綜合示蹤探測法在水庫滲漏探測及除險加固的應用

夏兵兵

（上海勘測設計研究院有限公司，上海 200434）

0 引言

水庫滲流問題是世界各國都是十分關注的，我國90%以上的水庫存在著滲漏情況，其中30%存在著較為嚴重的滲漏[1］。滲漏不僅造成了水資源的浪費，而且直接關系到大壩的安全運行。大壩的滲漏的原因非常復雜，如壩體施工質量問題引起的滲漏，庫水通過順河道斷裂帶或破碎帶產生的繞壩基滲漏，以及庫水通過斷裂帶繞壩肩產生的滲漏等。在堤壩滲漏勘探加固工程中，由于沒有查清堤壩滲透破壞產生的原因而造成的浪費在整個堤壩工程中占有相當的比例[2］。解決大壩滲漏問題的關鍵是調查清楚滲漏產生的原因以及確定滲漏通道所在的位置。常規的調查堤壩滲漏的方法包括：自然電位法、高密度電阻率法、瑞利波法、探地雷達、水位、水量平衡、鉆孔中滲漏流速測定、連通試驗等[3-6］。

本文利用多種探測方法，在南方某水庫滲流中成功探測到滲流通道與滲流量，并得到印證，在今后類似水庫加固工程中具有借鑒意義。

1 工程概況

1.1 工程背景

某水庫大壩建成后即出現滲漏，故在壩坡下游樁號0+325 附近堆設堆石棱體，設置反濾并建設量水堰，收集壩腳滲漏出水用于監測滲漏量的變化（見圖1）。隨著下游壩腳集滲設施的完善，水庫在正常水位81.8 m 運行時的滲漏量由加固前的33 L／s 增大到目前的40 L／s。滲漏水從堆石棱體的孔隙中涌冒出來。通過量水堰內收集的滲漏水量與庫水位的關系（見圖2），發現滲漏量與庫水位的變動存在一致性，可以確定量水堰中滲漏水來源于水庫（由于壩下邊坡匯水也流入量水堰，因此當有降雨時量水堰測得的滲漏量會呈尖峰狀）。

圖2 右壩肩三大施工區域

1.2 滲漏初步分析

根據長期監測與前期勘探，初步確定水庫主要滲漏形式為斷裂帶繞壩滲漏。以此為依據按照工序針對右壩肩、壩后山體以及庫區深大斷裂進行了庫水滲漏探測以及加固工作。如圖2 所示，按照施工的先后順序，確定了三塊區域—1 即右壩肩區域；2 即為山后繞庫路區域；3 即為推測F32 斷裂帶可能通過的區域。

2 滲漏探測

2.1 鉆孔勘探

據已掌握探測數據以及地勘資料，首先在水庫的右壩肩區域（加固區域一見圖3），設計了兩排施工鉆孔，分別是B-B'（鉆孔K505—K530），A-A'（K513.5-1—K523-2），見圖3。

圖3 右壩肩鉆孔分布

在對該區域施工時，根據鉆孔揭露的地質形態，發現此區域巖心狀況較復雜。在該區域中的位于B-B'截面上的鉆孔K0+510 具有非常明顯的特征，可以代表該區域的地下水滲流及巖層裂隙發育基本概況。從巖芯樣可以明顯的發現右壩肩明顯的裂隙發育以及裂隙中過水的痕跡。根據鉆孔巖芯編錄資料得到的鉆孔剖面上巖體裂隙發育分布見圖4。

圖4 右壩肩鉆孔裂隙發育分布

2.2 滲漏型式的確定

據已知的水庫滲漏的數據和庫水位高程的關系來分析，2010 年5 月～9 月的南方某水庫滲漏量與同期庫水位高程的關系曲線見圖5。

圖5 水庫高程與大三角堰滲流量關系

通常水庫滲漏量與庫水位關系曲線存在圖6中三種形式[7］。曲線A 所示為斜率不斷增大的形式，在該類形式下，水庫在壩體基本沒有滲漏或者滲漏量很小；曲線B 為斜率為固定值的形式，在該形式下，水庫的滲漏主要集中于壩體或者壩基的一些滲漏通道、裂隙以及破碎層；曲線C為比較特殊的情況，就是當水庫的壩體為一些巖體組合起來時，巖體之間存在裂隙產生滲漏，但是當庫水位升高之后，會對巖體產生較大的擠壓力，從而會使巖體之間的裂隙的寬度減小，在一定程度上使得滲漏量減少。從圖中可以明顯看出，隨著庫水位升高，滲漏量不斷上升，兩者相關曲線呈斜率不斷增大的趨勢，由此判斷該水庫壩體乃至壩基處不存在主要的滲漏通道。

圖6 典型水庫滲流量與水位關系

2.3 滲漏源頭確定

水庫安全鑒定資料顯示（圖7），庫水位高程在70 m 附近變化時，滲漏量變化有一個明顯的臺階“跳躍”，在庫水位低于70 m 時，滲漏量處于較低水平，大約為6 L／s，該數值為水庫正常滲流值，而當水庫水位高于70.56 m 時，滲漏量很快提升至一個較高水平，見圖4，藍線代表這個時期內水位高程的變化曲線，紅線代表這個時期內大三角堰單位時間滲漏量的變化曲線，所標出部分即為兩者同時“跳躍”變化的部分。

圖7 水位高程與滲漏量關系

說明庫底高程處于70.56 m 的區域存在較大滲漏，由地質勘探的水庫水下地形圖可知，庫底高程在70 m 左右的區域正是繞壩滲漏的源頭區域，見圖8。

圖8 南方某水庫水下地形圖庫尾部分

3 試驗驗證

3.1 單孔稀釋法

在K0+510 孔成孔后，利用單孔稀釋法，在鉆孔中投入示蹤劑（本項目采用常規食用鹽作為示蹤劑），利用溫度電導采集儀器，每間隔一段時間對孔內各深度電導值進行探測，觀測曲線見圖9。

圖9 示蹤試驗曲線

然后利用單孔稀釋原理[7］，通過計算轉換，得到整孔滲透流速分布見圖10。通過流速分析可以看出孔內有兩段明顯的大流速滲漏存在。上層的10 m～25 m 段，流速達到了5 m／d 左右；33 m～37 m 一段同樣存在著明顯滲漏，滲漏的范圍要小于上層，流速峰值也較小，但也有約4 m／d。將鉆孔內的溫度值也放在圖10 中，可以看出，由于上層滲漏的流速很大，滲漏段的溫度變化幅度很小，且溫度較高，在28.5℃左右；隨后溫度快速下降，在下層滲漏位置處溫度已降至25.5℃左右。

圖10 K0+510 孔中單孔稀釋法得到的滲漏流速及分布

由于右壩肩裂隙發育嚴重，并在孔中測量到了明顯滲漏情況。因此在鉆孔中進行灌漿加固，并取得了明顯的效果，2010 年10 月3 日對該區域鉆孔K0+525 進行灌漿加固，2010 年10 月4 日量水堰滲漏量立刻減少200 m3，2010 年10 月5 日滲漏量又減少150 m3，滲漏量明顯下降，見圖11，經過施工處理區域1 的滲漏探測與加固取得了較為明顯的效果。

圖11 10 月3 日K0+525 灌漿后滲漏量減少曲線

由于灌漿堵住了一部分上游來水，且該區域上部地層破碎范圍廣、程度大，沿邊坡方向的排泄通道依然存在，等到灌漿形成的漿體周邊的水位升高后，滲漏水又重新匯入到排泄通道中，并最終進入斷裂帶使量水堰水量又逐漸恢復到了初始水平。此變化過程示意圖見圖12。

圖12 灌漿后滲漏示意圖

在右壩肩采取的加固施工并不能根本上解決庫區繞壩滲漏問題。針對該區域地層復雜、施工難度大的特點，接下來將重點移至滲漏源頭—水庫右庫尾岸邊（即山后）的區域進行施工，即施工區域2，并設計了K690—K730 鉆孔進行勘探灌漿加固。

在對該區域進行了鉆探勘測及連續觀測后，通過以下幾個具有典型特征的鉆孔，可以說明該區域的基本概況，本文以K0+720 為例，見圖13。K0+720 鉆孔在孔深12 m～15 m 時，電導和溫度都出現下降的趨勢，說明該層位存在一定程度滲漏情況。

圖13 電導、溫度變化

該區域是滲漏源頭。首先通過的區域鉆孔揭露的地質資料發現，該區域的地層破碎狀況、松散層的范圍及巖層的復雜狀況遠高于右壩肩，在鉆探過程中，由于地層過于松散破碎，很難取得較全面巖心資料，且由于地理位置特殊，施工難度大，因此將工作重點重新轉移回山前右壩肩上壩，F32 斷裂帶可能通過的區域，滲漏通道的中下游地段—即區域3。

3.2 示蹤連通試驗

示蹤試驗方法現場試驗包括溫度場的測量、初始電導值測量及投源示蹤試驗測水平滲透流速三部分。現場選用食用鹽作為示蹤劑，試驗方法：將8 mm～10 mm 直徑的塑料管插入孔底，一個重物綁在它的下端有助于下沉，管的兩端都是開口的。將與從孔水位到孔底一段的塑料管內體積相等的示蹤劑溶液通過管上部的另一端注入管中。然后勻速慢慢將塑料管取出，使示蹤劑均勻地分布在全部水柱內。

圖14 全孔標注試驗示意

濃度分布曲線的測量次數必須選擇與示蹤劑稀釋的速率相一致。通常在實驗開始階段采用短時間間隔（例如每5 min或10 min）。1～2 小時后，測量增加的次數作為示蹤劑稀釋速度的函數。投源之前先測量電導本底值，記錄時間、孔號及電導值，利用投源器即刻測量電導值，由上至下放入探頭，每1m 記錄一次電導值數據，相隔15 min 左右重復一次測量，每個鉆孔如此反復測量4～5 次，隨著電導值的逐漸穩定，間隔時間也可以逐漸放寬，可以每隔30 min 測量一次。

2020 年4 月8 日在K0+627 孔內投入10 kg 食用鹽，并且為了使效果更加明顯，4 月9 日在該鉆孔內追加投入10 kg 食用鹽，然后連續對鉆孔內的電導值進行追蹤測量，在隨后的時間內，對下游量水堰內的電導值進行密集連續的追蹤測量，以確定K0+627 孔是否位于滲漏通道上。食用鹽投入到鉆孔中以后，鉆孔內電導值的分布有如的變化規律見圖15。

圖15 K0+627 鉆孔投入食用鹽后鉆孔內的電導值變化

從圖中可以明顯看出，孔內存在較強的滲透流速，示蹤劑彌散較快，通過該曲線計算得出該孔內的地下水流速，該孔處于強滲漏水平。在投源后對量水堰每一個冒水口進行持續觀測，量水堰2、4 號涌水點電導值有增大現象。可以認為2020 年4 月9 日接收到示蹤劑，11 日達到峰值，峰值濃度分別為115μs／cm、105μs／cm；2020 年4 月15 日左右恢復到本底濃度。濃度曲線見圖16。

圖16 K0+627 孔投源后量水堰出水口電導變化曲線

從圖中可以明顯看出，在20 年4 月8 日投入示蹤劑，量水堰2、4 號涌水點在4 月9 日開始有數據異常，在4 月10日達到峰值，后逐步下降至正常水平，這充分說明通過加固施工該區域與量水堰出水點實現了連通。

4 結論

（1）通過鉆孔、滲流量分析、示蹤法，分析出水庫滲漏是右壩肩F32 斷裂帶繞壩滲漏的原因，通過對三大區域的施工勘探加固過程，根據連續的對所有鉆孔的追蹤觀測、大量的連通試驗數據、鉆孔內的漏水情況及巖芯情況，進一步有力地證實了該區域F32 斷裂帶存在滲漏通道這一事實。

（2）后期灌漿加固施工在前期成功探測的基礎上，取得了較好效果。

（3）綜合示蹤法在水庫滲漏探測中中具有重要用途，并在實踐中不斷得以完善，該方法具有良好的推廣應用價值。