小型水库堤坝防渗漏监测研究

库尔班·艾克木，阿斯古丽·吐尼亚孜

(塔里木河流域阿克苏管理局，新疆 阿克苏843000)

0 引 言

大坝是水库的重要组成部分，随着水库运行时间的增加，受施工因素和地质因素影响，水库堤坝开始出现安全隐患。堤坝渗漏和管涌是水利工程中破坏强度最大的地质灾害，此灾害的产生主要受坝体和坝基所处的地质条件和水动力条件影响［1］。目前，我国一般采用钻孔取样、人工巡查、地球物理探测的方式来测量渗漏情况，并不能准确测量堤坝渗漏的发展情况。综合国内研究情况，学者们提出的水库堤坝渗漏测量方法主要有:渗漏部位电导率法、高密度电阻率法、流场法、瞬变电磁法等。这些方法虽然在一定程度上可以监测坝堤隐患的动态变化，但是探测结果仅能用于堤坝防治。地下磁流体探测法是一种新型监测方法，其场源为天然电磁场，无需人工电源，以天然电磁波为信号载体，穿透力较强。较电阻法相比有很强的抗干扰能力，可以迅速地划分岩层界面，确定渗漏点位置。本文基于新疆帕满水库的运行情况，从堤坝渗漏特征出发，讨论了导致小型水库渗漏的原因，并提出了基于地下磁流体的渗漏监测方法。

1 工程概况

帕满水库位于我国新疆塔里木河流域，行政区划属于阿克苏地区沙雅县，西侧为牧场，南侧为塔里木河，供给沙雅县和库车县的7个农牧场灌溉用水，总灌溉面积为5 700 hm2。帕满水库建设于1972年，施工质量较差，坝体和坝基等部位存在众多安全隐患。水库原设计容量为4 800 万m3，安全运营额定容量为4 000 万m3，设计水位为959.4 m，淹没面积为35 km2，主大坝长度11.1 km，南侧副坝长度6.2 km。该水库通过渠道从塔里木河引水，渠道引最小流量4.37 m3/s、设计流量21.39m3/s、加大流量25.56 m3/s，3 种流量分别对应的塔里木河水位分别为962.38 m、963.54 m和963.66 m。帕满水库1 号闸修筑于1993年，其由两孔引水闸、三孔泄洪闸、两孔分水闸共同组成，当塔里木河水位较大时，出现闸上翻水。2010年，洪水冲毁帕满水库的泄洪渠与塔里木河交汇处右堤2 km。主汛期将出现漫滩水，冲刷引水渠堤和泄洪渠堤。水库安全超高水位确定为965 m。

1999年帕满水库出现50 a一遇的大洪水，在大坝东侧人工开口5 处，合计长度250 m，便于泄洪。目前大坝存在的问题有:迎水面护坡均已损坏，无法防护风浪;边坡水蚀损害严重，变成陡坎;坝体浸润线溢出点较高;主坝出现严重渗漏;坝后出现管涌。根据水库大坝相关安全规范，帕满水库为病险水库，塔里木河洪水对其有严重威胁，并影响大坝安全运行。

2 堤坝渗漏特征及原因

渗漏主要出现在坝址的特殊部位，这些地方一般存在导水性断层和岩溶通道。岩溶是指水对岩石化学溶解并伴随重力坍塌，在地下形成大小不同的空腔。深究帕满水库发生渗漏的原因，发生渗漏应该具备以下4个因素:①地形上存在山谷、洼地其海拔低于正常蓄水水位，分水岭厚度较小;②水库底部存在岩溶发育，并贯穿水库内外形成岩溶通道;③山谷与水库间没有地下水分水岭，或者其分水岭明显低于水库正常水位;④地表分水岭隔水层受到破坏，不能起到隔水作用。

管涌是指坝体岩土中较小的颗粒在水流的作用下严重大颗粒空隙移动或者流出坝体的现象。坝体出现管涌主要是由于本身介质特性和施工中监管不力，其主要与渗透力、水库水位、介质特性等因素有关。管涌一般出现在松软夹层、软弱岩石、非黏性土质等部位，病害处的土质颗粒直径相差悬殊，主要包括以下4 种情形:①粗大颗粒的平均直径是细小颗粒平均直径的10 倍以上;②大坝建筑岩体不均匀系数d60/d10≥10;③相邻的两种坝体建筑材料渗透系数比例K1/K2＞2 ;④渗透水流的水利梯度大于岩土临界水利梯度。

水库堤坝渗漏量估算一般采用解析法，对于帕满水库坝基渗漏量计算，认为其含有水层单一，水平厚度较小，其单宽渗漏量为:

式中:K1为第1 含水层的渗透系数;M1为第1 含水层的厚度;H 为大坝水头差;b 为坝基宽度一半。

经计算水库坝基每天的渗漏量为16 186 m3，年渗漏量可达590.81 万m3，此计算包含地下水的天然径流量。此处的天然径流量约为每年6.18 万m3，因此实际水库坝基年渗漏量为584.63 万m3。

3 地下磁流体渗漏监测方法

地下磁流体探测法是一种新型监测方法，其场源为天然电磁场，无需人工电源，以天然电磁波为信号载体，穿透力较强。其发射的电磁波遇到密度较大的裂缝或者溶洞就会发射反射，反射信号穿透地壳岩层传输到地表。与电阻法相比地下磁流体探测法有很强的抗干扰能力，可以迅速地划分岩层界面，确定渗漏点位置，其测量原理见图1。此技术是在三维物探技术的基础上增加时间尺度，完成四维测量。其根据麦克斯韦方程和电磁通量原理设计而成，探测频率已知，但是底层电阻率与水位地质结构相关。

图1 地下磁流体探测原理

针对帕满水库堤坝隐患问题，将该方法应用到水库堤坝防渗漏研究中，此方法可以可靠地获得堤坝附近的水活动情况，并能对地质发育做出预测。图2 为地下磁流体探测测量仪器连接示意图。

图2 地下磁流体探测测量仪器连接示意

测量仪器采取智能化信息采集手段，对静态信息定时采集，对动态信息进行高速采集，保证数据的实时性。利用软件对采集数据进行分析，并得出监测结果，指导水库防渗漏工作的开展。

4 结 语

随着水库运行时间的增加，受施工因素和地质因素影响，水库堤坝开始出现安全隐患。基于新疆帕满水库的运行情况，从堤坝渗漏特征和引起渗漏的原因出发，首先分析了管涌出现的原因，随后计算出帕满水库的实际年渗漏量为584.63 万m3。最后提出了一种基于地下磁流体的渗漏监测方法。希望为今后小型水库堤坝防渗漏监测提供帮助。

［1］范素芳. 坝堤渗漏监测关键技术及方法研究［D］. 长沙:湖南科技大学，2012.