基于示蹤試驗的水庫滲漏檢測應用研究

徐慶功

(遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110006)

近年來由巖體滲漏引發的水庫工程地質問題頻發[1]，由于水庫在修建過程中無法完全規避巖體節理裂隙[2]，巖體中滲流各向異性突出，水庫修建后，水壓力增大，節理裂隙進一步擴張，局部發育完善成為優勢滲流通道[3]。應用地下水示蹤試驗進行水庫大壩滲漏檢測分析，能較準確、及時查明滲漏部位，是一種高效的勘察手段[4]。地下水示蹤試驗，也稱為地下水連通性試驗，是在地下水上游投入一定量示蹤劑(通常選擇NaCl)，在預期能到達的部位進行取樣檢測，綜合分析地下水徑流方向，為防滲處理方案設計提供科學合理的依據[5- 6]。

1 工程概況

松茂水庫位于云南省昆明市，為黏土心墻砂殼壩，壩頂長267.9m，最大壩高29.7m，正常庫容859.08萬m3，總庫容1203.20萬m3，是一座中型水庫。該水庫發揮著灌溉、防洪、生產、綠化等社會經濟效益。

2 樞紐區工程地質條件

樞紐區溝谷總體呈“U”型，壩址左岸為NW方向突出的山脊地形，與右岸山體對比，較為單薄。兩岸山坡較陡，坡度25°～30°。壩址處溝谷較開闊，下游側逐漸狹窄。

樞紐區地表多為第四系松散堆積物覆蓋，兩岸壩肩有部分基巖出露，巖性為二疊系上統峨眉山玄武巖組(P2β)：灰綠-黃綠色，杏仁狀、氣孔狀、塊狀構造玄武巖，主要為高原式大陸噴發，夾少量基性玄武質凝灰巖。

按地下水賦存條件及運移形式，可分為松散孔隙潛水、基巖裂隙水2種。裂隙水主要賦存于強-新鮮基巖節理裂隙中，強風化巖層多呈中等透水層，弱風化巖層多為中等透水-弱透水層。孔隙水主要分布在第四系堆積層及全風化玄武巖中。

3 滲漏現狀分析

根據現有資料，施工期壩基清基不徹底，殘留的沖洪積層或殘坡積層與基巖接觸帶局部呈中等透水狀態。下部基巖雖然風化強烈，但節理裂隙多閉合，淺層局部張開的也以泥質充填為主，阻水性一般。

目前壩前蓄水位為2007.20m，蓄水位較低且較穩定，下游排水棱體前部溝槽出現明流，出水點共4處，分別為D1、D2、D3及D4位置，每處均分布多個出水點。各鉆孔位置布置如圖1所示。勘察期(為豐水期)流量分別為57、8、5、48L/min，4處總流量為118L/min。壩體其它部位未發現浸散區。

圖1 各鉆孔位置布置

鉆孔SZK2和鉆孔SZK6鉆探情況表明，兩側壩肩巖體破碎，節理裂隙發育，在高程1989m以上透水率介于15.6～83.2Lu之間，均為中等透水，鉆孔孔內地下水水位基本與庫水位一致，存在與庫水連通的可能，即存在繞壩滲漏問題。

繞壩滲漏量計算中，根據《水利水電工程地質手冊》中的相關內容，邊界條件按無壓流、層流考慮，采用的公式為：

Q=0.336·K·H·(H1+H2)·lg(B/r0)

(1)

式中，Q—滲漏量，m3/d；K—滲透系數，左岸取0.43m/d，右岸取0.46m/d；H—水頭差，m；H1—壩址滲漏層厚度，左岸取15.6m，右岸取19.5m；H2—下游滲漏層厚度，左岸取10m，右岸取6.5m；B—繞滲帶長度，左岸取250m，右岸取300m；r0—繞滲半徑，左右岸均取100m。

D1滲漏點，現水位年滲漏量約為3.0萬m3，而左岸繞壩滲漏年滲漏量約為1.32萬m3。D4滲漏點，現水位年滲漏量為2.52萬m3，而右岸繞壩滲漏量為1.16萬m3。據此斷定，D1、D4滲漏點滲出水量中有兩側山體地下水補充。

4 示蹤試驗

4.1 現場示蹤試驗布置

本次示蹤試驗滲漏分析是向大壩鉆孔內投入適當示蹤劑(本次試驗選擇工業鹽NaCl)，對投鹽前后壩腳滲水點進行取樣，檢測壩下滲漏水的電導率隨時間變化情況，得到時間濃度變化曲線，分析確定滲漏通道。投源孔分布于壩頂，共7處，為SZK1～SZK7。本次試驗取樣點共計7處，分別為D1、D2、D3、D4、壩下排水匯總處及庫區左右兩側庫水。

4.2 示蹤試驗時間與電導率變化曲線關系特征研究

根據地下水動力學基本原理，瞬時投源，示蹤劑濃度變化曲線理論上呈正態分布，單峰曲線[7]，如圖2所示。單峰曲線表明投源點滲流路徑單一，徑流通暢，示蹤劑濃度在達到峰值后被稀釋而逐漸減小[8]。

圖2 示蹤劑濃度隨時間呈單峰曲線

但由于地質條件復雜，土體中孔隙、基巖裂隙發育程度、延伸情況等不同，而導致雙峰或多峰現象[9]，如圖3所示。根據峰值高低、先后順序分為“先高后低”與“先低后高”。“先高后低”表明有2條滲流路徑，高峰值是主通道峰值，低峰值是支流峰值，由于受到主通道的稀釋而導致濃度降低[10]；“先低后高”表明也是2條通道，主通道發育有地下湖形成的鈍峰，直流通道流量小，但是濃度高，主、支匯合后形成高峰[11]。

圖3 濃度隨時間呈雙峰或多峰

實際檢測結果通常為雙峰或多峰型，由于示蹤劑通過多個滲流路徑，到達取樣點時間不同；在試驗期間有其它人工流場干擾；試驗期間工程區水位驟然變化，導致滲流路徑變化，接收點示蹤劑濃度也發生改變[12]。

試驗時電導率隨時間變化曲線出現明顯變化即可視為檢測到示蹤劑，但仍需持續多次檢測，方可保證結果的有效性[13]。

4.3 示蹤試驗過程

隨鉆探工作的進行，不定期開展示蹤試驗工作。期間對壩頂7個投源孔分別進行2～4次示蹤試驗，總計試驗20次，鉆探至設計孔深后采用直接投放NaCl鹽水的方式，隨即對壩下滲漏點取樣檢測。投示蹤劑前對各檢測孔取樣電導率測試，以確保不受前幾次試驗殘留示蹤劑影響。

4.4 示蹤試驗結果分析

4.4.1繞壩滲漏示蹤試驗數據分析

通過對壩肩地質情況及異常現象的分析，選取重點部位進行示蹤試驗。選取鉆孔SZK2、SZK6作為投源孔，壩腳溢出點D1、D2、D3、D4作為取樣檢測孔。

根據各檢測孔電導率變化情況，選取代表性曲線分析，D4接收孔電導率-時間關系曲線如圖4所示。SZK6鉆孔投鹽后，約12h后D4電導率緩慢上升，上升幅度較小，約40h后到達峰值，電導率最大上升50μg/L，58h后逐漸回落，呈單峰曲線變化。由此判斷SZK6鉆孔向D4方向存在一定滲流通道，為右岸繞壩滲漏，但滲漏量較小。

圖4 D4接收孔電導率-時間關系曲線

D1接收孔電導率-時間關系曲線如圖5所示。SZK2鉆孔投鹽水后，6h后D1電導率逐漸上升，上升速度較快，13h內出現峰值，電導率最大值升高100μg/L，且上升后較為穩定，測試時間內無回落跡象。說明SZK2鉆孔向D1方向存在明顯徑流，為左岸繞壩滲漏，且滲漏量較右岸大。

圖5 D1接收孔電導率-時間關系曲線

4.4.2壩基滲漏示蹤試驗數據分析

通過對壩基地質情況及個別異常地質現象分析，選取SCK3、SCK4、SCK5作為重點部位進行示蹤試驗投源孔，壩腳溢出點D1、D2、D3、D4作為取樣接收孔。根據檢測期間水樣電導率變化情況，電導率未見明顯異常變化，均在正常值范圍，說明壩基滲漏量較小。

5 結語

(1)左右岸接收孔均檢測到明顯示蹤劑變化，說明兩岸均存在繞壩滲漏問題。左岸電導率上升速度快，且測試時間內無回落跡象，說明左岸繞壩滲漏問題較明顯。壩基滲漏量較小，本次未檢測到明顯滲漏情況。

(2)地下水示蹤試驗是一項重要的水文地質技術，NaCl作為示蹤劑，具有方便快捷高效等特點。

(3)分析總結出多種示蹤試驗時間與電導率變化曲線關系特征，對成果解譯有指導作用。

(4)示蹤試驗應結合壓水試驗、地下水位觀測、孔內水溫觀測及地下水流速測定等方法綜合分析、驗證。滲漏檢測技術在方法、效率、準確性方面仍有待提高。