張清華，陳 亮，顏書(shū)法，司朋舉

（1. 中電投蒙東能源集團(tuán)有限責(zé)任公司扎哈淖爾工業(yè)供水分公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000；2. 河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤防工程教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；3. 河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所，江蘇 南京 210098）

0 引 言

截至2011年3月，包含6 862個(gè)水庫(kù)及相關(guān)大壩，累計(jì)庫(kù)容為6 197 km3的全球水庫(kù)和大壩（GRanD）數(shù)據(jù)庫(kù)顯示大壩大部分存在滲流問(wèn)題[1]?！端姽こ涛锾揭?guī)程》（SL 326—2005）規(guī)定的水庫(kù)滲漏探測(cè)的主要方法有電阻率法、高密度電法、自然電場(chǎng)法、激發(fā)極化法、瞬變電磁法、同位素示蹤法。同位素示蹤法分為天然示蹤和人工示蹤。天然示蹤劑包括溫度和電導(dǎo)率，人工示蹤劑包括鹽和熒光劑。同位素示蹤法通過(guò)電纜和探針探測(cè)示蹤劑在地下水中的變化情況獲得大壩的滲流場(chǎng)數(shù)據(jù)分析大壩的滲漏情況。從1978年Bair通過(guò)采集7個(gè)月的地下水溫度定性描繪地層的滲透性到2016年Dong利用多示蹤分析方法確定了黃河西夏灣大壩滲漏路徑，同位素示蹤法在大壩滲漏探測(cè)中越來(lái)越彰顯出它的重要性，同位素示蹤法也向人工示蹤和天然示蹤的綜合示蹤方向發(fā)展。

1 工程概況

某水電站正常蓄水位高程為752.00 m，總庫(kù)容為2.32億 m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容為1.43億 m3，多年平均發(fā)電量為4.95億 kW·h，為大（2）型Ⅱ等工程。該工程主要有混凝土面板堆石壩、深孔泄洪洞、溢洪洞、發(fā)電引水洞和電站廠房組成，大壩典型剖面結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。2015年5月28日晚上及29日發(fā)現(xiàn)混凝土面板壩后坡腳有連續(xù)滲水點(diǎn)，從右岸坡腳第一個(gè)滲水點(diǎn)開(kāi)始，出現(xiàn)滲水點(diǎn)范圍長(zhǎng)57 m；滲水清澈，無(wú)渾濁現(xiàn)象；尾水渠邊墻排水孔流量明顯增大，有水的排水孔增多。5月29日前，所有滲水均通過(guò)量水堰計(jì)量；5月29日后，滲水通過(guò)量水堰和尾水渠排水孔排出，估算總滲流量為1 000 L/s。尾水渠邊墻排水孔及廠房后邊坡總體的滲水量初期沒(méi)有明顯的變化，后期略有增加。庫(kù)水位變化時(shí)滲水量看不出明顯變化。廠房后側(cè)邊坡在庫(kù)水位超過(guò)EL743后，逐漸出現(xiàn)滲水濕潤(rùn)區(qū)域，并隨庫(kù)水位上升區(qū)域逐漸變大，局部能看到滲水水流，在庫(kù)水位低于EL741后，滲水區(qū)域消失。

圖1 大壩典型剖面結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of typical dam section structure

后來(lái)經(jīng)過(guò)檢測(cè)、修復(fù)依然存在滲漏情況：根據(jù)近期2020年2月11日—2020年5月1日觀測(cè)的量水堰水量與庫(kù)水位的關(guān)系曲線（見(jiàn)圖2）可知，大壩滲漏量隨庫(kù)水位的升高而增大，尤其是在庫(kù)水位上升至EL735后，滲漏量出現(xiàn)陡增趨勢(shì)，庫(kù)水在EL735上升至EL748的過(guò)程中，滲漏增加了近110 L/s，庫(kù)水在EL748左右時(shí)達(dá)到了最大值403.36 L/s。

圖2 量水堰水量與庫(kù)水位關(guān)系曲線Fig. 2 Relation curve between the quantity of weir and the reservoir water level

為了查明和驗(yàn)證滲漏原因，保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用綜合示蹤技術(shù)研究滲漏問(wèn)題。綜合示蹤主要包括人工示蹤法和天然示蹤法，其中天然示蹤法為溫度示蹤和電導(dǎo)率示蹤。

在選擇好方法后在右岸壩肩附近布置了 6個(gè)孔，其中壩頂與右岸壩坡接觸地方鉆有2個(gè)孔，表孔溢洪洞2個(gè)孔，右岸趾板2個(gè)孔。各孔平面布置見(jiàn)圖3，各孔孔深見(jiàn)表1。

表1 孔位信息匯總表Table 1 Summary of hole location information

圖3 大壩滲漏檢測(cè)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of dam leakage detection

2 溫度示蹤分析滲漏來(lái)源

水在4 ℃時(shí)密度最大，4 ℃～100 ℃之間的水服從熱脹冷縮原理，冷水的密度大向下沉，熱水的密度小而上升，從而造成在河水、庫(kù)水、湖水等的表層的溫度較高，而低部的溫度較低。而地層中溫度的變化趨勢(shì)則與水中相反，隨著地層深度的增加，溫度也隨之增加，一般深度每增加100 m，溫度增加3 ℃。

由于上述原因，地層中地下水溫度的變化可以反映庫(kù)水對(duì)下游地下水的補(bǔ)給情況和程度，由此可以推斷出滲漏區(qū)域。一般來(lái)說(shuō)，在堤壩滲漏較強(qiáng)的壩后觀測(cè)孔中我們可以測(cè)定到低溫區(qū)，溫度最低的區(qū)域一般是滲透性最強(qiáng)的區(qū)域。利用溫度異常測(cè)定和檢查地層的滲透性是目前簡(jiǎn)單有效的方法之一[2]。WZK-01至WZK-06孔中溫度分布曲線見(jiàn)圖4。部地層的溫度隨著深度的增加而線性增加。但當(dāng)鉆孔穿過(guò)地層中集中滲漏通道時(shí)，由于受滲漏水水平流動(dòng)的影響，溫度分布曲線會(huì)出現(xiàn)異常，呈“尖峰狀”[3]。

圖4 鉆孔溫度分布曲線Fig. 4 Temperature distribution curve of borehole

根據(jù)各孔的溫度可知在 WZK-01、WZK-02、WZK-04、WZK-05和WZK-06孔附近存在滲漏異常，但是滲漏的深度卻不能通過(guò)溫度示蹤反映出來(lái)。

3 電導(dǎo)率示蹤分析滲漏來(lái)源

電導(dǎo)是指水的導(dǎo)電能力，電導(dǎo)值為浸入水中的兩個(gè)電極在1 cm2的表面上，距離1 cm、電勢(shì)為1 v時(shí)的電流強(qiáng)度。電導(dǎo)以 S/cm為單位，這個(gè)單位對(duì)于電導(dǎo)值來(lái)說(shuō)特別大，因而自然界中的水通常使用mS/cm和μS/cm為單位，它們分別等于10-3S/cm和10-6S/cm。鉆孔的天然電導(dǎo)率分布曲線見(jiàn)圖5。的礦物質(zhì)作用發(fā)生溶解、物理化學(xué)反應(yīng)、蒸發(fā)濃縮等作用，水中的礦化度不斷提高，而集中滲漏通道中的水流要比正常滲流速度快的多，因而和滲漏作用范圍內(nèi)的地下水相比，滲流形成的地下水具有較高的電導(dǎo)值；或者滲漏通道作用范圍內(nèi)反對(duì)電導(dǎo)更加接近水庫(kù)電導(dǎo)值[4]。

圖5 天然電導(dǎo)率分布曲線Fig. 5 Distribution curve of natural conductivity of borehole

根據(jù)WZK-06中的電導(dǎo)率先減小后增大可以推斷在 WZK-06孔周圍存在明顯滲漏，滲漏范圍在59 m以上；WZK-05孔中的電導(dǎo)率雖然呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，但由于普遍較高，因此WZK-05孔中不存在明顯滲漏，只能推斷出 WZK-05孔下部流速較快；WZK-04孔中電導(dǎo)率和庫(kù)水電導(dǎo)率接近，推斷WZK-04周圍也存在滲漏；WZK-03和WZK-02孔的電導(dǎo)率較為接近，因此推斷WZK-03和WZK-02孔附近的地下水存在聯(lián)系，但由圖3可知WZK-03和WZK-02的溫度曲線相差較大，結(jié)合溫度和電導(dǎo)可以得出這2個(gè)孔中的地下水不存在聯(lián)系，此處無(wú)滲漏路徑；WZK-01孔的電導(dǎo)率值與滲漏水的電導(dǎo)率值最為接近，并且溫度最低，因此推斷WZK-01處在滲漏路徑上。

通過(guò)對(duì)各孔含水層的天然電導(dǎo)率進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)在WZK-06、WZK04和WZK-01孔中電導(dǎo)率明顯異常，但是在溫度示蹤時(shí)發(fā)現(xiàn) WZK-02和WZK-05中也存在異常，并且對(duì)滲漏的深度進(jìn)行了定性分析。接下來(lái)通過(guò)人工示蹤試驗(yàn)對(duì)滲漏的方式和具體深度進(jìn)行定量分析。

4 人工示蹤法分析滲漏來(lái)源

最后利用人工示蹤法對(duì)滲漏進(jìn)行定量分析，確定滲漏的路徑和深度。人工示蹤方法在多孔介質(zhì)含水層中研究了近40年，已獲得極大的成功[5-7]，并已廣泛地應(yīng)用于水利、采礦、地下水勘察等領(lǐng)域。它的優(yōu)點(diǎn)是便于實(shí)施，可在鉆孔中獲取大量的參數(shù)。

通過(guò)對(duì)這6個(gè)水文勘測(cè)孔進(jìn)行人工示蹤試驗(yàn)得到了各孔的流速分布情況。其中WZK-04、WZK-03和WZK-01存在明顯的垂向流，其他各孔無(wú)明顯垂向流。

根據(jù)圖6鉆孔電導(dǎo)率歷時(shí)曲線可以分析出各孔的垂向流方向和垂向流流速。WZK-04孔中垂向流的流向?yàn)閺纳贤?，?0 m（高程為676.30）的深度流出。利用觀測(cè)到的曲線結(jié)合峰值法可以計(jì)算得到WZK-04垂向流速為0.08～0.1 cm/s；從WZK-03孔的電導(dǎo)率歷時(shí)曲線中可以看出各個(gè)時(shí)段電導(dǎo)率曲線相似，但有明顯的2個(gè)峰值偏移，分別為31 m

圖6 鉆孔電導(dǎo)率歷時(shí)曲線Fig. 6 Duration curve of electrical conductivity of borehole

附近的向上垂向流，34 m附近的向下垂向流，向上的垂向流最終從27 m（高程為709.30）的位置流出，流速為0.007 cm/s，向下的垂向流最終從54 m（高程為 682.30）的位置流出，流速為 0.014 cm/s；從WZK-01孔的電導(dǎo)率動(dòng)態(tài)圖中可以看出各個(gè)時(shí)段電導(dǎo)率曲線存在明顯的峰值偏移，WZK-01孔中存在明顯的垂向流，垂向流的流向?yàn)閺纳贤?，?9 m（高程為682.20）的深度流出。利用觀測(cè)到的曲線結(jié)合峰值法可以計(jì)算得到垂向流速為0.023 cm/s。

各孔的水平流速見(jiàn)圖7。

圖7 鉆孔水平流速分布Fig. 7 Horizontal velocity distribution of borehole

從圖7 可以發(fā)現(xiàn)：WZK-06、WZK-04、WZK-03、WZK-01孔中存在較大的水平流，其中WZK-06孔最為嚴(yán)重的滲漏（流速在10-4cm/s為嚴(yán)重滲漏）位置在高程 700.30～698.30，WZK-04孔的滲漏位置在 718.30～717.30，WZK-03孔的滲漏位置在713.30～711.30，WZK-01孔的滲漏位置在701.20～700.20的位置，這些位置的水平流速在10-4cm/s的數(shù)量級(jí)，其次這些孔在表層存在異常滲漏（流速在10-5cm/s為異常滲漏）；WZK-05孔和WZK-02孔的水平流速正常，在10-6～10-7cm/s數(shù)量級(jí)。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)水庫(kù)的右壩肩進(jìn)行了溫度示蹤、電導(dǎo)率示蹤以及人工示蹤試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)右壩肩的主要滲漏路徑有3個(gè)：（1）靠近WZK-06的滲漏為壩體與壩坡巖體直接接觸空隙導(dǎo)致的；（2）靠近WZK-04和WZK-03的滲漏來(lái)源于混凝土與巖體接觸不完整以及巖體內(nèi)部破碎帶；（3）WZK-01附近的滲漏來(lái)源于混凝土與巖體接觸不完整以及巖體內(nèi)部破碎帶。在利用綜合示蹤技術(shù)查明滲漏路徑后，準(zhǔn)備對(duì)右壩肩進(jìn)行灌漿加固，加固范圍從壩趾一直到大壩與巖石接壤處，根據(jù)綜合示蹤查明的滲漏路徑范圍確定加固的高程達(dá)到680.20即可保證加固的效果。

本文選自“全國(guó)病險(xiǎn)水庫(kù)安全評(píng)估及除險(xiǎn)加固技術(shù)前沿研討會(huì)”征集論文，會(huì)議旨在探討病險(xiǎn)水庫(kù)評(píng)估方法以及除險(xiǎn)加固新技術(shù)、新措施，推進(jìn)病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固工作、提高防災(zāi)和供水保障能力，會(huì)議于2021年5月26—27日在杭州召開(kāi)。

本期刊登其中3篇精選論文。