溶質場探測水庫滲漏通道入口試驗研究

陳亮 張林生 顏書法

摘 要：針對傳統流場擬合法要求滲漏點與周圍介質存在明顯電性差異的缺點，改用溶質場去擬合水流場。用自行設計的模型槽開展了室內模型試驗研究，模擬了有滲漏通道入口與無滲漏通道入口兩種情況，通過在模擬壩體迎水面布置電導率傳感器，繪制出兩種情況下迎水面上的電導率等值線圖。對兩種情況下等值線圖進行對比分析發現，滲漏通道附近的電導率明顯偏大，并且偏大區域的中心位置與實際滲漏通道入口的中心位置基本一致。試驗結果表明，利用溶質場進行水庫滲漏通道入口的探測是可行的，并且具有簡單、快捷等優點。

關鍵詞：水庫滲漏；溶質場；探測；電導率

中圖分類號：TV62 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.01.023

引用格式：陳亮，張林生，顏書法.溶質場探測水庫滲漏通道入口試驗研究[J].人民黃河，2022，44（1）：112-115.

LaboratoryModelTestonDetectingtheEntranceofReservoirLeakagePassagebySoluteField

CHENLiang1，2，ZHANGLinsheng1，2，YANShufa1，2

（1.GeotechnicalResearchInstitute，HohaiUniversity，Nanjing210098，China；2.KeyLaboratoryof MinistryofEducationforGeomechanicsandEmbankmentEngineering，HohaiUniversity，Nanjing210098，China）

Abstract：Inviewoftheshortcomingsofthetraditionalflowfieldfittingmethod，whichrequiresobviouselectricaldifferencebetweenthe leakagepointandthesurroundingmedium，thesolutefieldwasusedtofittheflowfield.Thelaboratorymodeltestwascarriedoutwithaself designedmodeltank.Thetwocasesofinletwithleakagepassageentranceandwithoutleakagepassageentranceweresimulated.Byarranging conductivityprobeontheupstreamsurfaceofthesimulateddambody，thecontourmapofconductivityvalueontheupstreamsurfaceofthe twocaseswasdrawn.Bycomparingandanalyzingthecontourmapofthetwocases，itwasfoundthattheconductivityvalueneartheleakage passageentrancewouldbesignificantlylarger.Thecentralpositionofthelargerareaisbasicallyconsistentwiththeactualentranceofthe leakagepassage.Thetestresultsshowthatitisfeasibletousesolutefieldtodetecttheentranceofreservoirleakagepassage，andithasthe advantagesofsimplicityandrapidity.

Keywords：reservoirleakage；solutefield；detection；conductivity

我國修建水庫歷史悠久，新中國成立以來，伴隨著大江大河的治理，建成了大量的中小型水庫，為我國水患治理及經濟建設提供了巨大幫助。水庫的安全問題不容忽視，據水利部調查統計，全國241座大型水庫先后發生過近1000宗工程事故，其中滲漏管涌事故最多，占比達到了31.7%，其次是壩體和鋪蓋的裂縫、滑坡坍塌等[1-2]，因此為保證水庫的正常運行，必須有快捷、可靠的滲漏探測技術。

目前，水庫滲漏探測的常用方法有自然電場法[3]、探地雷達法[4]、溫度場探測法[5]、高密度電阻率法[6]、流場擬合法等。其中流場擬合法是何繼善院士提出的探測水流流向和相對流速的物理探測技術[7]，其基本原理是利用水流場與電流場的相似性，建立一個人工特殊電流場來擬合滲漏水流場，通過測定電流場的分布來查明水流場的分布（流向和相對流速），最后綜合確定滲漏通道的位置。

流場擬合法雖然能夠準確、快速地探測滲漏點，但該方法要求滲漏點與周圍介質存在明顯的電性差異，實際工程中有時不符合該條件。筆者基于流場擬合法的基本原理，利用溶質場去擬合水流場，通過探測溶質在水域中的分布情況，推測滲漏通道的位置。主要采用自主設計的試驗裝置進行試驗，通過數據處理與分析，最終得出結論，驗證該方法的可行性。

1 試驗原理

江、河、湖、庫中水流的分布有其自身的規律，其中水流速度在空間上的分布可以視為流場，正常情況下流場為正常場。特別對水庫而言，若無滲漏或其他原因引起水的流動（如發電、地表徑流等），則水庫中的水可以視為靜止的，即水庫中各點的流速為零[8]。而溶質在靜水中的運動是一種側向擴散和垂向擴散的疊加[9]，經過一段時間的擴散后，一定范圍水域中某點的溶質濃度將只與該點的深度有關。當水庫出現滲漏情況時，必然存在從迎水面向背水面的滲漏通道，在出現管涌情況下此通道更為明顯。滲漏通道導致異常流場的產生，此異常流場最重要的特點是水流速度的矢量場指向滲漏通道的入水口，如果此時投放溶質，那么溶質的擴散及分布情況自然也會受到異常流場的影響。水流場的各項數值往往難以測定，可以投放溶質，然后測定溶質的分布，溶質的分布又可以通過測定水域中各點的電導率來確定，進而分析出滲漏通道入水口的位置。

目前氯化鈉獲取簡便、現象明顯、無污染，是室內試驗和實際工程中首選的示蹤劑，并且氯化鈉溶液的濃度與其電導率為線性關系[10]，因此在進行數據分析時可以用電導率值代替溶質濃度值來分析。為了具體驗證“溶質場法”的可行性，以及探究數據的處理分析方法，通過室內模型試驗進行了初步研究。

2 室內模型試驗

2.1 試驗儀器

2.1.1 試驗模型槽

試驗模型槽是長、寬、高分別為80、40、50cm的有機玻璃水槽，見圖1（尺寸均為內部尺寸），具體介紹如下。

（1）開孔隔板。在距離模型槽右側槽壁15cm處設置一隔板，用來模擬水庫壩體的迎水面，隔板與模型槽的連接部分進行防水處理，防止漏水。隔板上開6個半徑為2.5cm的圓孔（孔中心距15cm），用來模擬滲漏通道的入水口，并在隔板上建立xoy二維平面直角坐標系。

（2）蓄水區。模型槽左側壁與開孔隔板之間的區域設置為蓄水區，用來模擬水庫的上游區域。

（3）填土區。開孔隔板與模型槽右側壁之間的區域設置為填土區，用來裝砂樣，模擬水庫壩體，并在模型槽右側壁20cm高處開一排圓孔作為排水口，圓孔用濾網封住，防止砂樣流失。

2.1.2 電導率采集裝置

電導率采集采用Y-EC-C1智能電導率傳感器，通過加工將一定數量傳感器布置在同一條數據傳輸線上，并使用配套的數據采集系統進行記錄。由于在實際水庫中，難以將數據傳輸線直接固定在水域中，并且壩體迎水面附近的水域受滲漏通道產生的異常流場影響最大，因此可以將數據傳輸線上部分固定在壩體迎水面水位之上，傳感器部分沿著迎水面放入庫水中。在本次試驗中選擇緊貼著開孔隔板將傳感器布置在蓄水區中，在數據傳輸線與開孔隔板頂部的交點處用膠帶進行固定，具體布置見圖2。

如圖2所示，本次試驗分別在x=1、10、20、30、39cm處布置了數據傳輸線，每條數據傳輸線上有5個傳感器，每個傳感器長3cm、寬1cm，測量的是傳感器中心點處的電導率，中心點的y軸坐標分別為y=1.5、9.5、17.5、25.5、33.5cm。這樣就完成了25個傳感器的布置，傳感器采集的數據通過數據傳輸線、集線器進行傳輸，最終保存在數據采集系統中。

2.1.3 溶質投放裝置

本次試驗溶質投放裝置采用內直徑為40mm的PVC管，該管長200mm，下半部分管壁均勻開孔，開孔率為30%，并在開孔部分外側裹上濾網，防止氯化鈉直接漏出。試驗時將PVC管固定在模型槽左側壁并浸入水下，從孔口加入氯化鈉即完成投放溶質的操作。

2.2 試驗材料

試驗用水為自來水，所用自來水的電導率穩定在280μS/cm，溶質采用氯化鈉，氯化鈉溶液的電導率與質量濃度的關系如圖3所示。

由此可以認為氯化鈉溶液的電導率值與濃度成正比，可以用電導率來代替濃度值進行分析。

2.3 試驗方案

主要試驗過程分為兩個部分。

第一部分，探究無滲漏通道入口時溶質在壩體迎水面的分布情況。將開孔隔板上的開孔全部封住，向模型槽蓄水區通水，至水深為40cm后停止通水；將溶質投放裝置固定在模型槽左側壁中間，并使溶質投放裝置底部浸入水面以下5cm，隨后從孔口向其中加入100g氯化鈉粉末，完成溶質投放；將完成溶質投放的時刻記為0時刻，此時開啟數據盒記錄傳感器測量數據，數據盒每隔1s記錄一次數據，180s后結束記錄。

第二部分，探究有滲漏通道入口時溶質在壩體迎水面的分布情況。首先將隔板上1號開孔打開，保持其他孔為封閉狀態，以模擬壩體在1號開孔位置出現滲漏通道入水口的情況，向模型槽蓄水區通水，直至水深為40cm，不斷調節通水流量以保證蓄水區水深保持在40cm，待蓄水區水深及右側壁開孔排水量均穩定后，可以認為整個試驗裝置的流場已經處于穩定狀態。之后的溶質投放以及數據記錄與第一部分試驗一致。整個流程完成即完成1號開孔打開情況下的試驗后，依次打開2、3、4、5、6號開孔（每次試驗只有一個開孔打開，其余保持封閉），完成第二部分試驗。

3 試驗數據分析

對無滲漏通道入口試驗的數據進行分析發現，除y=33.5cm的5個傳感器讀數始終不發生變化外，其他傳感器的讀數均發生明顯變化，并且最早在t=60s時這些傳感器的讀數發生明顯變化。取t=60s時25個傳感器的讀數，利用Surfer軟件畫出這25個傳感器所構成區域的電導率等值線圖，如圖4所示。從圖4可以看出，在無滲漏通道入口情況下，當溶質運移到隔板處時，隔板平面上某一點的溶質濃度只與該點的y值有關，即只與深度相關。

對有滲漏通道入口試驗的6組數據進行分析，發現除y=33.5cm的5個傳感器讀數始終不發生變化外，其他傳感器的讀數均發生明顯變化，并且6組數據中傳感器讀數都是最早在t=45s時發生明顯變化，與無滲漏通道入口試驗中最早在t=60s時傳感器讀數均發生明顯變化相比提前了，說明滲漏通道入口的存在加快了溶質的運移速度。6組數據均取t=45s時25個傳感器的讀數，利用Surfer軟件畫出這25個傳感器所構成區域的電導率等值線圖，如圖5所示。

從圖5可以看出，當滲漏通道入口存在時，隔板平面電導率等值線會在某些區域存在異常凸起現象。為了將這種異常凸起與正常的等值線起伏區分開，以及為了具體確定異常區域的范圍，可以通過以下3個步驟進行異常區域的框選：①首先找到等值線圖中同時存在多條等值線產生凸起并且凸起程度明顯的區域，如圖5（a）左上角和圖5（b）中間位置等，將這些區域作為檢測區域。對于其他一些有等值線起伏，但起伏等值線數量少及起伏程度小的區域，視為正常等值線的起伏，如圖5（c）左上角及圖5（f）左下角等。②將等值線從水平轉為凸起的點稱為轉折點，轉折點處的切線與水平方向的夾角稱為等值線的凸起角，以凸起角大于30°為標準對檢測區域的等值線進行檢驗，可得到上下兩條邊界等值線。③將上下兩條邊界等值線的轉折點及上邊界等值線的最高點作為邊界點，以邊界點為限制作一長方形，將此長方形區域作為等值線異常區域。

圖5（a）完整地體現了這3個步驟，虛線框代表最終的異常區域，同理對圖5（b）～（f）進行處理。已知滲漏通道會導致異常流場的產生，此異常流場最重要的特點就是水流速度矢量場指向滲漏通道的入水口，這就導致溶質向滲漏通道入口聚集，進而產生電導率偏高的現象，因此可以判斷虛線框標注的部分包含滲漏通道入口的位置。用虛線框的中心位置代表試驗推測出的滲漏通道入口中心位置，與實際的滲漏通道入口中心位置進行對比，見表1。

從表1可以看出，通過電導率等值線圖推測的滲漏通道入口中心位置坐標與實際滲漏通道入口中心位置坐標相差很小，6組試驗中兩者中心點的最大距離為1.93cm，小于滲漏通道半徑（滲漏通道半徑為2.5cm）。說明推測的中心點一直保持在實際滲漏通道入口平面內，證明通過探測溶質在水域中的分布可以準確判斷出水庫滲漏通道入口的位置。

4 結 論

（1）通過室內模型試驗，驗證了溶質場探測水庫滲漏通道入口的可行性。即通過在水庫上游合適位置投放溶質，然后探測壩體迎水面的電導率分布情況，根據滲漏通道入口處電導率會明顯偏大的理論，可以判斷出探測區域是否存在滲漏通道入口。與傳統的流場擬合法相比，克服了需要滲漏點與周圍介質存在明顯電性差異的缺點。

（2）將電導率明顯偏大區域的中心點作為滲漏通道入口中心點，該點與實際滲漏通道入口中心點距離較小，一般可以保持在實際滲漏通道入口平面內，說明溶質場探測水庫滲漏通道入口具有較好的精度。

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【責任編輯 張華巖】