洪澤湖大堤浸潤線觀測技術(shù)研究與實踐
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張友明 陳美娟 孫 松
（江蘇省洪澤湖水利工程管理處，江蘇洪澤 223100）
【摘 要】 為掌握堤防浸潤線變化情況，確保滲流安全，依據(jù)洪澤湖大堤工程20年觀測實踐經(jīng)驗，本文分析研究了浸潤線觀測斷面設(shè)計、水位觀測、自動監(jiān)測、管理維護等關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)人工觀測和自動監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，測壓管水位自動監(jiān)測可作為堤防安全監(jiān)測的重要手段，在此基礎(chǔ)上，提出了堤防浸潤線觀測斷面選擇、管底高程確定、測壓管結(jié)構(gòu)、管口高程確定、靈敏度判別、管口保護、沖洗清淤等實用技術(shù)方法，解答了現(xiàn)行規(guī)范未明確的部分技術(shù)問題。本文可為類似工程浸潤線觀測提供借鑒。
【關(guān)鍵詞】 浸潤線；測壓管；斷面設(shè)計；水位觀測；洪澤湖大堤
中圖分類號：TV698.1+2 文章編號：1005-4774( 2016) 03-0044-04
上游水在重力作用下穿過堤防滲向下游，在堤身內(nèi)部形成一個逐漸降落的自由滲流水面，稱為浸潤面；浸潤面與堤防橫斷面的交線稱為浸潤線。浸潤線的高低和變化，與堤防的滲流安全有密切關(guān)系。如果浸潤線高于設(shè)計值，就會降低堤坡穩(wěn)定性，甚至?xí)斐墒Х�(wěn)滑坡。對于重要的防洪堤防，有必要開展浸潤線觀測。
目前，國內(nèi)水庫大壩浸潤線或測壓管水位觀測研究方面的文獻比較多。張國棟等研究了測壓管在土石壩滲流監(jiān)測中的適用性問題；劉丹分析了湯河水庫壩坡測壓管水位滯后時間問題；韓勇等研究了日照水庫大壩測壓管水位自動化觀測系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用問題。未見堤防浸潤線觀測或測壓管水位觀測的相關(guān)文獻。
本文依據(jù)洪澤湖大堤20年浸潤線觀測的實踐經(jīng)驗，分析研究了斷面設(shè)計、水位觀測、管理維護等關(guān)鍵技術(shù)問題，提出了一些實用技術(shù)方法，確保浸潤線觀測成果科學(xué)有效，為堤防工程滲流安全分析研究提供基礎(chǔ)資料。
1工程概況
洪澤湖大堤位于江蘇省淮安市境內(nèi)的洪澤湖東岸，全長67. 25km。大堤始建于東漢，擴建于明清，加固于當(dāng)代，是淮河下游3000萬畝農(nóng)田和2600多萬人民的防洪屏障。國家明文規(guī)定，任何時候必須確保洪澤湖大堤安全。
洪澤湖大堤是1級堤防，堤身為復(fù)式斷面，堤頂高程19.0~19. 5m（廢黃河高程，下同），堤前設(shè)防浪林臺，堤后設(shè)二級戧臺，工程總寬約150m。上游洪澤湖設(shè)計洪水位16. 0m，正常蓄水位13. 0m，下游排澇河水位在8. 0m左右，正常水頭差5.0m左右。大堤土質(zhì)以粉質(zhì)黏土為主，占60%~70%，其次為重粉質(zhì)壤土及黏土和粉質(zhì)土層，堤基高程10.0~10. 5m以上為人工填土。
1996年，洪澤湖大堤第四次大規(guī)模加固時，設(shè)置4組浸潤線觀測斷面，埋設(shè)測壓管，采用電測法觀測。隨后，根據(jù)工程建設(shè)和管理需要，陸續(xù)增加觀測斷面。截至2015年，省管段洪澤湖大堤共有16個觀測（監(jiān)測）斷面（分布在24km堤段上），埋設(shè)75根測壓管。管理單位根據(jù)省級水行政主管部門核定的工程觀測任務(wù)書，定期開展測壓管水位觀測、管口高程考證、靈敏度試驗、管內(nèi)淤積高程觀測等工作，每年進行觀測成果資料整編，分析洪澤湖大堤滲流安全狀況。
2斷面設(shè)計
2.1 觀測斷面選擇
洪澤湖大堤是一座千年古堰，歷史上多次決口，屢潰屢修，逐步加高培厚。堤身內(nèi)部復(fù)雜，遺留塊石、埽工、空洞等隱患。根據(jù)洪澤湖大堤工程地質(zhì)勘探資料和工程檢查發(fā)現(xiàn)的安全隱患，未根據(jù)堤線長度均勻布置，而是選擇有顯著地質(zhì)弱點、堤基透水性大等對控制滲流變化有代表性的堤段布設(shè)浸潤線觀測斷面（如表1所列）。
2.2管底高程確定
每個觀測斷面一般設(shè)4個觀測垂線，第一根測壓管位于上游防浪林臺，第二根位于上游堤肩中部；第三根位于下游堤肩，第四根位于下游第二級戧臺上。
管底高程原按理論計算的浸潤線考慮一定的富余度設(shè)計，后在實際觀測中發(fā)現(xiàn)部分測壓管在枯水期干涸，重新埋設(shè)測壓管時，參考臨近斷面測壓管水位觀測數(shù)據(jù)，選擇最低水位作為測壓管管底高程設(shè)計依據(jù)（如表2所列）。
2.3管體結(jié)構(gòu)
1996年埋設(shè)的測壓管為鍍鋅鋼管，后在觀測中發(fā)現(xiàn)鍍鋅管容易銹蝕，在浸潤線變化附近形成銹斑，影響觀測精度。2014年埋設(shè)的測壓管改用UPVC硬塑料管和鍍鋅鋼管組合結(jié)構(gòu)。下部管體采用硬塑料管，熱熔焊接方式連接，保證內(nèi)壁平整無阻。管口部分采用鍍鋅鋼管，強度較高，避免因塑料管露天風(fēng)化和易燃造成的損壞。考慮管內(nèi)安裝滲壓計和人工觀測放置電測水位計以及管內(nèi)水位匯集時間的因素，管內(nèi)徑確定為50mm。
3水位觀測
3.1 自動監(jiān)測與人工觀測對比分析
2014年，洪澤湖大堤第五次大規(guī)模除險加固時增設(shè)了8個浸潤線監(jiān)測斷面，選擇和安裝進口通氣滲壓計，進行自動監(jiān)測，采集的數(shù)據(jù)采用短信方式每天按照設(shè)置的頻數(shù)報送管理單位安全監(jiān)測系統(tǒng)平臺。為驗證自動監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性，按照工程觀測任務(wù)書要求，在施工單位對滲壓計進行反復(fù)調(diào)試、校正后，管理單位技術(shù)人員采用測深鐘進行人工對比，成果數(shù)據(jù)如表3和下圖所示。
對比上述數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論：
a．以人工觀測數(shù)據(jù)為基準，按照±1cm誤差標準，49K +435斷面自動監(jiān)測數(shù)據(jù)共16個，合格5個，合格率31. 3%。人工觀測每根管不少于兩次，且差值不超過±1cm時，取平均值，成果相對可靠，并以此進行年度觀測資料整編。
b．自動監(jiān)測數(shù)據(jù)反映堤防浸潤線的變化趨勢，可以作為堤防工程安全監(jiān)測的重要手段。但是，大部分數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)存在較大的偏離，精度不能滿足資料整編要求，因此不能替代人工觀測。
3.2 管口高程考證
測壓管管口高程會隨著堤防的垂直位移變化而變化，因此定期對管口高程進行校測是獲得準確測壓管水位的前提。由于制作和安裝原因，鍍鋅測壓管管口一般存在高低不平的問題。需在管口做標記，考證測量時將水準尺的底部放置在做標記的位置，每次人工觀測水位時也需以此標志作為觀測基準。
考證所得的管口新高程與上次測得的老高程相比，不超過±1cm可不作修正，若超過±1cm則要使用新高程。關(guān)于何時開始啟用新高程，規(guī)程中未做出規(guī)定。通常有以下兩種方法：
a．下年度開始啟用新高程。計算本年度所有測壓管水位時仍沿用管口老高程值，優(yōu)點是可以確保全年的測壓管水位數(shù)據(jù)基數(shù)的一致性，缺點是水位數(shù)據(jù)與實際值存在誤差。
b．校測后立即啟用新高程。優(yōu)點是測壓管水位數(shù)據(jù)是準確的，缺點是若測壓管管口新高程與老高程相差較大，實際水位并無異常變化時測壓管水位過程線會出現(xiàn)突變現(xiàn)象。
實踐中，差值不大于±2cm的測壓管，采取第一種方法；差值不小于±2cm的測壓管，采用第二種方法。
3.3靈敏度試驗
測壓管靈敏度試驗一般每5年進行一次，如果測壓管水位異常，可立即進行試驗。規(guī)程規(guī)定，用水將測壓管灌滿，測得注水面高程后，分別5 min、10min、15min、20min、30min、60min間隔測量水位一次，如管內(nèi)水位很快恢復(fù)，可判斷測壓管可能上下游貫通。但是，未規(guī)定不同土料水位很快恢復(fù)的具體時間數(shù)值，這導(dǎo)致測壓管靈敏度優(yōu)劣判別時會出現(xiàn)異議。
實踐中，95%以上測壓管在30min以上恢復(fù)，據(jù)此以小于30min作為洪澤湖大堤測壓管靈敏度優(yōu)劣的判別依據(jù)。
4管理維護
4.1管口保護
測壓管管口采用活動蓋管，管蓋和管身結(jié)合處鉆孔，特制T鋼條穿過管蓋，用鎖固定。管口外側(cè)磚砌圍井防護，圍井上用預(yù)制混凝土蓋板壓實，蓋板上設(shè)有防汛設(shè)施標志和測壓管編號，防止人畜破壞。埋設(shè)滲壓計的測壓管，還需理順信號線（直徑6mm）。人工觀測時應(yīng)小心謹慎，避免對滲壓計及其信號線的擾動。
4.2沖洗清淤
根據(jù)工程觀測任務(wù)書要求，洪澤湖大堤測壓管內(nèi)淤積高程觀測每5年進行一次。2013年11月17-12月2日，對原有觀測斷面35根測壓管采用壓力水法沖洗清淤。根據(jù)觀測數(shù)據(jù)，測壓管淤積深度較2010年時均有減少，沖洗清淤效果較為明顯。
4.3重新埋設(shè)
當(dāng)測壓管堵塞、淤積處理無效時，宜在該測壓管附近位置鉆孔重新埋設(shè)測壓管。重新埋設(shè)的測壓管編號如何確定、何時啟用，規(guī)程；中未作規(guī)定。
實踐中，重新埋設(shè)的測壓管編號在原編號后面加上-1或字母X來作為新管的編號，從編號可以看出新老測壓管之間的關(guān)系。啟用時間可視具體情況而定。若只有個別測壓管重埋，且老測壓管已完全失效可在埋設(shè)后立即啟用，以保證觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性。若有較多測壓管重埋，且大部分測壓管仍有觀測數(shù)據(jù)，為保證當(dāng)年觀測數(shù)據(jù)的一致性，可在下一年開始啟用新測壓管。
5結(jié)論
洪澤湖大堤20年的浸潤線觀測實踐，積累了斷面選擇、管底高程設(shè)計、自動監(jiān)測、管口高程考證、靈敏度試驗、管口保護、沖洗清淤、重新埋設(shè)等方面的技術(shù)經(jīng)驗，解答了現(xiàn)行規(guī)范未明確的部分技術(shù)問題，積累了大量的浸潤線觀測成果，為準確判斷洪澤湖大堤滲流安
全狀況提供了技術(shù)支撐，也為類似工程的浸潤線觀測提供借鑒。由于洪澤湖大堤堤身內(nèi)部的復(fù)雜性，洪澤湖大堤浸潤線變化規(guī)律還需進一步研究。
