另一側(cè)，計(jì)劃將滲水收集墻的端部與基巖連接。同時(shí)，考慮到修建滲水收集墻可能會(huì)影響到水壩結(jié)構(gòu)安全，因此滲水收集墻的設(shè)計(jì)不能干擾到現(xiàn)有的壩體。廣洞水壩滲水收集墻布置見圖6。

(2)滲水收集墻的修建方法。根據(jù)巖石大小(35～60 cm)和水壩下游側(cè)的平均填埋層厚度(8.6 m)，選擇滲水收集墻建造方法。直接建造在壩體結(jié)構(gòu)上的滲水收集墻可設(shè)置在較深的位置，開挖的范圍大，會(huì)影響到壩體。因此，對(duì)于主要的連續(xù)樁墻，選擇新的連續(xù)正割排樁(NCSP)法。

(3)滲水收集墻的高度和深度。根據(jù)實(shí)測(cè)的最高地下水位和下游洪水位差不超過允許值(0.5 m)來確定滲水收集墻高度，可與巖石灌漿層重疊，重疊巖層最厚可達(dá)1 m，以防止邊界出現(xiàn)滲漏。廣洞水壩滲水收集墻高2～8 m。滲水收集墻邊界見圖7。

3.2 滲水收集墻底部巖層加固

基巖層灌漿目的是防止?jié)B水通過基巖流出，以使測(cè)量室和滲水收集墻收集到盡可能多的滲水。巖石加固采用水泥灌漿法，加固材料擬采用波特蘭水泥。

根據(jù)水壩建造實(shí)例和2011年韓國(guó)國(guó)土交通部《水壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，確定灌漿深度以不大于3 Lu作為標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)加固范圍較大時(shí)，通過《水壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(2011年)的經(jīng)驗(yàn)公式和滲透分析結(jié)果確定灌漿深度。廣洞水壩的灌漿范圍為2～22.5 m。

圖7 滲水收集墻邊界的設(shè)置

3.3 測(cè)量室建造方案

滲透測(cè)量室是用于測(cè)量水壩下游的滲水收集墻所收集的滲流量的設(shè)施。測(cè)量室包括滲流的導(dǎo)入設(shè)施、減少流入水流變化的分配板、測(cè)量流量的水位計(jì)、三角量水堰以及排水設(shè)施。根據(jù)壩體線、實(shí)測(cè)地下水位、地下水流量和現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)劃將測(cè)量室布置在對(duì)壩體造成最小影響的位置。

此外，為盡量減小壩體處地下水位上升的影響，應(yīng)對(duì)壩體下部、最低地下水水位和鉆孔勘探地下水位進(jìn)行比較后確定量水堰高。量水堰尺寸是根據(jù)允許滲透和實(shí)際滲透確定。通過參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(ISO-1438-1)，對(duì)測(cè)量室進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，包括水箱尺寸和分配板間隔設(shè)計(jì)等。

4 結(jié) 論

如上所述，滲水測(cè)量設(shè)施的建造主要分為2步進(jìn)行： ①現(xiàn)場(chǎng)土壤勘測(cè)。詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)土壤勘測(cè)可提供精準(zhǔn)設(shè)計(jì)所需的地質(zhì)信息。 ②結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)考慮現(xiàn)場(chǎng)土壤勘測(cè)結(jié)果及設(shè)施建造后對(duì)水壩安全造成的影響，并在正常施工條件下不影響水壩安全。

在已建水壩中建造滲流測(cè)量設(shè)施，存在許多威脅結(jié)構(gòu)安全的限制因素，所以應(yīng)在建壩時(shí)就設(shè)置滲流測(cè)量設(shè)施。

填筑壩的滲流測(cè)量設(shè)施是對(duì)壩體安全管理的重要工具。滲流突然迅速增多或水變濁是主壩出現(xiàn)異常的信號(hào)。可利用緊急泄流設(shè)施降低水庫水位，以檢查和加固主壩體。因此，滲流測(cè)量設(shè)施是填筑壩管理中不可或缺的工具。為實(shí)現(xiàn)水壩安全管理，K-water建造了滲流測(cè)量設(shè)施，還同步開發(fā)了自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)測(cè)量滲流、電導(dǎo)率和濁度。作為韓國(guó)水資源管理機(jī)構(gòu)，K-water將持續(xù)致力于提高水壩安全性。