基于溫度示蹤原理的水庫(kù)滲漏探測(cè)研究

陳 容

(大唐四川電力檢修運(yùn)營(yíng)有限公司，成都 610031)

1 工程概況

某水電站工程位于甘肅省境內(nèi)白龍江干流，其擋水建筑物為建基于深厚覆蓋層上的混凝土面板堆石壩(壩高為111 m、覆蓋層最大厚度為48 m)，水庫(kù)正常蓄水位800.00 m，相應(yīng)庫(kù)容2.68億m3，工程規(guī)模屬Ⅱ等大(2)型工程。河床深厚覆蓋層防滲采用混凝土防滲墻與帷幕灌漿相結(jié)合的方式，防滲墻墻頂長(zhǎng)124 m，墻厚1.2 m，最大墻深41.5 m，墻底嵌入基巖1.0 m。防滲墻上設(shè)置單排帷幕灌漿孔，孔距1.5 m，深入防滲墻以下基巖內(nèi)20～30 m。河床兩岸趾板寬度為8 m、6 m和4 m三種。設(shè)置有2～3排固結(jié)灌漿孔，固結(jié)灌漿孔距3 m、排距1.5 m、孔深入巖8 m。在兩岸趾板部位770.00 m高程以下設(shè)置主、副2排帷幕灌漿孔，770.00 m高程以上設(shè)置1排帷幕灌漿孔，孔距1.5 m。兩岸壩頭各設(shè)置有帷幕灌漿洞，右岸帷幕灌漿洞長(zhǎng)40 m，左岸帷幕灌漿洞與左岸上壩高線交通洞相接，洞長(zhǎng)50.5 m。左右岸帷幕灌漿洞內(nèi)均設(shè)置1排帷幕灌漿孔，孔距1.5 m。帷幕灌漿設(shè)計(jì)深度深入相對(duì)隔水層透水率3.0 Lu線以下5.0 m，局部為2.0 Lu，帷幕防滲控制標(biāo)準(zhǔn)透水率小于3.0 Lu。

2 溫度示蹤法基本原理

水庫(kù)大壩在沒(méi)有集中滲漏的狀態(tài)下，孔隙水只發(fā)生滲流，流動(dòng)速度緩慢而穩(wěn)定，土水間有充足的時(shí)間和充分的接觸空間進(jìn)行熱交換[1]。因而其溫度和土體(土體受地溫影響)一致。當(dāng)有滲漏發(fā)生時(shí)，滲漏通道中的水流速很快，和滲流水相比更接近滲漏源的水溫。所以即使?jié)B漏和滲流同源，滲流水溫和滲漏水溫往往相差很遠(yuǎn)[2]。溫度差的存在必然產(chǎn)生熱傳導(dǎo)，滲漏水和土體間熱量來(lái)不及充分交換，僅僅在通道邊緣與周圍土體進(jìn)行部分熱量交換，然后熱量交換依次向周圍推進(jìn)。背景溫度場(chǎng)就會(huì)在通道和周圍改變很大，越遠(yuǎn)離滲漏通道溫度改變?cè)叫。@就形成了具有一定特征的溫度場(chǎng)。

由于堤壩孔隙水主要是庫(kù)水通過(guò)緩慢滲流作用形成的，其次是降水通過(guò)垂向滲透緩慢滲入到含水層中，在長(zhǎng)期運(yùn)移過(guò)程中，堤壩孔隙水與地層中的礦物質(zhì)作用發(fā)生溶解、物理化學(xué)反應(yīng)、蒸發(fā)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(nèi)的地下水相比，滲流形成的地下水具有較高的電導(dǎo)值；或者滲漏通道作用范圍內(nèi)電導(dǎo)更加接近水庫(kù)電導(dǎo)值[3]。因此，利用電導(dǎo)判斷庫(kù)水滲漏的依據(jù)及方法是：① 電導(dǎo)的比較是不同取樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的相對(duì)比較，可根據(jù)其數(shù)值大小定性判斷不同點(diǎn)的流速相對(duì)大小；② 一般而言，庫(kù)水的電導(dǎo)值最低。地下水的滲流過(guò)程會(huì)溶解周圍含水層中的礦物質(zhì)等，其流速越慢則電導(dǎo)數(shù)值越高，所以，形成庫(kù)水強(qiáng)滲漏通道的時(shí)候，由于通道內(nèi)滲漏水流速較高，相當(dāng)于低電導(dǎo)庫(kù)水流動(dòng)較快，其流動(dòng)過(guò)程增加電導(dǎo)值相對(duì)較小，所以滲漏通道內(nèi)電導(dǎo)值比較低[4-5]。因此，可根據(jù)上述2條準(zhǔn)則來(lái)探測(cè)水庫(kù)大壩的滲漏情況。

3 滲漏探測(cè)及分析

3.1 溫度電導(dǎo)測(cè)試

圖1 觀測(cè)孔及采樣點(diǎn)分布圖

為了對(duì)大壩的滲漏情況進(jìn)行分析，在該大壩壩腳布置若干個(gè)水位觀測(cè)孔，并對(duì)這些觀測(cè)孔以及庫(kù)水和尾水進(jìn)行了溫度電導(dǎo)測(cè)試，觀測(cè)孔位置見(jiàn)圖1。該大壩壩底水位觀測(cè)孔UP2、UP4、UP6、UP8～UP16基本位于一條直線上，所以這排水位觀測(cè)孔是判斷該大壩壩體滲漏狀況的最佳位置；UP1、UP3和UP5位于這條直線上方馬道中部，能夠觀測(cè)壩體內(nèi)水流情況；壩肩繞壩孔分別為OH2、OH6、OH7、OH8、OH11、OH12、OH16、OH19，其中由于壩左岸山體滑坡，導(dǎo)致了最靠近左岸的觀測(cè)孔UP7被碎石掩埋，所以取靠近UP7的OH19代替。

3.2 溫度電導(dǎo)分析

(1) 庫(kù)區(qū)溫度電導(dǎo)分析

在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試期間，對(duì)大壩庫(kù)區(qū)溫度電導(dǎo)測(cè)試總共分為3個(gè)點(diǎn)，分別位于庫(kù)水1、庫(kù)水2、庫(kù)水3，并且對(duì)尾水進(jìn)行2次測(cè)試。

從圖2可以看出，測(cè)試點(diǎn)庫(kù)水1處的溫度隨深度逐漸下降，電導(dǎo)在0～6 m之間變化較小，但在7 m以下變化較大。庫(kù)水2的分層性得到明顯的體現(xiàn)，深度0～24 m和25 m以下明顯是2種水體，這里需要注意的是25 m以下出現(xiàn)低溫水，溫度降到10 ℃以下，估測(cè)更深層的庫(kù)水溫度更低。庫(kù)水3所表現(xiàn)出來(lái)的規(guī)律和庫(kù)水2規(guī)律相似。

從圖3來(lái)看，尾水溫度約為21 ℃，電導(dǎo)約為383 μS/cm，結(jié)合圖2可以看出，無(wú)論從溫度還是從電導(dǎo)，都表明尾水是來(lái)自于庫(kù)水上部，即庫(kù)水2及庫(kù)水3中0～25 m區(qū)段的庫(kù)水。

(2) 孔內(nèi)溫度電導(dǎo)分析

由于部分觀測(cè)孔在壩底土層壓力的作用下存在一定的變形，所以導(dǎo)致溫度探頭在部分觀測(cè)孔中無(wú)法深入，其余觀測(cè)孔則可深入8 m以上，孔內(nèi)空氣溫度能夠較準(zhǔn)確地反映不同深度地層土壤的溫度，典型觀測(cè)孔溫度隨深度分布見(jiàn)圖4。

由圖4可知，觀測(cè)孔內(nèi)空氣溫度隨高程降低而降低，兩者具有一定的線性關(guān)系，一直持續(xù)到接觸水為止。壩底同一條直線上的觀測(cè)孔(大部分觀測(cè)孔在高程702.00 m以下時(shí)接觸水)在高程702.00 m時(shí)中間觀測(cè)孔的溫度低，越靠近兩岸溫度越高。所有觀測(cè)孔中UP13觀測(cè)孔內(nèi)接觸到水時(shí)的溫度最低，為7.5 ℃，比UP13稍高的是UP5，水溫為7.9 ℃，且UP5正好位于UP13上方馬道上，順著水流方向看，兩者位于同一條直線上。同一時(shí)期發(fā)電尾水的溫度較高，約為21 ℃，所以可以據(jù)此排除尾水影響。由于底層庫(kù)水水溫較低(低于7.5 ℃)，由熱傳導(dǎo)原理可以明確UP13中的異常低溫水來(lái)源于庫(kù)水底層，并且流量較大，低溫的庫(kù)水在往下游滲漏過(guò)程中溫度會(huì)上升，下游測(cè)得的溫度越接近庫(kù)水溫度表明滲漏通道中的庫(kù)水補(bǔ)給越快，即為主要滲漏區(qū)。兩岸觀測(cè)孔的水溫較高，其中左岸的OH19孔水溫最高，達(dá)到14.3 ℃，右岸UP16也未測(cè)到低溫，但是計(jì)算得到702.00 m空氣溫度為12.9 ℃，也比其他觀測(cè)孔高。該數(shù)據(jù)表明兩岸屬于低滲漏區(qū)，滲漏水流速慢、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，溫度就會(huì)高于主要滲漏區(qū)。

圖2 庫(kù)水1-3溫度電導(dǎo)隨深度分布圖

圖3 尾水溫度電導(dǎo)隨深度分布圖

3.3 壩腳水位觀測(cè)孔溫度電導(dǎo)分析

由圖5可以看出，UP13中水溫較為穩(wěn)定，約為7.5 ℃左右，遠(yuǎn)低于尾水溫度21 ℃，更接近于底層庫(kù)水的溫度，因此可以斷定UP13中水體受到地層底部低溫?zé)嵩从绊懀c尾水無(wú)關(guān)。雖然隨著大壩下游右岸的電站發(fā)電，尾水位上升，也會(huì)導(dǎo)致UP13中水位的上升，但是并不能回灌，即尾水位上升會(huì)導(dǎo)致UP13所在地層中的地下水位作出相應(yīng)的提升，但是由于滲漏梯度的存在，使得尾水回灌的距離并不能抵達(dá)UP13。正是這種現(xiàn)象的出現(xiàn)才導(dǎo)致UP13中水體滯留時(shí)間較長(zhǎng)，電導(dǎo)值變得較高，明顯高于尾水和庫(kù)水的電導(dǎo)值。從UP13電導(dǎo)值來(lái)看，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試期間UP13電導(dǎo)值相差較大，至于9月6日和7日的低電導(dǎo)，判斷是由于受到現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)的影響，注入鉆孔內(nèi)的水電導(dǎo)值約為280 μS/cm，大大降低了UP13中的水體的電導(dǎo)。而9月10日的高電導(dǎo)值，則是受到人工示蹤試驗(yàn)的影響，使得UP13中水體的電導(dǎo)值居高不下。2次對(duì)OH19的溫度電導(dǎo)測(cè)量都反映出相類似的規(guī)律，曲線形狀相似，尤其是溫度曲線，在14.4～15.2 ℃之間變化，大幅度大于UP13中的溫度。2次測(cè)量的電導(dǎo)曲線都表現(xiàn)出上層水體電導(dǎo)偏小，深部電導(dǎo)偏大。

綜合分析可以確定：地層深部存在集中滲漏通道，滲漏通道中心位于UP13鉆孔所在地層下部，該滲漏通道中的低溫滲漏水經(jīng)熱傳導(dǎo)影響了附近地層的溫度場(chǎng)分布，其中UP13受到該滲漏通道低溫影響幅度最大，這也就致使UP13中水體溫度最低，而UP6、UP14距UP13較遠(yuǎn)，其鉆孔內(nèi)水體溫度也隨之逐漸增大。UP10所在位置的溫度及其距離都證明了UP13鉆孔所在地層下部即是低溫滲漏通道中心所處位置。

3.4 繞壩觀測(cè)孔溫度電導(dǎo)分析

左壩肩繞壩觀測(cè)孔主要包括OH7、OH11、OH19，右壩肩繞壩觀測(cè)孔主要包括OH2、OH6、OH8，OH12、OH16，限于篇幅現(xiàn)在主要分析OH7、OH11、OH2及OH6四個(gè)測(cè)孔。

從圖6可以看出，除去表層空氣溫度的干擾，OH7鉆孔內(nèi)的水體溫度和電導(dǎo)基本上都處于一個(gè)穩(wěn)定不變的數(shù)值，溫度穩(wěn)定在17.1 ℃，而電導(dǎo)則穩(wěn)定在540～560 μS/cm之間，可見(jiàn)OH7中水體成分單一，電導(dǎo)值偏大說(shuō)明水體滯留時(shí)間較長(zhǎng)，受庫(kù)水影響較小。OH11中水體溫度變化較小，在15.9～16.2 ℃之間變化，電導(dǎo)值在高程734.00 m以上差異較大，但是在高程734.00 m以下則穩(wěn)定在300 μS/cm左右，電導(dǎo)值低于壩后庫(kù)區(qū)，推測(cè)受到下降泉水的干擾?？偟膩?lái)說(shuō)，左壩肩滲流狀況良好，3個(gè)觀測(cè)孔內(nèi)的數(shù)據(jù)都表顯出與庫(kù)水的水力聯(lián)系不大，可見(jiàn)庫(kù)水繞左壩肩滲漏量是較少的，左壩肩目前處于較為安全的狀況，但是也應(yīng)做到繼續(xù)觀測(cè)。

圖5 UP13、OH19溫度電導(dǎo)隨深度分布圖

圖6 左壩肩OH7、OH11溫度電導(dǎo)隨深度分布圖

圖7 右壩肩OH2、OH6溫度電導(dǎo)隨深度分布圖

從圖7可知，OH2中溫度差異較大，高程752.00 m以上溫度較高，約為19.3 ℃，推測(cè)受到邊坡水溫度影響，而高程750 m以下區(qū)段溫度約為15.4 ℃左右，最低達(dá)到15.0 ℃。電導(dǎo)值相對(duì)較為穩(wěn)定，在410～440 μS/cm之間變化，當(dāng)然這其中還會(huì)受到溫度的干擾。總的來(lái)說(shuō)，OH2中水體主要來(lái)源于庫(kù)區(qū)，但是在高程752.00 m以上區(qū)段受到邊坡水影響，致使該區(qū)段水體溫度較高。OH6的電導(dǎo)值與OH2相差較大，并且大幅度小于壩后庫(kù)區(qū)，約為260～280 μS/cm左右，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)右壩山體頂部存在泉水，其電導(dǎo)約為280～300 μS/cm左右，所以到OH6主要受右壩山坡水補(bǔ)給，OH8、OH12、OH16的溫度電導(dǎo)規(guī)律和OH2相似。

綜合以上分析，該大壩右壩肩的5個(gè)繞滲孔中，OH2電導(dǎo)值非常接近壩后庫(kù)區(qū)，和庫(kù)區(qū)水力聯(lián)系較大，而與OH2相距不過(guò)10 m位于防滲帷幕后的OH6卻和庫(kù)區(qū)在電導(dǎo)值上差距非常大，和庫(kù)區(qū)水力聯(lián)系非常小，這兩者足以說(shuō)明該大壩右壩肩存在的繞滲較小。總的來(lái)說(shuō)，該大壩右壩肩所存在的庫(kù)水滲漏量較小，右壩肩處于較為安全的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，但是從長(zhǎng)期的安全運(yùn)營(yíng)角度出發(fā)，應(yīng)對(duì)大壩右壩肩的繞滲孔繼續(xù)觀測(cè)。

3.5 綜合分析

從前述分析可知，該水庫(kù)大壩主要存在一條主要滲漏通道，該滲漏通道致使UP5和UP13中測(cè)得低溫區(qū)段，其中UP5和UP13都處于該滲漏通道附近。從溫度示蹤來(lái)看，該滲漏通道的滲漏量較大。至于該滲漏通道所處高程，推斷處于高程690.00 m以下更低高程處，應(yīng)該是防滲墻底部存在的弱風(fēng)化破碎帶局部存在集中滲漏。左右壩肩存在微弱滲漏，相比主滲漏通道來(lái)說(shuō)，滲漏量非常小。

4 結(jié) 語(yǔ)

本次滲流探測(cè)采用溫度示蹤法，結(jié)合壩體構(gòu)造和工程地質(zhì)情況，進(jìn)行滲流場(chǎng)以及滲漏通道的研究，采用現(xiàn)場(chǎng)溫度、電導(dǎo)測(cè)定，根據(jù)溫度場(chǎng)，最終確定出了地下水滲流場(chǎng)分布。① 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)庫(kù)水、鉆孔、尾水、勘探洞滲水等處的溫度電導(dǎo)測(cè)定和分析，大壩兩側(cè)左右壩肩繞壩滲流不明顯，證明大壩防滲設(shè)計(jì)與防滲效果較好。從觀測(cè)孔UP5和UP13中測(cè)得的低溫區(qū)段來(lái)看，大壩壩基深部存在一條主要滲漏通道。由于2孔底部溫度很低，只有7.5 ℃左右，這說(shuō)明該滲漏通道的流速和流量較大。至于該滲漏通道所處高程，推斷處于高程690.00 m以下更低高程處，應(yīng)該是防滲墻底部存在的弱風(fēng)化破碎帶局部存在集中滲漏。② 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)孔內(nèi)溫度測(cè)試可知，UP5和UP13孔底部都存在極低溫度，只有7.5 ℃左右，如此低的溫度只能是低溫庫(kù)水在深部的滲漏通道快速補(bǔ)給所造成的。③ 雖然在本次探測(cè)中未發(fā)現(xiàn)較強(qiáng)的繞壩滲流，壩基的滲漏量也較小。但由于觀測(cè)孔的管徑較小，很多孔內(nèi)可能存在擠壓變形，致使探測(cè)儀器無(wú)法探測(cè)較深部位的滲流狀況，所以在今后大壩的運(yùn)行過(guò)程中，仍應(yīng)繼續(xù)維持各項(xiàng)觀測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)滲流異常狀況，以保證大壩安全運(yùn)行。

參考文獻(xiàn):

[1] 李端有,陳鵬霄,王志旺.溫度示蹤法滲流監(jiān)測(cè)技術(shù)在長(zhǎng)江堤防滲流監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用初探[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào), 2000, 17(S1):48-51.

[2] 李端有,熊健,於三大,王志旺. 土石壩滲流熱監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào), 2005, 22(06):29-33.

[3] 彭波,張得煊.利用紅外熱像技術(shù)探測(cè)土石壩集中滲漏的研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程, 2016, 16(11):93-98.

[4] 吳勇.利用溫度場(chǎng)探測(cè)土石壩滲漏問(wèn)題的正反演研究--以南方某水庫(kù)為例[D].南京：河海大學(xué),2008.

[5] 陳建強(qiáng).大中型水庫(kù)土石壩工程滲漏問(wèn)題及處理方法分析[J].農(nóng)業(yè)科技與信息, 2016(12):154-155.