抽水蓄能电站库盆渗漏量监控指标的研究

傅春江，李君军，王玉洁

（国家电力监管委员会大坝安全监察中心，浙江杭州 310014）

0 引 言

抽水蓄能电站运行水位变化频繁，对库盆的防渗要求较高。目前国内已经运行的抽蓄电站库盆的防渗体系主要有以下几种形式：全库盆沥青混凝土面板防渗、全库盆钢筋混凝土面板防渗、库岸钢筋混凝土面板+库底土工膜防渗、库岸沥青混凝土面板+库底土工膜防渗、库岸沥青混凝土面板+库底粘土防渗。渗漏量是综合判断库盆防渗体系的重要指标，其重要性不言而喻，几乎所有抽蓄电站库盆均设置了渗漏量监测项目，也积累了大量的实测资料，但如何判断库盆渗漏量是否偏大，目前国内鲜有理论依据充足的定量判断指标，所以库盆渗漏量监测指标研究有重大意义。

根据统计资料，建筑物从建造到失效通常要经历下列三种状态：正常状态、不正常（故障）状态和失效（极限）状态。破坏是失效状态的一种特例。显然，不正常状态和失效状态有许多症状和标志，这些症状和标志的界限值为状态特征值，反映在监控系统中即为监控指标。据此，可将水工建筑物的安全监控指标分为两级：第一级为建筑物无故障监控指标，即为正常状态和不正常状态之间的界限值，第二级为建筑物极限监控指标，即为不正常和失效之间的界限值。

1 一级监控指标的制定方法

一级监控指标是指建筑物无故障监控指标，是正常状态和不正常状态之间的界限值。本文介绍两种方法来推算一级监控指标：一是综合渗透系数估算法；二是裂缝渗流法。

1.1 综合渗透系数估算法

综合渗透系数法是考虑防渗体系的综合渗透效应，通过实测渗漏量资料对渗透系数进行反演，对于采用全库盆钢筋混凝土面板防渗的体系，即为考虑面板接缝、裂缝渗水影响的综合渗透系数。

一般来讲，面板或土工膜下的垫层的渗透系数K=a×10-3～a×10-4cm/s，颗粒粒径较小，能满足Re＜10的条件，其间的渗流流态呈层流，符合达西定律，且通过垫层到达过渡层和堆石区的渗流剩余水头小于总水头差的10%，由于水头小、流速低，尽管主堆石区的平均粒径较大，但其雷诺数Re仍较小，所以其渗流分析一般可以简化成达西流分析。根据达西定律，库岸岸（坝）坡防渗体系的单宽渗漏量计算公式为：

则岸（坝）坡的总渗漏量为：

库底单位面积渗漏量的计算公式为：

则库底的总渗漏量为：

库盆总渗漏量为：Q总=Q1+Q1

式中：H为坝坡面板承受的最大水头；K-为综合渗透系数；δ为防渗体系（面板或土工膜）的厚度；θ为防渗体系与水平面的夹角；Ln为岸（坝）坡防渗体系长度；Sn为库底防渗体系面积。

综合渗透系数K-可根据实测渗漏量资料采用最小二乘法拟合而成，若有库底或岸（坝）坡分区渗漏量的实测资料，可分区对相应的K-进行反演拟合。

另外比较多用的还有Cassinnader（1988）建议的计算通过面板渗漏量的经验公式：

式中：QF为渗漏量，m3/s；LF为正常蓄水位时的坝顶长度，m；HF为正常蓄水位时的最大坝高，m；Tsm为最长面板在正常蓄水位以下的平均厚度，m；Ks为面板综合渗透系数。可由已建工程推求，也可通过实测资料反演。

1.2 裂缝渗流法

该方法主要针对混凝土面板防渗的工程，根据水流通过裂缝的运动规律来推导。采用C·路易斯的研究，当水流通过粗糙裂缝且为层流时，通过单位长度裂缝的渗流量为：

式中：K为裂缝表面的绝对粗糙度；Dn为面板的厚度；K/Dn为相对粗糙度，对光滑缝面为0，当粗糙高度等于裂缝宽度时为0.5；g为重力加速度；γ为水的动力粘滞系数；i为裂缝渗流的水力比降，近似为作用水头与面板厚度之比。若相对粗糙取为0.5，水温为20℃时：

当统计出各种裂缝宽度bn对应的裂缝长度Ln时，总的渗流量为：

该方法得到的渗漏量可以利用原型观测资料以最小二乘法作进一步修正：

式中：α为利用最小二乘法拟合的修正系数。

该方法需要对防渗体系的裂缝进行细致的调查，裂缝调查的准确性是影响计算精度的决定性因素。

2 二级监控指标的制定方法

第二级监控指标为建筑物极限监控指标，是不正常和失效之间的界限值。若抽蓄电站库盆的渗水超过了其排水能力，那么可以认为建筑物处于功能失效的极限状态。所以二级监控指标的制定关键是计算建筑物的排水能力。

一般来说，抽蓄电站库盆的排水体系包括岸（坝）坡防渗体系后的排水料垫层、库底排水垫层料及位于其中的排水花管。库内渗水和地下水将通过排水垫层料及其中的排水土工管排至排水廊道或者坝后。

若建筑物设置的多种排水体系之间关系相互独立，则总排水能力为两者排水能力之和；若多种排水体系之间的关系是相互依赖的，取两者中的最小排水能力作为控制值。各项排水体系的排水能力计算如下。

（1）排水垫层的排水能力计算

根据达西定律，当沿着水平面夹角为α的排水层渗透，且排水层的厚度为D时，单宽排水层的排水能力为：

式中：q为单宽斜坡排水层的排水量；D为排水层垂直排水方向的厚度；k为排水层的渗透系数；α为排水层与水平面的夹角；S为斜坡排水层长度。

（2）排水花管排水能力计算

排水花管的排水能力考虑两个因素，一个是排水管管身的排水能力，另一个是排水管管口的过水能力，取小值作为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进行计算：

式中：q孔为排水管上每一排水孔的渗水量；μ为流量系数；A为排水花管的小孔面积；H0为取排水管顶部排水垫层的厚度。

则单根排水管的排水能力Q孔＝nq孔，n为单根排水花管的开孔孔数。

排水管管口的过水能力可按明槽恒定均匀流进行估算：

式中：Q管为单根排水管的过水能力；A为过流面积，可以假定排水管的过流面积R为水力半径；J为水力坡降，即为排水管的坡度；n为糙率；C为谢才系数。

当Q孔≥Q管，取Q管作为花管排水能力的控制值；反之，取Q孔作为花管排水能力的控制值。

3 实 例

某抽蓄电站上水库工程采用开挖和筑坝相结合的方式兴建，主、副坝均为混凝土面板堆石坝，全部利用库盆开挖料填筑，主坝最大坝高75 m，副坝最大坝高10 m。库顶高程568 m，库顶宽度10 m，库顶周长1 595 m，库坡坡比1∶1.5。上库正常蓄水位566 m，死水位531 m，上水库总库容445万m3，有效库容422万m3。主坝面板设置水平宽度为3 m的碎石排水垫层，主坝区渗水通过斜坡垫层排到坝脚，然后沿坝基过渡料和库底排水垫层分别排到主坝下游和库底排水廊道。岸坡面板后设置有厚30 cm的无砂混凝土排水垫层，可将面板渗水排至库底。库底面板下设置有厚50 cm的碎石排水垫层，并设置排水兼检查廊道。在库底排水垫层的四周设置有ϕ150 mm的环向排水花管，并以一定的间距布置ϕ150 mm排水花管直通排水廊道。

对本工程上水库总渗漏量的一级监控指标采用综合渗透系数估算法。根据初期渗漏量实测资料反演，取面板综合渗透系数k=1×10-7cm/s，面板的平均厚度为δ=30 cm，最大作用水头38.5 m，根据式（2）、（3），计算得坝坡的渗漏量为1.84 L/s，库周岸坡的总渗漏量为2.70 L/s，根据式（4），计算得到库底的渗漏量为11.04 L/s。上水库库盆的总渗漏量为坝坡、库周岸坡及库底的渗漏量总和，为15.58 L/s。

总渗漏量的二级监控指标值采用排水系统的设计排水能力。利用式（7）计算排水垫层的排水能力，利用式（9）、式（10）计算花管的排水能力，得到设计排水能力为158.16 L/s，即为二级监控指标值。

日常观测中量值超过二级监控指标值的可能性很小，真正具有监控意义的是一级监控指标，可采取以下步骤进行实际操作（操作流程图见图1）。

（1）当发现渗漏量Q超过一级监控指标时，立即跟踪监测，排除观测误差。

图1 一级监控指标操作流程图Fig.1 Operation process for the monitoring indicators of grade one

（2）若跟踪监测后，测值未超过一级监控指标，警报解除；若仍然超过一级监控指标，应对各分区渗漏量进行监测，找出渗漏量增大的区域。

（3）对渗漏量增大的区域进行全面检查，并采取相应的工程措施进行处理。

（4）继续观测渗漏量，对处理效果进行检验。

该工程1997年11月的实测总渗漏量值达到了15.96 L/s，超过了一级监控指标（15.58 L/s），跟踪监测数天后，测值仍然居高不下，引起了运行管理人员的注意，于是进行分区渗漏量观测，发现库底西北区的分区渗漏量增量明显。1998年5月对上水库进行放空检查，在该区面板发现一条长约17.8 m的贯穿缝，导致渗漏量增大，超过监控指标。后对该裂缝进行处理后渗漏量明显减小。

4 结 语

渗漏量是综合判断库盆防渗体系的重要指标，是抽蓄电站上库最重要的监测对象。渗漏量监控指标的制定、运用有利于运行管理单位直观、便捷地掌控建筑物的安全。

建筑物从正常状态到不正常状态再到失效状态具有过程性，当渗漏量超过二级监控指标时，说明大坝已经失去了正常工作的能力，处于失效状态。工程人员往往需要在建筑物处于不正常状态时及时对其进行补强处理，以恢复正常状态，所以具有监控意义的往往是区别建筑物正常状态与不正常状态的一级监控指标。由于库盆渗流状态的复杂多变性，渗漏量的估算方法往往需要满足一些基本假定，而这些假定可能与客观实际存在一些出入，所以需要根据渗漏量的原型观测资料对一级监控指标进行修正，以满足应用上的需要。

[1]傅志安,凤家骥.混凝土面板堆石坝[M].1992.

[2]曹克明,汪易森,徐建军.混凝土面板堆石坝[M].2008.