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基于單孔稀釋試驗的人工湖滲漏探測方法及應用

2024-05-14 12:39:51梁越趙卓越夏日風張宏杰代磊
人民長江 2024年4期
關鍵詞:人工湖電導率

梁越 趙卓越 夏日風 張宏杰 代磊

摘要:滲漏是影響湖庫安全的關鍵因素,對其進行準確、高效探測一直是水工安全領域中的技術難題。與基于電磁理論的地球物理探測技術不同,基于井流理論的單孔稀釋技術可以直接得到與滲流場相關的含水層參數且無需額外的參數轉換。但傳統(tǒng)的單孔稀釋試驗往往僅對點位滲漏性進行定性判斷,針對大尺度下滲漏規(guī)模的定量分析應用較少。為此,基于單孔稀釋測速原理對四川省仁壽縣某滲漏人工湖進行研究。在人工湖附近鉆孔后進行單孔稀釋試驗,通過監(jiān)測NaCl溶液電導率數據得到鉆孔流速,通過解譯流速數據得到了人工湖最大滲漏通道位于湖體左側鉆孔ZK6~ZK7區(qū)域420~440 cm深度范圍和ZK8區(qū)域300~400 cm深度范圍,鉆孔剖面滲流量為4.24 cm3/s?,F場試驗應用表明:單孔稀釋法不僅能定性分析出滲漏通道的空間位置,還能定量計算出地下流速、滲流量參數。試驗證明單孔稀釋滲漏探測原理應用于湖庫滲漏探測中具有較好的推廣應用價值。

關鍵詞:滲漏探測; 單孔稀釋法; 電導率; 滲漏通道; 滲漏量; 人工湖

中圖法分類號: TV698.1

文獻標志碼: A

DOI:10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.04.027

0引 言

水庫、湖泊在防洪、供水、農業(yè)灌溉、改善生態(tài)環(huán)境等方面具有重大作用。滲漏是湖庫的常見病害,因此,探測滲漏的空間位置及規(guī)模大小對水庫、湖泊解除安全隱患和防滲處理具有重要的理論依據和實際意義,但由于地質條件復雜,其滲漏位置較難被準確發(fā)現[1]。目前,水庫滲漏探測的常用方法有高密度電阻率法[2]、探地雷達法[3]以及綜合地球物理探測[4-6]等方法,這些方法利用不同介質物理指標的空間差異性確定滲漏源及滲漏通道的空間位置并監(jiān)測其發(fā)展變化。但這些方法常常需要大量的人力、昂貴的設備、專業(yè)性知識以及復雜的計算和解釋算法,且提供的間接數據只是反映土壤材料或混凝土滲透性的物理指標,而不是直接的滲漏或地下水流場信息[7]。此外,在滲漏探測中這些方法易受到介質非均質性的影響,在分析過程中往往產生非確切參數的空間分布從而影響滲漏判斷的準確性。

與地球物理探測方法相比,示蹤劑測試具有成本低、效率高、可直接提供滲流場或地下水流場數據等諸多優(yōu)點[8-10]。單孔稀釋法將示蹤劑注入鉆孔并觀察示蹤劑濃度隨時間和深度的變化的情況,因此可以測量鉆孔中流速流向,識別流入流出層位,判定區(qū)域內是否存在垂向流,表征鉆孔及鉆孔周圍區(qū)域流場。比如Maurice等[11]在自然水頭條件下進行單鉆孔稀釋試驗來識別鉆孔內的垂直流動并確定流入、流出和交叉流動裂縫的位置;West等[12]將利用裸井鉆孔稀釋轉化得到的垂直流速數據與使用含水層系統(tǒng)的水力模型生成的數據匹配起來,以表征多層含水層系統(tǒng),并在試驗中測量到了非常低的流速;Agbotui等[13]通過點注入和均勻注入兩種稀釋試驗對鉆孔中的水流流動進行表征,并推斷出地下水流動模式和周圍含水層地層中的速度等特性。這些現場試驗表明,由單孔稀釋技術估算出的流速符合達西定律,可以應用其測定鉆孔周圍含水層中地下水的滲流速度。但相關文獻中,很少發(fā)現應用單孔稀釋法來探測和量化水利工程滲漏問題。Qiu等[7]在鉆孔中通過天然示蹤劑試驗和人工示蹤劑試驗相結合的方法檢測壩體滲漏區(qū),證明了單孔稀釋法在滲漏探測精度方面比傳統(tǒng)示蹤劑方法具有更好的性能。Dong等[14]利用多元技術探測土石壩滲漏路徑,其通過單孔人工同位素稀釋試驗測定高、低水庫水位下鉆孔中垂直和水平流速判斷滲漏可能性,并利用鹽水示蹤劑在鉆孔和滲漏點之間進行了連通性測試。

但上述單孔稀釋試驗都是在物探或示蹤試驗的基礎上或三者聯合起來開展的,以對水工結構某一區(qū)域進行滲漏探測,單一使用該方法是否能探測出滲漏通道位置,以及在較大尺度上的滲漏探測可行性如何,尚未有相關表述。而且值得注意的是,上述試驗都側重定性分析鉆孔區(qū)域滲漏情況,最終并未量化滲漏的大小及規(guī)模。

基于此,本文采用單孔稀釋試驗對四川省仁壽縣某人工湖滲漏問題進行研究,根據流速數據分析判斷人工湖滲漏情況,定性分析其滲漏通道的空間位置,量化滲漏區(qū)域滲流量大小,驗證單孔稀釋試驗在湖庫滲漏探測上的可行性。

1試驗方法及原理

1.1單孔稀釋法

單孔稀釋法是通過各種天然、人工示蹤劑對地下水滲流問題進行定性和定量研究的方法。將一定量的示蹤劑投放到鉆孔中,示蹤劑隨地下水一起運動,隨著地下水的滲透,示蹤劑被補給到鉆孔的“新鮮水”中而得到稀釋進而濃度降低,示蹤劑濃度降低速率與地下水運動速率存在函數關系。測量出示蹤劑濃度的變化,根據一定關系求出滲流速度,從而計算出滲漏區(qū)域的滲漏量大小。

1.2流速計算公式

鉆孔中示蹤劑濃度的降低與地下水滲流速度Vf變化關系服從稀釋定理[15]:

對于示蹤劑的選擇,NaCl作為一種人工示蹤劑價格便宜,易于獲得,對人類和環(huán)境無毒無污染,其濃度可以通過鉆孔水的電導率監(jiān)測出。在低濃度下溶液電導率與濃度呈正比關系[17],因此,示蹤劑濃度之比可以通過其電導率之比來表示。選用NaCl作為示蹤劑,如圖1所示,現場環(huán)境下NaCl溶液濃度與其電導率大致呈正比關系,其中截距表明湖水存在本底值。此時必須考慮鉆孔中水的電導率本底值的影響,則式(1)、(2)分別表示為

1.3均勻注入方法

單孔稀釋法有兩種常見的示蹤劑注入方式,即點注入和均勻注入。點注入主要測定某深度下的速度,主要應用在識別垂直流上;而均勻注入的目的在于使示蹤劑均勻充滿整個飽和孔中,以獲得地下水流動信息,從而在一次測試中探測不同深度的滲漏效應[11]。本文研究選擇均勻注入作為示蹤劑的注入方式。

圖2為在只考慮水平流或垂直流影響極小的情況下,鉆孔均勻注入示蹤劑后示蹤劑濃度減小并隨深度變化的3種典型曲線(根據 Maurice等[11]修改,更具一般性)。圖2 (a)表示水平均勻流貫穿整個鉆孔,表明地下水均勻流動;圖2 (b)鉆孔上部示蹤劑濃度降低較快,下部示蹤劑濃度降低較慢,這表明上部水平流動快于下方,這種變化往往揭露了巖性變化,例如滲透系數較低的黏性砂石被滲透率較大的粗砂礫石覆蓋;圖2 (c)曲線出現兩個波動區(qū),說明該深度下的流速與其上下層位流速存在較大的差異,此情況常出現在巖溶裂隙含水層或存在滲漏隱患的工程結構中。這3種曲線適用于解釋鉆孔中電導率變化情況,判斷滲漏通道和裂隙位置。

注:t代表注入后增加的時間,t1曲線代表初始注入的濃度變化,t2,t3表示后續(xù)時刻濃度變化圓柱體為孔中水流流動的示意圖,箭頭指向表示流入(指向鉆孔)、流出(指向遠離鉆孔),箭頭越大表示流速越大。

2單孔稀釋現場試驗

2.1工程概況

所研究人工湖(圖 3)位于四川省仁壽縣,境內地質構造單元處于川西臺陷龍泉褶皺車與川中臺拱、威遠穹隆的接合部位,境內地貌以丘陵為主,地勢西高東低,境內河流分屬沱江和岷江流域。該人工湖設計水位高程約499.20 m,平均水深為3.5 m,附近土層滲透系數為2×10-6~2×10-7cm/s。經人工回填,防水毯防滲,建成一月后出現滲漏問題,導致湖水位始終上升不到設計水位,湖泊左側部分土體出現變形開裂,存在較大滲漏隱患。

2.2試驗步驟

根據現場勘查情況設定鉆孔方案如下,沿湖體周邊進行鉆孔選點,從人工湖上游沿湖體左側依次布置25個鉆孔點位,點位間距2~8 m。定點后先用探桿初步確定鉆孔位置,再利用鉆頭進行淺層手動打孔以清除表層泥土。將鉆機安裝到鉆桿上后,啟動抽水泵對鉆機注水,進行鉆孔工作。每鉆完一點,將鉆桿垂直地從孔中提出,清理鉆頭內取出的巖石并做好每個鉆孔的巖性記錄,同時對孔口使用打孔的PVC管材進行保護,防止后續(xù)的測量過程中孔內坍塌導致測量受到干擾,PVC管外用尼龍紗布包裹以防止泥漿進入管道。如圖3所示,完成了25個5 m的鉆孔ZK1~ZK25的安裝和布置。湖水位與鉆孔水位高程如表1所列。

鉆孔工作完成后,采用均勻注入方法對25個鉆孔分別進行稀釋測試。首先使用水質綜合監(jiān)測儀測量鉆孔中水的電導率本底值,加附重物的軟管深入鉆孔底部并被地下水流充滿,將配置好的NaCl溶液(濃度小于30 g/L)通過漏斗注入管徑25 mm軟管中。注入時應緩慢勻速地將軟管拉出鉆孔,使NaCl溶液與孔水混合產生初始濃度并均勻分布在鉆孔監(jiān)測范圍內,均勻注入過程見圖4。接著將傳感器探頭放入鉆孔中,每隔20 cm深度測量并記錄每一層的電導率值,間隔一定時間后,測量并記錄下一組電導率值。時間間隔選取與孔內流速有關,若電導率變化不明顯,適當增大間隔時間;配置NaCl溶液濃度要求低于120 g/L,否則會產生密度流,影響自然流動的解釋[13]。

2.3試驗結果及分析

2.3.1電導率曲線分析

使用單孔稀釋法在不同深度范圍、不同條件下(每個鉆孔間隔時間與注入NaCl溶液濃度不同)完成了25次稀釋測試,記錄了各鉆孔的電導率數據并得到每個鉆孔不同深度的流速值。如圖5所示,對電導率變化曲線具有代表性的鉆孔ZK16、ZK22、ZK6、ZK2進行簡要分析。

ZK16孔中,隨著試驗時間變長,曲線逐漸向本底值曲線靠近,說明鉆孔中存在水流運動,使NaCl溶液濃度減小,水流運動越快,同一深度曲線間隔越大。說明相同時間間隔下NaCl溶液濃度降低得更多,所以ZK16中、上層流速低于下層流速。ZK16電導率曲線中260 cm和420 cm深度存在兩個波動區(qū)且相同時間內其電導率降低更快,說明這兩個深度的流速大于其附近層位流速。而第一個觀測時刻t1中,曲線有兩個明顯波動點,下一時刻t2中,只有一個波動點,說明ZK16在260,420 cm深度范圍內有兩個滲漏區(qū)且420 cm的滲漏更嚴重(圖6中ZK16區(qū)域260,420 cm深度的流速均大于0.03 cm/s)。

對于ZK22,340 cm深度至孔水位線范圍內存在一個低電導區(qū),投源軟管每次都會從孔口拉出且整個孔段內NaCl溶液均勻注入,因此很難在淺層出現低電導聚集的情況。可能的原因是ZK22淺區(qū)水流流動快流量大,孔內NaCl溶液及時被 “新鮮水”補充稀釋,因此測試時錯過了短暫的變化,所以試驗中曲線的低電導區(qū)域一般表明該區(qū)域流速高于孔內其他區(qū)域流速。

對于ZK6,在30多s時間內420 cm深度以上都為低電導區(qū),420 cm時流速高達0.1385 cm/s,大于0.03 cm/s流速段占鉆孔測量段流速的50%以上(見圖 6中ZK6流速曲線),因此ZK6處存在嚴重滲漏情況。從ZK16中420 cm深度、ZK22中500 cm深度、ZK6中460 cm深度的電導率變化曲線不難發(fā)現,曲線簇的凸點總保持在同一水平方向上,這說明在沒有垂直流的情況下,示蹤劑的濃度值只隨著流入鉆孔中的地下水降低,不會得到垂直方向水流運動的補充,凸點總保持在同一深度,Maurice等[11]同樣在其數值模擬中發(fā)現了這一規(guī)律。

而ZK2是25個稀釋試驗中唯一存在垂直流的鉆孔。圖5(d)中,t2曲線電導率分別在140,320,360 cm深度大于t1曲線電導率況,t3曲線電導率分別在140,160,180,320 cm和360 cm深度大于t2曲線電導率,電導率值在沒有額外補充示蹤劑的情況下增大,且3條曲線的凸點趨勢向上方移動,說明垂直方向的水流將下層少量示蹤劑補充到上層,導致電導率值增大,上層點位濃度突增且淺口處(140~160 cm)電導率升高,因此判斷ZK2中存在垂直向上水流。圖5中ZK2孔內電導率增大值較小,其影響較小,仍采用式(3)計算孔內流速,而ZK12鉆孔本身流速很小,基本不存在滲漏情況。由于流速極低,示蹤劑擴散作用大于平流作用,且在上提軟管的過程中對孔內本身相對靜止的水流產生了向上移動的趨勢,因此產生了垂直向上的水流運動。

如圖7所示,根據電導率數據計算出25個鉆孔的平均流速,其中最大平均流速出現在ZK6處,為0.050 05 cm/s,最小平均流速出現在ZK1處,為0.000 22 cm/s,兩者相差兩個數量級,流速越大數量級越高,滲漏可能性越大情況越嚴重。不難發(fā)現,湖體左側ZK5~ZK16區(qū)域滲漏明顯。因此,根據平均流速大小及數量級不同,將鉆孔分為以下3個區(qū):① 高滲漏區(qū)域Ⅰ在ZK5~ZK16,流速區(qū)間主要在0.01~0.1 cm/s;② 低滲漏區(qū)域Ⅱ在ZK3~ZK4和ZK17~ZK22,流速區(qū)間主要在0.001~0.01 cm/s;③ 不滲漏區(qū)域Ⅲ在ZK1~ZK2和ZK23~ZK25,流速區(qū)間小于0.001 cm/s。當然,判定滲漏情況不僅與流速有關,還與滲漏范圍、滲漏規(guī)模有關,因此還需繼續(xù)通過水平流速分布判斷滲漏通道的位置并計算滲漏量大小。

2.3.2滲漏通道位置及滲流量大小

圖8藍色區(qū)域表示對應鉆孔區(qū)域的流速大小,高滲漏區(qū)ZK5~ZK16孔流速整體上遠遠大于其他區(qū)域流速,滲漏嚴重,其中ZK5~ZK9區(qū)域流速大于ZK10~ZK16區(qū)域流速,ZK6處流速最大,表明人工湖主要滲漏范圍在湖體左側,最大滲漏通道位于ZK5~ZK9區(qū)域。局部上,320 cm和460 cm深度的ZK11和420 cm深度的ZK16流速突增,表明這一深度附近該點位可能存在滲漏通道;深度300~400 cm時,ZK8流速一直處于高速流狀態(tài),表明ZK8處該深度存在一個較大滲漏通道;深度420~440 cm時,ZK6~ZK7的流速一直處于高流速狀態(tài),其中ZK6流速最高為0.14 cm/s,說明在420~440 cm附近存在一個較大的滲漏通道。低滲區(qū)流速波動也表明其存在不同程度的滲漏,如ZK22從280 cm開始流速先增大后減小至360 cm后降低更小,但流速突增不明顯表明其未形成集中滲漏。ZK1~ZK2、ZK23~ZK25區(qū)域流速低變化小,基本不存在滲漏,該結果也與前文流速分區(qū)結果一致。

為了更好計算滲漏量大小,將ZK1~ZK25鉆孔剖面格網化10 cm(X方向)×20 cm(Y方向)為2 000個單元格,在已有的鉆孔流速數據基礎上采用普通克里金插值法(運算函數為線性函數)得到鉆孔剖面流速分布,通過點位流速乘以單元格面積得到鉆孔剖面的滲流量大小。圖 9為ZK1~ZK25鉆孔剖面滲流量分布情況,其中Ⅰ區(qū)剖面滲流量為3.746 cm3/s,Ⅱ區(qū)為0.436 cm3/s,Ⅲ區(qū)為0.058 cm3/s,鉆孔區(qū)域總剖面滲漏量為4.24 cm3/s。圖9中區(qū)域顏色越鮮明代表該深度區(qū)域滲漏越嚴重,滲流量的峰值出現在ZK5~ZK9、ZK10~ZK12、ZK16這3塊區(qū)域,同樣證明這些區(qū)域屬于高滲漏區(qū)。其中ZK6~ZK7區(qū)域420~440 cm深度范圍和ZK8區(qū)域300~400 cm范圍滲漏量大于0.078 cm3/s,顏色為深紅色范圍,同樣表明這些位置存在主要的滲漏通道。

2.3.3現場試驗結論

采用單孔稀釋試驗對西南地區(qū)存在滲漏隱患的湖區(qū)進行探測。根據鉆孔平均流速大小,將人工湖分為:(Ⅰ)高滲漏區(qū)(ZK5~ZK16)、(Ⅱ)低滲漏區(qū)(ZK3~ZK4,ZK17~ZK22)、(Ⅲ)不滲漏區(qū)(ZK1~ZK2,ZK23~ZK25)3個區(qū)域。

通過分層流速對比分析,得到人工湖最大滲漏通道位于ZK6~ZK7區(qū)域420~440 cm深度范圍和ZK8區(qū)域300~400 cm深度范圍內,同時ZK11區(qū)域的320,460 cm深度,ZK16區(qū)域的420 cm深度也存在集中滲漏通道。

通過計算滲流量,得到Ⅰ區(qū)剖面滲流量為3.746 cm3/s,Ⅱ區(qū)為0.436 cm3/s,Ⅲ區(qū)為0.058 cm3/s,鉆孔區(qū)域總剖面滲漏量為4.24 cm3/s。

3結 論

單孔稀釋法具有探測結果準確、操作過程高效、流場數據豐富等特點,可以在一次試驗中直接獲取到地下水位流速信息,判斷裂隙或滲漏通道位置,表征鉆孔及鉆孔附近區(qū)域的流場特征,進而量化滲漏區(qū)域滲流量大小,其相較物理地球探測方法,可以直接得到流場數據。人工湖滲漏探測現場試驗結果表明,在較大尺度區(qū)域中,單一使用單孔稀釋法不僅可以定性分析出滲漏通道的空間位置,還能定量量化區(qū)域滲流量,其效率高,準確性強。因此,在可行的條件下,可以將單孔稀釋方法應用到湖庫的滲漏探測中。

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(編輯:鄭 毅)

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