聯合示蹤探測方法在石梁河水庫大壩滲漏中的應用

劉國慶,洪云飛,王 蔚,趙洪波,烏景秀,范子武

(1.南京水利科學研究院水工水力學研究所,江蘇 南京 210029; 2.水利部太湖流域水治理重點實驗室,江蘇 南京 210029)

我國水庫眾多,截至2018年底,已建各類水庫大壩98822座,總庫容達到8953億m3[1]。規模龐大的水庫工程不僅是我國防洪體系的重要組成部分,更是優化水資源配置的重要組成部分[2],在防洪、灌溉、供水、發電、水產養殖、生態等方面都發揮了重要作用。但水庫一旦發生潰決會造成嚴重的生命財產損失和惡劣的社會影響,水庫大壩潰壩風險始終是大壩建設與管理中的關鍵問題。根據水利部大壩安全管理中心大壩基礎數據庫數據,我國1954—2018年共發生了3541起潰壩事件,年均54.5起,年均潰壩率達萬分之6.3,其中2000—2018年就有84起水庫潰壩事件[3]。

我國的水庫大部分建于20世紀五六十年代,運行時間較久。李宏恩等[4]研究了中國水庫潰壩規律,結果表明,在因工程質量問題導致的土石壩潰壩案例中,因滲流問題導致的潰壩占23.68%,滲流問題導致的潰壩事故值得重點關注,其中以新老壩體、泄水建筑物與壩體結合部位及穿壩建筑物(涵管)導致的壩體滲漏問題最為突出。此外,雖然我國已開展了多輪病險水庫除險加固工作,但水庫除險加固措施均會對原壩體造成直接擾動,若設計、施工或運行不當極易產生嚴重的滲漏隱患。當水庫出現滲漏問題時,快速查找滲漏原因,準確確定滲漏位置和可能的滲漏通道,及時采取補救措施,對降低水庫大壩潰壩風險、保障水庫下游人民群眾生命財產安全和降低工程成本均具有重要意義。

傳統的滲漏探測方法主要有高密度電法、電磁法、彈性波法、綜合物探法、聲納法等。高密度電阻率法因對水比較敏感,常用于壩體滲漏勘察[5-10]。郭凱等[11-14]采用高密度電法裝置對國內多座大壩滲漏進行了高密度電阻率法探測試驗,試驗結果表明,高密度電阻率法可快速準確定位壩體滲漏區域。綜合物探法是通過兩種或兩種以上的物探方法進行勘探[15-16],趙志宏等[17]研究表明,采用綜合物探法既能發揮不同物探方法的優勢,又可利用各種方法的測試結果相互驗證,保證物探成果的可靠性;朱云峰[18]將高密度電法和地質雷達探測法聯合應用于泉州某水庫大壩滲漏探測中,推斷出了大壩防滲墻可能存在的缺陷位置以及形成的滲漏通道走向;蔣甫偉等[19]在山東省青楊堡水庫大壩滲漏探測中,聯合應用高密度電法和地質雷達探測法,探測出大壩滲流層存在較大壓差、壩體含水量較高、壩后存在滲漏等問題。聲納滲流探測法是根據聲波傳播速度順流向加大、逆流向減小的特點進行滲漏探測的[20],如劉迪等[21]通過聲納探測儀對于橋水庫大壩、溢洪道、放水洞進行滲漏聲納探測,查清了檢測區域的滲漏位置和滲漏量。

近年來示蹤技術在水庫大壩滲漏探測中逐步得到應用[22-25]。程和森等[26]比較了同位素示蹤方法和離子體耦合光譜分析(inductive coupled plasma emission spectrometer,ICP)化學示蹤方法的技術特點,并成功應用于浙江臨海牛頭山水庫大壩滲漏探測。邱輝陽等[27]應用水化學分析及基于示蹤技術的手段確定了某水庫大壩左壩廊道內異常涌水的滲漏源。韓文娟等[28]的示蹤試驗表明,示蹤成果可為確定水庫滲流通道和滲漏位置提供重要依據。鐘銓杰等[29]通過對某水庫大壩的示蹤試驗,確定了該大壩3號壩段庫前面板與廊道U3邊縫之間存在滲漏通道。沈添耀等[30]提出了一種基于高密度電法與綜合示蹤法的聯合探測方法,可以降低單一探測方法的局限性及不確定性,解決高密度電法成果解釋非唯一性問題。這些研究成果表明,天然水化學示蹤、ICP化學示蹤和同位素示蹤技術均是探測大壩滲漏的有效方法。

目前示蹤技術在水庫大壩尤其是大型水庫大壩滲漏探測中的應用研究并不多,而且天然水化學示蹤和ICP化學示蹤方法也很少聯合使用。單一的示蹤法獲得的大壩滲漏探測結果往往具有多解性,但采用多種示蹤方法相互印證、補充,可以大大提高分析的準確性,能更準確確定滲漏源與滲漏通道[31]。本文針對石梁河水庫北泄洪閘異常滲漏問題,聯合應用溫度場示蹤、天然水化學示蹤和ICP化學示蹤方法進行探測,直觀準確地查明了石梁河水庫北泄洪閘二級消力池冒水孔出水水體的主要滲漏源和滲漏路徑。

1 工程概況

石梁河水庫位于江蘇贛榆、東海與山東臨沭3縣區交界處,1962年建成,集水面積15365km2,總庫容5.31億m3,調洪庫容3.23億m3,興利庫容2.34億m3,是一座以防洪為主,具有綜合功能的大(2)型水庫,也是江蘇省最大的水庫。石梁河水庫具有防洪、灌溉、供水、發電、旅游等諸多功能,其中防洪主要是承泄新沭河上游和沂河、沭河部分洪水,擔負沂沭泗流域洪水調蓄任務,保障下游100萬人口及連云港市重要設施的安全。

2020年夏汛,石梁河水庫北泄洪閘長時間持續開閘泄洪,泄洪流量超過了歷史最高紀錄。9月中旬,石梁河水庫北溢洪閘二級消力池內有異常冒水現象,冒水孔周圍有大量砂、石濾料被帶出,冒水量較大,水頭達到1.7m左右。針對此次大壩滲漏事件,現場采取溫度場示蹤、天然水化學示蹤和ICP化學示蹤聯合探測方法,分析研究了北泄洪閘二級消力池冒水孔出水水體的滲漏源和滲漏路徑。

北泄洪閘位于主壩右側,閘底板高程14.00m(廢黃河零點,下同),其基礎為第四系地層,其下為基巖。周邊地質條件:①層為素填土,②層為黃褐色粉質黏土,③層為黃褐色中輕壤土,④層為棕黃色粉質黏土,⑤層為棕黃色含少量礫石的中、細砂,⑦層為淺黃色全風化片麻巖。北泄洪閘基礎含水層以第⑤層承壓含水層為主,滲透系數1.92×10-3～1.1×10-2cm/s。石梁河水庫北泄洪閘平面布置及測點位置如圖1所示。

圖1 石梁河水庫北泄洪閘平面布置及測點位置

2 示蹤探測方法與結果分析

2.1 溫度場示蹤

根據石梁河北泄洪閘二級消力池冒水孔周邊工程布局情況,如圖1所示,選取北泄洪閘上游庫區(庫北、庫南)以及北泄洪閘周邊19個測壓孔共計21個測點(其中12號測壓孔底部堵塞損壞,測量結果不計),量測20個測點水面以下水體溫度,水面以下每間隔0.5m測1個值,一共220個溫度值。同時量測北泄洪閘二級消力池冒水孔出水水體連續24h的溫度值,每隔0.5h測量一次,分析冒水孔出水水體溫度隨時間變化情況。

圖2為石梁河北泄洪閘二級消力池冒水孔周邊(約長300m、寬200m的矩形區域)不同測點縱向溫度場分布情況。根據各測點水面以下水體頂高程和底高程量測結果,各測點水面高程最高為23.5m,水體底高程最低為9.5m,選擇以高程11、15、21m分別代表北泄洪閘二級消力池冒水孔周邊水體的下層、中層和上層,圖3為冒水孔周邊下層、中層和上層水體水平溫度場分布。圖4為2020年10月24—25日北泄洪閘二級消力池冒水孔出水水體水溫變化曲線。

圖2 不同測點水體縱向溫度場分布

圖4 冒水孔出水水體水溫變化曲線

由圖2、圖3可知,庫區水體溫度場和測壓孔水體溫度場均隨深度變化,越深溫度越低,最高溫度分別為20.5℃和22.2℃,最低溫度分別為16.7℃和16.0℃。由圖4可知,冒水孔出水水體溫度場基本穩定,維持在16.1℃左右,且靠近冒水孔周邊其他測點溫度場中的溫度最低值,這個溫度與庫區底部溫度基本相同,而與庫區、測壓孔表層水溫相差較大,因此冒水孔出水水體滲漏源與水庫底部水體相關性較大。

2.2 天然水化學示蹤

各采樣點水樣水化學元素質量濃度測定結果如表1所示。從表1可知,9個測壓孔處各水化學元素質量濃度偏差較大,經分析,可能與前期測壓孔沖洗有關。庫南、庫北2個采樣點水樣各水化學元素質量濃度基本一致。

表1 各采樣點水樣水化學元素質量濃度和pH值

計算一級消力池、二級消力池、冒水孔、大坡西、大坡東、池塘(池塘一、二、三)采樣點水樣水化學元素質量濃度與庫水水樣(表1中庫北采樣點水樣)對應水化學元素質量濃度的比值來分析各個采樣點水化學元素的相關性,以及與庫水對應水化學元素的相關性。

b.冒水孔出水水體水樣與庫水水化學元素差異很大,質量濃度比值較大,其中Ca2+、Cl-、HCO3-、K+、Mg2+、Na+等元素偏差在50%以上,表明冒水孔出水不是直接來自庫水;若來自庫水,則必定發生了水化學反應,但需要進一步分析。

c.大坡西、大坡東水樣除K+以外,其余水化學元素質量濃度與冒水孔出水水體基本一致,但與庫水各水化學元素質量濃度比值差異較大,其中,大坡西水樣中K+質量濃度偏大可能是受面源污染所致。由此可判斷冒水孔、大坡西、大坡東為同一水源,因與庫水成分差異大,若為庫水,則發生了水化學反應。

2.3 ICP化學示蹤

ICP化學示蹤方法與傳統的放射性同位素示蹤法相比,具有無污染、工作周期短、成本低等明顯優勢。根據地下礦物質含量情況,此次選取與自然本底差異大且性質穩定的化學元素作為試驗的示蹤劑,共選擇了3種不同的示蹤劑,分別編號為1號、2號和3號示蹤劑。

在北泄洪閘19個測壓孔中選取閘南側(11號、13號和14號)、閘上(1號、5號和8號)、閘北側(16號、18號和19號)作為投放點,分別投放1號、2號、3號示蹤劑。在9個投放點采用同一時間、一次性投放的方式完成示蹤劑的投放,隨后在冒水孔、一級消力池、二級消力池、大坡東、大坡西5個采樣點用專用取樣器采集水樣,其中冒水孔前4天采樣頻率為每隔1h采樣1次,隨后每隔4h采樣1次;一級消力池、二級消力池、大坡東、大坡西4個采樣點每天采樣1次,連續采樣26天。試驗前在庫南、庫北、一級消力池、二級消力池、冒水孔5個采樣點各采取1個水樣,測定各采樣點3種示蹤劑自然本底值,結果如表2所示。

表2 各采樣點示蹤劑質量濃度自然本底值 單位:ng/mL

共檢測冒水孔出水水體水樣168個,一級消力池和二級消力池水樣各23個,大坡東和大坡西水樣各14個。通過ICP化學示蹤方法測定各采樣點水樣中3種示蹤劑的質量濃度,結果如表3和表4所示。

表3 大坡東、大坡西水樣示蹤劑質量濃度檢測結果 單位:ng/mL

表4 一級消力池、二級消力池水樣示蹤劑質量濃度檢測結果 單位:ng/mL

分析表2～4可知:①水庫周邊各采樣點水樣中3種示蹤劑自然本底值均較低,1號示蹤劑質量濃度在4.00ng/mL左右,2號示蹤劑質量濃度大多在0.35ng/mL左右,3號示蹤劑質量濃度大多在1.50ng/mL左右;②大坡東連續14天水樣中1號、2號示蹤劑未出現明顯峰值過程,表明閘門底部、閘南側與大坡東之間未形成明顯滲漏通道,3號示蹤劑質量濃度則增大近4500倍,表明閘北側與大坡東之間形成明顯的滲漏通道;③大坡西連續12天水樣中1號、2號示蹤劑未出現明顯峰值過程,表明閘門底部、閘南側與大坡西之間未形成明顯滲漏通道,3號示蹤劑出現兩個峰值過程,所采水樣的質量濃度由0.49ng/mL分別上升至1.01ng/mL和1.24ng/mL,表明閘北側與大坡西之間可能形成滲漏通道;④一級消力池連續21天水樣中1號、2號、3號示蹤劑均未出現明顯峰值過程,表明閘南側、閘上、閘北側與一級消力池之間均未形成滲漏通道;⑤二級消力池連續24天水樣中1號、2號示蹤劑均未出現明顯峰值過程,表明閘門底部、閘南側未形成明顯滲漏通道,3號示蹤劑在后期出現明顯上升,又由于二級消力池承接了大坡東含高質量濃度3號示蹤劑的來水,因此二級消力池與閘北側之間可能形成滲漏通道。

以3種示蹤劑自然本底值為基準對冒水孔出水水體水樣中示蹤劑檢測結果進行無量綱化處理(水樣示蹤劑質量濃度除以冒水孔出水水體示蹤劑自然本底值),得到冒水孔出水水體中各示蹤劑幅度變化曲線如圖5所示,可見連續26天冒水孔出水水體水樣中1、2號示蹤劑均未出現顯著的峰值過程,表明閘南、閘上與冒水孔之間未形成明顯滲漏通道;3號示蹤劑出現明顯多峰現象,其中峰值達到自然本底值5倍左右,表明閘北與冒水孔之間存在滲漏通道。

圖5 冒水孔出水水體中3種示蹤劑質量濃度變化曲線

3 綜合判定及成效分析

根據溫度場示蹤、天然水化學示蹤和ICP化學示蹤試驗分析結果,綜合判定石梁河水庫北泄洪閘二級消力池冒水孔出水水體滲漏源來自閘北側庫區底部水體,閘北側庫區底部水體經壩體滲漏后從二級消力池北側繞滲至出水點,滲漏路徑如圖6所示。

圖6 石梁河水庫北泄洪閘二級消力池出水水體滲漏路徑示意圖

根據上述分析結果,提出以下除險加固措施建議:①在原壩體順壩軸線方向150m范圍內,采用C30素混凝土建地下連續墻截滲,寬度45cm,墻頂以上采用12%的水泥土回填,在靠近北泄洪閘涵洞5m范圍內采用高壓旋噴樁截滲;在CS0+40處垂直壩軸線下游方向120m范圍內采用高壓旋噴樁截滲;②清理北泄洪閘下游二級消力池堵塞的冒水孔約480個,修復底部反濾層;③拆除重建北泄洪閘北側下游的北側翼墻至二級消力池末端攪拌樁圍封位置的護坡約530m2。根據上述建議,石梁河水庫于2021年實施了北泄洪閘滲流異常應急處理工程,堵住了滲漏通道,成功解決了二級消力池異常冒水問題。

通過采用溫度場示蹤、天然水化學示蹤和ICP化學示蹤聯合的示蹤探測方法,直觀準確地判斷出石梁河水庫北泄洪閘二級消力池冒水孔出水水體的滲漏源與滲漏路徑,使得除險加固工程能精準施工,縮短了施工工期,工程實際投資由原先預算的3000萬元減少到900多萬元,同時確保了石梁河水庫大壩及下游百萬人民群眾生命財產及連云港市重要設施的安全,直接經濟效益2000多萬元,間接經濟效益上億元。

4 結 語

采用溫度場示蹤、天然水化學示蹤和ICP化學示蹤聯合的示蹤探測方法,結果能相互印證、補充,可以精確定位滲漏水源,繪制滲漏路徑圖,對降低大壩滲漏損失具有重要意義,可在大壩滲漏探測中推廣應用,也可廣泛應用于全國各類型水庫大壩、河道、圩區堤防等滲漏問題的隱患排查、質量檢測、定性探測、安全評價以及防洪搶險等工作中。此外,該方法還可以應用于城市河網、湖泊污染溯源和污染物運移分析中,解決目前引水過程中水源不清、影響不明的難題。