綜合示蹤技術在水庫滲漏勘察中的應用

張清華，陳 亮，顏書法，司朋舉

（1. 中電投蒙東能源集團有限責任公司扎哈淖爾工業供水分公司，內蒙古 通遼 028000；2. 河海大學 巖土力學與堤防工程教育部重點試驗室，江蘇 南京 210098；3. 河海大學 巖土工程科學研究所，江蘇 南京 210098）

0 引 言

截至2011年3月，包含6 862個水庫及相關大壩，累計庫容為6 197 km3的全球水庫和大壩（GRanD）數據庫顯示大壩大部分存在滲流問題[1]。《水利水電工程物探規程》（SL 326—2005）規定的水庫滲漏探測的主要方法有電阻率法、高密度電法、自然電場法、激發極化法、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率，人工示蹤劑包括鹽和熒光劑。同位素示蹤法通過電纜和探針探測示蹤劑在地下水中的變化情況獲得大壩的滲流場數據分析大壩的滲漏情況。從1978年Bair通過采集7個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中越來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展。

1 工程概況

某水電站正常蓄水位高程為752.00 m，總庫容為2.32億 m3，調節庫容為1.43億 m3，多年平均發電量為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、發電引水洞和電站廠房組成，大壩典型剖面結構示意圖見圖1。2015年5月28日晚上及29日發現混凝土面板壩后坡腳有連續滲水點，從右岸坡腳第一個滲水點開始，出現滲水點范圍長57 m；滲水清澈，無渾濁現象；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，所有滲水均通過量水堰計量；5月29日后，滲水通過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有明顯的變化，后期略有增加。庫水位變化時滲水量看不出明顯變化。廠房后側邊坡在庫水位超過EL743后，逐漸出現滲水濕潤區域，并隨庫水位上升區域逐漸變大，局部能看到滲水水流，在庫水位低于EL741后，滲水區域消失。

圖1 大壩典型剖面結構示意圖Fig. 1 Schematic diagram of typical dam section structure

后來經過檢測、修復依然存在滲漏情況：根據近期2020年2月11日—2020年5月1日觀測的量水堰水量與庫水位的關系曲線（見圖2）可知，大壩滲漏量隨庫水位的升高而增大，尤其是在庫水位上升至EL735后，滲漏量出現陡增趨勢，庫水在EL735上升至EL748的過程中，滲漏增加了近110 L/s，庫水在EL748左右時達到了最大值403.36 L/s。

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

為了查明和驗證滲漏原因，保證測量結果的準確性，采用綜合示蹤技術研究滲漏問題。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率示蹤。

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

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

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

2 溫度示蹤分析滲漏來源

水在4 ℃時密度最大，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水對下游地下水的補給情況和程度，由此可以推斷出滲漏區域。一般來說，在堤壩滲漏較強的壩后觀測孔中我們可以測定到低溫區，溫度最低的區域一般是滲透性最強的區域。利用溫度異常測定和檢查地層的滲透性是目前簡單有效的方法之一[2]。WZK-01至WZK-06孔中溫度分布曲線見圖4。部地層的溫度隨著深度的增加而線性增加。但當鉆孔穿過地層中集中滲漏通道時，由于受滲漏水水平流動的影響，溫度分布曲線會出現異常，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溫度示蹤反映出來。

3 電導率示蹤分析滲漏來源

電導是指水的導電能力，電導值為浸入水中的兩個電極在1 cm2的表面上，距離1 cm、電勢為1 v時的電流強度。電導以 S/cm為單位，這個單位對于電導值來說特別大，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。鉆孔的天然電導率分布曲線見圖5。的礦物質作用發生溶解、物理化學反應、蒸發濃縮等作用，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的地下水相比，滲流形成的地下水具有較高的電導值；或者滲漏通道作用范圍內反對電導更加接近水庫電導值[4]。

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

根據WZK-06中的電導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孔中的電導率雖然呈現下降的趨勢，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孔中電導率和庫水電導率接近，推斷WZK-04周圍也存在滲漏；WZK-03和WZK-02孔的電導率較為接近，因此推斷WZK-03和WZK-02孔附近的地下水存在聯系，但由圖3可知WZK-03和WZK-02的溫度曲線相差較大，結合溫度和電導可以得出這2個孔中的地下水不存在聯系，此處無滲漏路徑；WZK-01孔的電導率值與滲漏水的電導率值最為接近，并且溫度最低，因此推斷WZK-01處在滲漏路徑上。

通過對各孔含水層的天然電導率進行分析后發現在WZK-06、WZK04和WZK-01孔中電導率明顯異常，但是在溫度示蹤時發現 WZK-02和WZK-05中也存在異常，并且對滲漏的深度進行了定性分析。接下來通過人工示蹤試驗對滲漏的方式和具體深度進行定量分析。

4 人工示蹤法分析滲漏來源

最后利用人工示蹤法對滲漏進行定量分析，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]，并已廣泛地應用于水利、采礦、地下水勘察等領域。它的優點是便于實施，可在鉆孔中獲取大量的參數。

通過對這6個水文勘測孔進行人工示蹤試驗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，其他各孔無明顯垂向流。

根據圖6鉆孔電導率歷時曲線可以分析出各孔的垂向流方向和垂向流流速。WZK-04孔中垂向流的流向為從上往下，從60 m（高程為676.30）的深度流出。利用觀測到的曲線結合峰值法可以計算得到WZK-04垂向流速為0.08～0.1 cm/s；從WZK-03孔的電導率歷時曲線中可以看出各個時段電導率曲線相似，但有明顯的2個峰值偏移，分別為31 m

圖6 鉆孔電導率歷時曲線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孔的電導率動態圖中可以看出各個時段電導率曲線存在明顯的峰值偏移，WZK-01孔中存在明顯的垂向流，垂向流的流向為從上往下，從49 m（高程為682.20）的深度流出。利用觀測到的曲線結合峰值法可以計算得到垂向流速為0.023 cm/s。

各孔的水平流速見圖7。

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

從圖7 可以發現：WZK-06、WZK-04、WZK-03、WZK-01孔中存在較大的水平流，其中WZK-06孔最為嚴重的滲漏（流速在10-4cm/s為嚴重滲漏）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的數量級，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數量級。

5 結 論

通過對水庫的右壩肩進行了溫度示蹤、電導率示蹤以及人工示蹤試驗后發現右壩肩的主要滲漏路徑有3個：（1）靠近WZK-06的滲漏為壩體與壩坡巖體直接接觸空隙導致的；（2）靠近WZK-04和WZK-03的滲漏來源于混凝土與巖體接觸不完整以及巖體內部破碎帶；（3）WZK-01附近的滲漏來源于混凝土與巖體接觸不完整以及巖體內部破碎帶。在利用綜合示蹤技術查明滲漏路徑后，準備對右壩肩進行灌漿加固，加固范圍從壩趾一直到大壩與巖石接壤處，根據綜合示蹤查明的滲漏路徑范圍確定加固的高程達到680.20即可保證加固的效果。

本文選自“全國病險水庫安全評估及除險加固技術前沿研討會”征集論文，會議旨在探討病險水庫評估方法以及除險加固新技術、新措施，推進病險水庫除險加固工作、提高防災和供水保障能力，會議于2021年5月26—27日在杭州召開。

本期刊登其中3篇精選論文。