基于温度示踪原理的水库渗漏探测研究

陈 容

(大唐四川电力检修运营有限公司，成都 610031)

1 工程概况

某水电站工程位于甘肃省境内白龙江干流，其挡水建筑物为建基于深厚覆盖层上的混凝土面板堆石坝(坝高为111 m、覆盖层最大厚度为48 m)，水库正常蓄水位800.00 m，相应库容2.68亿m3，工程规模属Ⅱ等大(2)型工程。河床深厚覆盖层防渗采用混凝土防渗墙与帷幕灌浆相结合的方式，防渗墙墙顶长124 m，墙厚1.2 m，最大墙深41.5 m，墙底嵌入基岩1.0 m。防渗墙上设置单排帷幕灌浆孔，孔距1.5 m，深入防渗墙以下基岩内20～30 m。河床两岸趾板宽度为8 m、6 m和4 m三种。设置有2～3排固结灌浆孔，固结灌浆孔距3 m、排距1.5 m、孔深入岩8 m。在两岸趾板部位770.00 m高程以下设置主、副2排帷幕灌浆孔，770.00 m高程以上设置1排帷幕灌浆孔，孔距1.5 m。两岸坝头各设置有帷幕灌浆洞，右岸帷幕灌浆洞长40 m，左岸帷幕灌浆洞与左岸上坝高线交通洞相接，洞长50.5 m。左右岸帷幕灌浆洞内均设置1排帷幕灌浆孔，孔距1.5 m。帷幕灌浆设计深度深入相对隔水层透水率3.0 Lu线以下5.0 m，局部为2.0 Lu，帷幕防渗控制标准透水率小于3.0 Lu。

2 温度示踪法基本原理

水库大坝在没有集中渗漏的状态下，孔隙水只发生渗流，流动速度缓慢而稳定，土水间有充足的时间和充分的接触空间进行热交换[1]。因而其温度和土体(土体受地温影响)一致。当有渗漏发生时，渗漏通道中的水流速很快，和渗流水相比更接近渗漏源的水温。所以即使渗漏和渗流同源，渗流水温和渗漏水温往往相差很远[2]。温度差的存在必然产生热传导，渗漏水和土体间热量来不及充分交换，仅仅在通道边缘与周围土体进行部分热量交换，然后热量交换依次向周围推进。背景温度场就会在通道和周围改变很大，越远离渗漏通道温度改变越小，这就形成了具有一定特征的温度场。

由于堤坝孔隙水主要是库水通过缓慢渗流作用形成的，其次是降水通过垂向渗透缓慢渗入到含水层中，在长期运移过程中，堤坝孔隙水与地层中的矿物质作用发生溶解、物理化学反应、蒸发浓缩等作用, 水中的矿化度不断提高, 而集中渗漏通道中的水流要比正常渗流速度快的多，因而和渗漏作用范围内的地下水相比，渗流形成的地下水具有较高的电导值；或者渗漏通道作用范围内电导更加接近水库电导值[3]。因此，利用电导判断库水渗漏的依据及方法是：① 电导的比较是不同取样点数据的相对比较，可根据其数值大小定性判断不同点的流速相对大小；② 一般而言，库水的电导值最低。地下水的渗流过程会溶解周围含水层中的矿物质等，其流速越慢则电导数值越高，所以，形成库水强渗漏通道的时候，由于通道内渗漏水流速较高，相当于低电导库水流动较快，其流动过程增加电导值相对较小，所以渗漏通道内电导值比较低[4-5]。因此，可根据上述2条准则来探测水库大坝的渗漏情况。

3 渗漏探测及分析

3.1 温度电导测试

图1 观测孔及采样点分布图

为了对大坝的渗漏情况进行分析，在该大坝坝脚布置若干个水位观测孔，并对这些观测孔以及库水和尾水进行了温度电导测试，观测孔位置见图1。该大坝坝底水位观测孔UP2、UP4、UP6、UP8～UP16基本位于一条直线上，所以这排水位观测孔是判断该大坝坝体渗漏状况的最佳位置；UP1、UP3和UP5位于这条直线上方马道中部，能够观测坝体内水流情况；坝肩绕坝孔分别为OH2、OH6、OH7、OH8、OH11、OH12、OH16、OH19，其中由于坝左岸山体滑坡，导致了最靠近左岸的观测孔UP7被碎石掩埋，所以取靠近UP7的OH19代替。

3.2 温度电导分析

(1) 库区温度电导分析

在现场测试期间，对大坝库区温度电导测试总共分为3个点，分别位于库水1、库水2、库水3，并且对尾水进行2次测试。

从图2可以看出，测试点库水1处的温度随深度逐渐下降，电导在0～6 m之间变化较小，但在7 m以下变化较大。库水2的分层性得到明显的体现，深度0～24 m和25 m以下明显是2种水体，这里需要注意的是25 m以下出现低温水，温度降到10 ℃以下，估测更深层的库水温度更低。库水3所表现出来的规律和库水2规律相似。

从图3来看，尾水温度约为21 ℃，电导约为383 μS/cm，结合图2可以看出，无论从温度还是从电导，都表明尾水是来自于库水上部，即库水2及库水3中0～25 m区段的库水。

(2) 孔内温度电导分析

由于部分观测孔在坝底土层压力的作用下存在一定的变形，所以导致温度探头在部分观测孔中无法深入，其余观测孔则可深入8 m以上，孔内空气温度能够较准确地反映不同深度地层土壤的温度，典型观测孔温度随深度分布见图4。

由图4可知，观测孔内空气温度随高程降低而降低，两者具有一定的线性关系，一直持续到接触水为止。坝底同一条直线上的观测孔(大部分观测孔在高程702.00 m以下时接触水)在高程702.00 m时中间观测孔的温度低，越靠近两岸温度越高。所有观测孔中UP13观测孔内接触到水时的温度最低，为7.5 ℃，比UP13稍高的是UP5，水温为7.9 ℃，且UP5正好位于UP13上方马道上，顺着水流方向看，两者位于同一条直线上。同一时期发电尾水的温度较高，约为21 ℃，所以可以据此排除尾水影响。由于底层库水水温较低(低于7.5 ℃)，由热传导原理可以明确UP13中的异常低温水来源于库水底层，并且流量较大，低温的库水在往下游渗漏过程中温度会上升，下游测得的温度越接近库水温度表明渗漏通道中的库水补给越快，即为主要渗漏区。两岸观测孔的水温较高，其中左岸的OH19孔水温最高，达到14.3 ℃，右岸UP16也未测到低温，但是计算得到702.00 m空气温度为12.9 ℃，也比其他观测孔高。该数据表明两岸属于低渗漏区，渗漏水流速慢、持续时间长，温度就会高于主要渗漏区。

图2 库水1-3温度电导随深度分布图

图3 尾水温度电导随深度分布图

3.3 坝脚水位观测孔温度电导分析

由图5可以看出，UP13中水温较为稳定，约为7.5 ℃左右，远低于尾水温度21 ℃，更接近于底层库水的温度，因此可以断定UP13中水体受到地层底部低温热源影响，而与尾水无关。虽然随着大坝下游右岸的电站发电，尾水位上升，也会导致UP13中水位的上升，但是并不能回灌，即尾水位上升会导致UP13所在地层中的地下水位作出相应的提升，但是由于渗漏梯度的存在，使得尾水回灌的距离并不能抵达UP13。正是这种现象的出现才导致UP13中水体滞留时间较长，电导值变得较高，明显高于尾水和库水的电导值。从UP13电导值来看，现场测试期间UP13电导值相差较大，至于9月6日和7日的低电导，判断是由于受到现场注水试验的影响，注入钻孔内的水电导值约为280 μS/cm，大大降低了UP13中的水体的电导。而9月10日的高电导值，则是受到人工示踪试验的影响，使得UP13中水体的电导值居高不下。2次对OH19的温度电导测量都反映出相类似的规律，曲线形状相似，尤其是温度曲线，在14.4～15.2 ℃之间变化，大幅度大于UP13中的温度。2次测量的电导曲线都表现出上层水体电导偏小，深部电导偏大。

综合分析可以确定：地层深部存在集中渗漏通道，渗漏通道中心位于UP13钻孔所在地层下部，该渗漏通道中的低温渗漏水经热传导影响了附近地层的温度场分布，其中UP13受到该渗漏通道低温影响幅度最大，这也就致使UP13中水体温度最低，而UP6、UP14距UP13较远，其钻孔内水体温度也随之逐渐增大。UP10所在位置的温度及其距离都证明了UP13钻孔所在地层下部即是低温渗漏通道中心所处位置。

3.4 绕坝观测孔温度电导分析

左坝肩绕坝观测孔主要包括OH7、OH11、OH19，右坝肩绕坝观测孔主要包括OH2、OH6、OH8，OH12、OH16，限于篇幅现在主要分析OH7、OH11、OH2及OH6四个测孔。

从图6可以看出，除去表层空气温度的干扰，OH7钻孔内的水体温度和电导基本上都处于一个稳定不变的数值，温度稳定在17.1 ℃，而电导则稳定在540～560 μS/cm之间，可见OH7中水体成分单一，电导值偏大说明水体滞留时间较长，受库水影响较小。OH11中水体温度变化较小，在15.9～16.2 ℃之间变化，电导值在高程734.00 m以上差异较大，但是在高程734.00 m以下则稳定在300 μS/cm左右，电导值低于坝后库区，推测受到下降泉水的干扰。总的来说，左坝肩渗流状况良好，3个观测孔内的数据都表显出与库水的水力联系不大，可见库水绕左坝肩渗漏量是较少的，左坝肩目前处于较为安全的状况，但是也应做到继续观测。

图5 UP13、OH19温度电导随深度分布图

图6 左坝肩OH7、OH11温度电导随深度分布图

图7 右坝肩OH2、OH6温度电导随深度分布图

从图7可知，OH2中温度差异较大，高程752.00 m以上温度较高，约为19.3 ℃，推测受到边坡水温度影响，而高程750 m以下区段温度约为15.4 ℃左右，最低达到15.0 ℃。电导值相对较为稳定，在410～440 μS/cm之间变化，当然这其中还会受到温度的干扰。总的来说，OH2中水体主要来源于库区，但是在高程752.00 m以上区段受到边坡水影响，致使该区段水体温度较高。OH6的电导值与OH2相差较大，并且大幅度小于坝后库区，约为260～280 μS/cm左右，经现场检查发现右坝山体顶部存在泉水，其电导约为280～300 μS/cm左右，所以到OH6主要受右坝山坡水补给，OH8、OH12、OH16的温度电导规律和OH2相似。

综合以上分析，该大坝右坝肩的5个绕渗孔中，OH2电导值非常接近坝后库区，和库区水力联系较大，而与OH2相距不过10 m位于防渗帷幕后的OH6却和库区在电导值上差距非常大，和库区水力联系非常小，这两者足以说明该大坝右坝肩存在的绕渗较小。总的来说，该大坝右坝肩所存在的库水渗漏量较小，右坝肩处于较为安全的运营状态，但是从长期的安全运营角度出发，应对大坝右坝肩的绕渗孔继续观测。

3.5 综合分析

从前述分析可知，该水库大坝主要存在一条主要渗漏通道，该渗漏通道致使UP5和UP13中测得低温区段，其中UP5和UP13都处于该渗漏通道附近。从温度示踪来看，该渗漏通道的渗漏量较大。至于该渗漏通道所处高程，推断处于高程690.00 m以下更低高程处，应该是防渗墙底部存在的弱风化破碎带局部存在集中渗漏。左右坝肩存在微弱渗漏，相比主渗漏通道来说，渗漏量非常小。

4 结 语

本次渗流探测采用温度示踪法，结合坝体构造和工程地质情况，进行渗流场以及渗漏通道的研究，采用现场温度、电导测定，根据温度场，最终确定出了地下水渗流场分布。① 根据现场库水、钻孔、尾水、勘探洞渗水等处的温度电导测定和分析，大坝两侧左右坝肩绕坝渗流不明显，证明大坝防渗设计与防渗效果较好。从观测孔UP5和UP13中测得的低温区段来看，大坝坝基深部存在一条主要渗漏通道。由于2孔底部温度很低，只有7.5 ℃左右，这说明该渗漏通道的流速和流量较大。至于该渗漏通道所处高程，推断处于高程690.00 m以下更低高程处，应该是防渗墙底部存在的弱风化破碎带局部存在集中渗漏。② 根据现场孔内温度测试可知，UP5和UP13孔底部都存在极低温度，只有7.5 ℃左右，如此低的温度只能是低温库水在深部的渗漏通道快速补给所造成的。③ 虽然在本次探测中未发现较强的绕坝渗流，坝基的渗漏量也较小。但由于观测孔的管径较小，很多孔内可能存在挤压变形，致使探测仪器无法探测较深部位的渗流状况，所以在今后大坝的运行过程中，仍应继续维持各项观测，及时发现渗流异常状况，以保证大坝安全运行。

参考文献:

[1] 李端有,陈鹏霄,王志旺.温度示踪法渗流监测技术在长江堤防渗流监测中的应用初探[J].长江科学院院报, 2000, 17(S1):48-51.

[2] 李端有,熊健,於三大,王志旺. 土石坝渗流热监测技术研究[J].长江科学院院报, 2005, 22(06):29-33.

[3] 彭波,张得煊.利用红外热像技术探测土石坝集中渗漏的研究[J].科学技术与工程, 2016, 16(11):93-98.

[4] 吴勇.利用温度场探测土石坝渗漏问题的正反演研究--以南方某水库为例[D].南京：河海大学,2008.

[5] 陈建强.大中型水库土石坝工程渗漏问题及处理方法分析[J].农业科技与信息, 2016(12):154-155.