声纳渗流检测于桥水库大坝渗漏点的应用研究

刘 迪，李雪娇，于艳秋

（天津市引滦工程于桥水库管理处，天津 301900）

1 工程概况

于桥水库位于天津蓟县城东的蓟运河左支流州河上，控制流域面积2 060 km2，占州河流域总面积的96%，总库容15.59 亿m3，是一座以防洪、城市供水为主，兼顾发电等综合利用的大（1）型工程。水库枢纽工程包括大坝、放水洞（泄洪洞）、溢洪道和发电站等，溢洪道位于大坝左坝端（即南端），自库区进水口（桩号-0+190）到州河主槽（桩号1+651），全长1 841 m，设计泄量2 910 m3/s，最大泄量4 138 m3/s。中部2 孔为低孔，两侧各3 孔为高孔。放水洞（泄洪洞）位于大坝南端坝体内（桩号0+356），初建挖埋式马蹄形拱涵洞，为无压洞。1988年，利用原泄洪洞改建为放水洞，压力钢管直径为5 m，增设了于桥水电站。该水库是开发利用州河水资源、解决天津市工农业用水及城市居民用水的骨干工程，并承担重要的防洪任务，是引滦入津工程中十分重要的控制性调节枢纽。

于桥水库始建于1959年12月，由于当时工期紧，加之冬季施工，开挖处理不彻底，坝基未做有效防渗处理，坝体采用均质体防渗。后经1976、1995、2001年3 次较大的防渗加固处理，达到现有防渗规模。2012年利用“三维流速矢量声纳测量仪” 对水库大坝溢洪道底板的渗透性进行了测量，同时还对除险加固后的大坝防渗体的5 个断面的测压管进行了地下水渗透流速和渗流方向的现场测量。

2 声纳渗流检测原理

声纳渗流探测技术，是利用声波在水中的优异传播特性实现对水流速度场的测量。如果被测水体存在渗流，则必然在测点产生渗流场，声纳探测器阵列能够精细地测量出声波在流体中能量传递的大小与分布，依据声纳探测器阵列测量数据的时空分布，即可显示出渗流声源发出的方向；同时，利用渗流声源方向上的声纳探测器与探头顶部声纳探测器的距离和相位之差，建立连续的渗流场水流质点流速方程。

3 声纳渗流测量方法

声纳测量仪由测量探头、电缆盒、笔记本电脑三部分组成。仪器测量之前，通过室内标准渗流试验井进行渗流参数标记后，才能进行现场渗流测量。野外实验测量前，要先对测量仪器通电预热3 min，之后可把测量探头放到水面以下的溢洪道底板上测量其隔水底板的渗漏流场分布数据。如果是水文地质孔，则把测量探头放入测量井孔内进行测量，测量的顺序是自上而下，从地下水位以下开始测量，测量点的密度为1 m，1 个测点上的测量时间是1 min，待测量完成，测量数据自动保存在电子文档中，再进行下一个点的测量，直到测量至孔底。

4 溢洪道声纳渗流试验

4.1 现场试验

现场试验布置包括：平行于溢洪道的闸门每3 m布置1 条直线，共计30 m、11 条线；垂直于溢洪道闸门，从左到右，沿着溢洪道的左边墙开始，间隔3 m作1 个标记，一共93 m、31 个测量点，单点控制面积3 m×3 m，共计测点341 个、面积2 790 m2；测量人员在船上沿着已经布置好的标记定点测量，单点测量时间60 s，测量探头放在水面以下的溢洪道的底板位置上； 考虑到闸室底板与闸门及闸墩之间发生渗漏的可能性，对墩尖、墩槽、墩门角、闸门面板等7 个重要点进行了测量，在闸室内沿着闸墩和闸门的边线测量了56 个测量点，测量面积400 m2，水下合计测点总数397 个、总面积3 190 m2。

测量时段的库水位高程19.39～19.29 m，平均水位19.34 m，被测量进水口的水下溢洪道底板中心有一梯形断面，中间两孔闸门的宽度为梯形进水渠的宽度。水下测量时有2 个水深值，中间两闸门前的水深为4.34 m，两边的6 个闸门前的水深为0.69 m。在上述溢洪道底板渗流状态下，实施声纳测量仪测流场的测量。

4.2 渗流量计算分析

通过进水口底板网格布置探测，得出声纳测量数据并进行了综合分析、计算、评估和整编。结果表明，声纳渗流测量出2 790 m2的溢洪道底板上渗漏的总水量是578 m3/d。垂直水流方向的平均渗流流速检测结果表明，4、5 号闸门对应的部位渗透流速较大，且左侧的渗透流速比右侧的稍大。顺水流方向的平均渗流流速检测结果表明，距闸门9m 处的平均渗透流速最大，且远处的渗透流速比近处的要大。溢洪道底板上有明显渗漏异常的只有2 个区域，其渗流量大于5 m3/d，其他区域渗流量均小于5 m3/d，属于非渗漏区。闸室内底板渗漏量是60 m3/d，闸室底板渗流显示1、3、4 和8 号闸门的渗水量较大，且闸门的两个角上的渗漏量稍大些。

5 大坝声纳渗流试验

5.1 现场试验

此次于桥水库大坝测量范围为桩号0+364-1+250，在869m 的长度内，新钻了5 个水文地质测孔，分别为D1、E1、F1、F2、G1。

D1 孔距放水洞涵洞2 m，距坝轴线10 m，桩号0+364，孔口高程28 m，测量孔深30 m。此点为测量放水洞发电涵管对应位置的渗流场的变化情况。E1孔位于放水洞的右侧，距坝轴线10 m，桩号0+500，孔口高程28 m，测量孔深29 m。F1、F2 孔位于主河床段的同一大坝断面上，距坝轴线F1 为6 m，F2 为40 m，桩号1+100；F1 孔口高程27.1 m，F2 孔口高程20.4 m；F1 孔深26 m，F2 孔深17 m。G2 孔处于大坝的中间位置，距坝轴线40 m，桩号1+250，孔口高程20.4 m，测量孔深19 m。钻孔岩心所揭露的岩土层序是：筑土层、黏性土、角砾和碎石、全风化白云岩与强风化白云岩等。

5.2 渗流量计算分析

经过现场数据采集，对放水洞的渗漏检测孔以及大坝上的5 个水文地质渗流测量孔的大量声纳测量数据进行了综合分析、计算、评估和整编，结果表明：

（1） 桩号1+250 断面坝后G2 孔渗流方向指向下游左侧，同时G2 孔处在大坝的中间位置，此孔的平均渗透流速1.03×10-4cm/s，较其他各孔要大，渗流的方向为252～298 度。这说明此孔所测量位置有渗流异常，表明桩号1+250 右段防渗墙没有封闭坝基透水层，导致渗流有向左侧绕渗的现象。

（2） 桩号1+100 断面的F2 孔的平均渗透流速比F1 孔大，表明F2 孔内的水流来源不仅仅是F1方向；另外，F2 孔渗流方向与桩号1+250 的G2 孔一致，说明F2 孔渗漏水源是从桩号1+250 方向绕渗过来的。同时，桩号1+250 断面G2 孔流速较F1 和F2 都大，表明桩号1+250 断面的渗漏量比桩号1+100 断面大，而渗流方向为下游左侧，故认为桩号1+250 有向左侧断面的绕渗趋势。在桩号1+250 以右的坝段透水层没有封闭的情况下，存在向下游左侧的绕渗现象。

（3）在放水洞右侧的D1 钻孔进行渗流声纳探测，结果表面该孔在10.00 m 高程出现了最大渗透流速，渗流方向265～308 度。且正处在钢管的中间位置，渗流方向亦指向钢管，说明此处在没有外界干扰情况下，其渗透流速值所反映的发电钢管与放水洞之间的填筑材料的渗透特征略偏大，存在较小的渗流。

为了验证其测量的效果，分别在发电与不发电的两种管道渗流状态下，对D1 孔进行了对比测量，从声纳渗流图谱曲线就能够很直观看到渗流场的大小与对应的可视化声纳渗流测量图谱的关系，同在D1 孔测量动态（发电管）与静态（发电管与放水洞之间的自然渗水）声纳渗流信号的差异非常大。

6 结语

本文对于桥水库大坝、溢洪道、放水洞进行了声纳渗流检测，通过对现场数据采集、计算和综合分析，了解了所检测区域渗漏状况，查清了渗漏位置及渗漏量，为下一步采取针对性处理、保障工程运行安全提供了有效依据。