漳泽水库大坝渗流安全监测自动化系统改造与建设设计

叶 秀

（山西省漳泽水库管理局 山西长治 046021）

1 工程概况及改造原因

漳泽水库位于上党盆地长治市北郊、海河流域浊漳河南源的干流上，是一座以工业、城市供水、灌溉、防洪为主，兼顾养殖和旅游等综合利用的大（2）型多年调节水库。枢纽工程主要包括主坝、副坝、溢洪道、泄水洞和输水洞等。枢纽工程等别为Ⅱ等，其中主坝、副坝、溢洪道和泄水洞等主要建筑物等级为2级，输水洞、消能防冲等次要建筑物等级为3级。大坝为均质土坝，全长2 514.0 m，分主坝和副坝。主坝位于右岸，桩号 0+000～0+874，长 874.0 m；副坝位于左岸，桩号0+874～2+514，长1 640.0 m。溢洪道轴线位于主坝右岸桩号0+078处，采用挑流消能方式，最大泄量2 100.0 m3/s，顺流向全长314.0 m，由上游护坦、铺盖、闸室段、陡槽段和挑流段组成。泄水洞位于主坝左岸桩号0+800处，为土基上的坝下涵洞，设计泄量90.0 m3/s，全长97.0 m，洞身长86.4 m，断面为3.2 m×3.575 m的马蹄形，采用钢筋混凝土衬砌，由进水塔、洞身、陡坡段、消力池、扩散段和海漫组成。七一输水洞位于大坝左岸桩号2+288处。取水口设在库内，取水管为钢筋混凝土卧管，正方形断面尺寸为0.8 m×0.8 m。1989年至1992年大坝除险、加高培厚改造时，在洞内铺设两根钢管，引水出口由阀门控制。

漳泽水库现有渗流监测项目包括：土坝坝体浸润线观测、大坝坝基渗压观测、大坝坝体渗流量观测、上下游水位观测和溢洪道闸基扬压力和渗漏量观测等四部分组成。主要分布：主坝共布置8根测压管，副坝共布置9根坝体测压管，用于监测坝体浸润线。主坝共布置8根测压管，副坝共布置6根坝基测压管，用于监测坝基渗压。在主坝0+500断面，布置了1个三角量水堰，副坝在0+800断面，布置1个三角量水堰，用于监测坝体渗流量。溢洪道闸墩基础埋设有4根测压管，用于监测现溢洪道闸基扬压力，在溢洪道挑流段左侧边墙部位设置了量水堰1座，用于监测渗流量。环境量观测包括库水位、降水量、上游进库站的水位、流量、水库水温、库区蒸发量等，水库现有的环境量观测只有上游水位在0+800断面进水塔设水尺观测，下游水位在桩号0+500、0+760和1+300断面排水沟内设探井观测，其它委托长治市水文分局采集。大坝渗流监测布置图（改造前）见图1。

图1 大坝渗流监测布置示意图（改造前）

目前，水库大坝渗流自动化监测系统存在渗压监测的测压管管体生锈，透水段存在被淤积堵塞现象，部分测压管的功能丧失；量水堰布设位置原理坝脚排水沟，渗流量测值受降雨和周边渗水影响较大；渗压渗流自动监测采集系统抗雷击和相关环境因素影响能力差，传感器缺乏校验、故障频发等，导致监测数据缺失或不连续；缺少坝体绕坝渗流、泄水洞渗流监测和七一输水洞渗流等监测项目；环境量监测数据由水文站提供，数据收集不及时等现象，以至于运行管理单位无法第一时间对大坝性状进行综合分析，已不能满足水库大坝监测管理的需求。渗流监测设施现状及运行情况统计见表1。

表1 渗流监测设施现状及运行情况统计表

2 大坝渗流监测系统改造

2.1 设计原则

1）整体规划，重点突出

从监测工程的安全出发，按照重点、一般两个层次布设监测断面（部位）和测点（墩），形成对土坝、溢洪道、泄水洞、输水洞等建筑物的监测网络。

2）先进可靠，稳定耐久

采用先进的监测技术，选用稳定可靠的仪器及设备，配有长期的备品和技术服务支持，确保系统的可扩充性和可维护性，使其能在各种恶劣环境条件下长时间地正常运行。

3）实用高效，管理简便

充分满足工程的实际需求，建立全天候监测漳泽水库大坝运行状态的安全监测系统，使其具备采集数据准确、整编资料及时，分析成果可信、操作管理简便的优点；做到自动化监测与信息管理一体化。

2.2 监测范围

本监测设计主要针对大坝，溢洪道，泄水洞和七一输水洞等建筑物，开展渗流项目的监测设施布置改造，并规划好信息采集、汇集、存储及成果分析工作，实现漳泽水库大坝渗流监测自动化升级。大坝渗流监测布置示意图（改造后）见图2。

图2 大坝渗流监测布置示意图（改造后）

2.3 监测项目

漳泽水库大坝渗流安全监测主要针对土坝，溢洪道，泄水洞和七一输水洞等。

1）环境量监测项目：（1）上、下游水位；（2）降雨量；（3）气温；（4）气压；（5）风速；（6）风向；（7）湿度；（8）蒸发；（9）冰压力等。

2）土坝监测项目：（1）坝体渗流量；（2）坝基渗透压力；（3）坝体浸润线。

3）溢洪道监测项目：（1）溢洪道底板扬压力及边墙外水压力；（2）溢洪道排水廊道渗流量。

4）泄水洞监测项目：泄水洞顶部外水压力。

5）七一输水洞监测项目：（1）输水洞顶部外水压力；（2）渗流量。

2.4 土坝渗压渗流监测设施布置

2.4.1 坝体浸润线

本次设计在利用原来4个渗流监测横断面的基础上，新增5个观测横断面，共9个监测横断面，即在桩号 0+300、0+500、0+700、0+760、0+900、1+300、1+600、2+000、2+200处布设监测横断面。每个渗流监测横断面布设3根测压管，测压管管内安装3支孔隙压力计；测压管的透水段深入计算浸润线下2～3 m。各个断面上浸润线可由上游水位点、3个测压管水位点及下游水位点勾画出，其变化可较好地反映坝体渗透状态。大坝共计埋设27根测压管，安装27支孔隙压力计。

2.4.2 坝基渗压

坝基渗压监测主要针对第四系全新统及上更新统洪冲积（Q4pal、Q3pal）黏土质砂。在桩号0+300、0+500、0+700、0+760、0+900、1+300、1+600、2+000、2+200 处布设监测横断面安装测压管。共计9个横断面，其中主坝4个、副坝5个，用于监测其渗透坡降变化。

在主坝每个断面布设4根测压管，其中2根深入Q4pal，另外2根深入测Q3pal，共计埋设测压管16根，安装孔隙水压力计16支。

在副坝每个断面布设2根测压管，深入测Q3pal，共计埋设测压管10根，安装孔隙水压力计10支。

2.4.3 绕坝渗流

现有大坝监测系统中缺绕坝渗流监测项目，为此新增绕坝渗流监测设施。本次设计拟定在两坝肩各设置1个监测断面，每个断面布置3～4根测压管，沿着绕渗流线和渗流可能集中的透水层布置，管底深入到强透水层及筑坝前的地下水位线以下。共计埋设8根测压管，安装孔隙水压力计8支。

2.4.4 渗流量

本次设计拟定在桩号0+500、0+800处，依据地形改造或者重建量水堰，并安装堰流计。本设计拟定还将采用坝体的测压管水位及坝体土体渗透系数等物理参数，建立大坝渗流模型，对大坝渗流实施有效监控。

2.5 溢洪道渗流监测

1）底板扬压力

（1）断面布置：平行坝轴线布设4个监测横向断面，其中2个分别位于闸室段上、下游侧，2个位于陡槽段；垂直坝轴线布设4个纵断面，位于闸槽。

（2）监测点布置：在纵、横向断面的交叉点上布设测压管，安装孔隙压力计，用于监测底板扬压力。测压管共计16根，孔隙压力计16支。

2）边墙外水压力：在溢洪道左右边墙外分别布设4根测压管，安装4支孔隙水压计，用于监测外水压力的变化。实际上，边墙外的水压力变化也反映出溢洪道左右边墙与土坝联结段的渗透压力变化。

3）渗漏量：在溢洪道左、右排水廊道出口处分别布设有量水堰，由于仪器故障而停测。本次设计拟定采用原有设施布置，并加以改造，恢复其功能。

2.6 泄水洞外水压力

将大坝桩号0+800处的渗压监测断面向左移动3.5 m，即靠近泄水洞洞身，监测泄水洞的外水压力以及基础岩体的渗透压力。

2.7 七一输水洞渗流监测设施布置

在输水洞轴线方向布设2个监测断面，每个监测断面沿洞身周边布设4支孔隙压力计，监测洞身外水压力。在出口段建立1座量水堰，安装堰流计，监测渗水量的变化。

2.8 环境量监测设施布置

1）水位。漳泽水库大坝上下游水位观测资料由长治市水文局提供。根据监测资料分析的要求，现拟定在泄水洞进水塔处布设1座水位观测站，安装1台浮子式水位计，土坝下游水位观测利用安装在量水堰中堰流计进行观测。

2）气象。目前市场上集成式气象观测站技术先进、价格低廉、安装简便。为获取气象资料的准确性和及时性，拟定大坝合适位置设置1座集成式自动气象观测站，获取坝区气温、气压、降雨、蒸发、风向、风速、湿度及日照时数等气象指标，便于及时分析监测物理量变化与环境因素的关系。

3）静冰压力及库水温。漳泽水库大坝坝址区年平均气温10.0℃，历史最高气温38℃，历史最低气温-22℃，约有近半年时间为冰冻期。年平均降雨量553 mm。现场检查发现，大坝迎水坡、背水坡及混凝土建筑物表面都存在受冻融影响的部位。

根据《土石坝安全监测技术规范》（SL551-2012），需在坚固建筑物的前缘水体中，自水面至最大结冰厚度以下10～15 cm处，每10～15 cm设置一个压力传感器，监测静冰压力。并在附近相同深度处，设置一个温度计，监测水温。

根据水库管理局提供的资料，2013年岸边冰厚最大值为0.07 m。2014年岸边冰厚最大值为0.05 m。库水位在每年冬季变幅为1.8 m。拟定在泄洪洞进水塔处沿高程布置9套压力传感器监测静冰压力。并在相同高程位置各布设9支温度计监测对应深度水温。

布设库水温测点，沿深度每5 m设置1支深水温度计，共计3支。

3 结论

本次大坝渗流监测系统改造除了在原有渗流监测项目增加监测断面和监测点外，还增设了绕坝渗流量监测、七一输水洞渗流监测、泄水洞顶部外水压力监测、溢洪道边墙外水压力和环境量监测。解决了水库大坝渗流监测存在设施陈旧、功能丧失、项目设置不全等现象与问题，提高了渗流观测的精确度，实现了库水位等环境量的自动监测，提高了数据更新的速度。此次渗流监测系统的改造升级建成了一套功能完备、性能可靠、技术先进的漳泽水库大坝安全自动监测系统，既能为及时发现和解决水库大坝安全问题提供有力支持，又可以实施对基层人员监测理论和技能的培养，提高管理素质和技术水平，推动水库管理工作走向及时化、网络化、智能化。