温度和pH值检测法在观音岩水电站坝基渗漏分析中的应用

(中国水电基础局有限公司，天津 301700)

坝基渗流是影响大坝安全稳定的关键因素之一。水库蓄水后，在水头压力作用下，库水可通过坝体、坝基和坝肩向下游渗漏。水电站坝基渗漏引发的灾害性事故屡见不鲜，渗漏不仅影响水库的蓄水效益，而且可能威胁坝体的安全。根据相关资料统计，渗漏问题引起的失事事故占失事工程总数的40.5%[1-2]。为了对坝基渗流进行控制，坝基中通常会布置防渗帷幕、排水孔、排水廊道等渗控措施。及时发现坝基渗漏异常，防微杜渐是当今水电站渗控安全研究的重要课题，正确分析出现的渗漏问题并有针对性的进行防渗处理,对保证水库的蓄水效益和坝体的安全具有重大意义[3]。

水电站大坝坝基渗漏通道监测及准确判定是一项非常困难的课题，渗漏原因的探查和渗漏量的计算主要通过有限的钻孔直接揭露，或借助于大量地球物理勘探手段。由于高密度电阻率法、地质雷达探测法、流场法和瞬变电阻法等方法的多解性和不确定性，地球物理勘测手段在解决渗漏通道埋深大而空间尺寸相对较小的坝基渗漏问题时存在一定的局限性，操作性不强，且分辨率不高，在坝体整体的渗漏监测中往往达不到应有的效果[4]。

快速准确地查明坝基渗漏的主要来源及渗漏通道走向等情况，以科学合理地实施预防及除险加固措施，及时处理坝基渗漏带来的各种危险隐患，具有十分重要的意义。

观音岩水电站为金沙江中游河段规划的8个梯级电站中的最后1个梯级电站。枢纽主要由拦河大坝、泄洪冲沙建筑物、引水发电系统等建筑物组成。拦河大坝为由左岸、河中碾压混凝土重力坝和右岸黏土心墙堆石坝组合而成的混合坝。正常蓄水位1134m，装机容量3000MW。观音岩水电站水库蓄水之后，部分坝段基础排水孔渗水量相对较大，部分坝段渗压计监测的渗水压力较高，坝后两岸地下水位较蓄水前有明显抬高。

本文通过对观音岩水电站上下游河水、灌浆洞出水点、坝体渗水点、河水、溪水、泉眼水等外围环境及廊道内排水孔的水温和pH值进行检测，研究坝基渗水的渗漏量、温度、pH值等物理量关系，结合相关资料进行综合分析和研究，确定坝基渗漏的主要来源及通道走向，把错综复杂的问题化繁为简，取得了良好的应用效果，可为水库、水电站等堤坝工程中渗漏通道的监测提供借鉴。

1 观音岩电站水温和pH值监测

1.1 仪器选择

观音岩水电站消力池、出水口深部水温、大坝上游近坝深部水温检测采用铜电阻温度计直接测试，温度测试范围-30.0℃～70.0℃，温度测量误差±0.5℃。

上下游河水、灌浆洞出水点、坝体渗水点、河水、溪水、泉眼水等周边环境水温和pH值测试使用CLEANPH200便携式酸碱度测试仪的温度电极和pH电极检测。测试仪主要技术参数见表1。

表1 便携式酸碱度测试仪主要技术参数

1.2 检测方法

现场检测方式根据水量大小分为直接测量法和间接测量法。

ⓐ直接测量法：当测点的水量较大且温度电极和pH电极可以同时放入排水孔时，则直接测量排水孔水温和pH值；

ⓑ间接测量法：当测点的水量较小或温度电极和pH电极无法放入排水孔时，则先用玻璃杯或塑料瓶接满水后，通过测量杯内(瓶内)的水温和pH值，间接测量排水孔水温和pH值。

间接测量时，pH值与实际值无实质性变化，但水温可能受环境温度影响而升高或降低，因此为确保测试准确度，采取措施包括：接水和测量时，人体不接触杯体或瓶体；以最快速度接满水且一边接水一边测量，尽量获得更接近的温度值；多次、不同的环境温度下接水测量，温度差值在±0.5℃范围内为合格，取平均值为最终检测值；若环境温度高于测点水温，则取测试温度的极小值；若环境温度低于测点水温，则取测试温度的极大高。

1.3 结果分析

1.3.1 上游库水及下游河水的水温

检测期间上游库水水温呈现表层较高、底层较低的现象，水温随高程降低逐层降低并趋于稳定。表面1m内水温最高测值约为20℃，最低测值约为16℃，受环境影响大。底层水温稳定，最终稳定值约为14.5℃。

检测期间坝后出水口各层水温较稳定，约为15.5℃。此温度值与进水口处水温值相当。

检测期间坝后消力池各层水温较稳定，约为16.6℃。此温度值略高于出水口水温，与上游浅层库水处水温值相当。

综合分析上游库水及下游河水温度检测成果资料，可知上游库水的基本温度不超过16℃，下游河水与上游库水水温基本一致，均小于17℃。

1.3.2 上游库水和下游河水的pH值

检测期间，上游库水、出水口、下游河水pH值为8.3～8.5，消力池处水的pH值约为8，均呈弱碱性。

综合分析上游库水及下游河水pH值检测成果资料，可知pH值最低值大于8.0，呈弱碱性。

1.3.3 坝址区基础岩体与地下水温度及pH值

各基础岩体温度监测值基本稳定，统计坝基基础岩体温度计，温度范围为19.05℃～23.7℃，平均值21.7℃。

各测点地下水的温度均大于23℃，纯地下水的pH值小于7，而混入河水的pH值相对偏高，基本接近于河水pH值。

综合分析基础岩体温度和地下水温度资料，可知正常地下水的温度不小于基础岩体温度，即22℃，若经过长距离在地下岩体中渗流，温度应在23℃左右，正常地下水对应pH值小于7。

1.3.4 排水廊道内基础排水孔水温和pH值

对排水廊道内基础排水孔的水温和pH值测量后，绘制出基础排水孔温度及pH值检测成果频率分布统计图，如图1、图2所示。

图1 基础排水孔pH值频率分布

图2 基础排水孔水温频率分布

由图1可知，基础排水孔渗水pH值主要分布在8～12之间，平均值9.6。此数值明显高于上游库水的pH值，说明坝基地下水受灌浆及混凝土碱性影响大，最终认为pH值小于10时，对应区域的渗水可能与上游库水相关，但应与其他资料结合分析。

由图2可知，基础排水孔渗水温度分布主要分布在17℃～23℃，平均值19.9℃。

2 渗水运移过程中水温与pH值变化规律

正常情况下，基础岩体温度高于上游库水温度，地下水的pH值小于上游库水的pH值，因此若库水经过地下基础岩体运移，则水温应逐渐升高并逐步接近基础岩体温度，pH值逐渐上升并逐步接近混凝土的pH值。结合温度与pH值检测成果，可以得出在渗水运移过程中水温与pH值的变化规律：

ⓐ若上游库水与下游河水直接相连，则上下游水的温度和pH值无变化。

ⓑ若上游库水经过基础岩体内部短时间、短距离的运移且渗水量较大时，则渗水温度将较上游库水温度有一定升高，但更接近上游库水温度，相应的pH值有上升趋势，pH值升高不明显。

ⓒ若上游库水经过基础岩体内部短时间、短距离的运移但渗水量较小时，则渗水温度将较上游库水温度有明显升高，渗水温度介于基础岩体温度和上游库水温度之间，相应的pH值有上升趋势，pH值稍有升高。

ⓓ若上游库水经过基础岩体内部长时间、长距离的运移但渗水量较小时，则渗水温度将升高至与基础岩体温度相当，pH值应有明显升高。在灌浆洞端头检测出的水温和pH值即反映这种情况。

ⓔ若上游库水经过基础岩体内部长时间、长距离的运移但水量较大时，则渗水温度将较上游库水温度有明显升高，渗水温度介于基础岩体温度和上游库水温度之间，pH值应变化不明显。

ⓕ经检测水泥浆液pH值为11.4，混凝土的pH值为12.9，受基础岩体固结灌浆、帷幕灌浆、化学灌浆处理孔段及混凝土影响区域，上游库水经过时其pH值将有所提高。pH值提高量的大小与渗水量有关，若渗水量小则流速小，水在碱性环境中的时间更长，碱浓度增大，表现为pH值增大；水量大则流速大，则水在碱性环境中的时间更短，碱浓度更小，表现为pH值减小。渗水pH值受影响因素较温度更大且更复杂，应结合温度、水量、灌浆及混凝土等情况分析。

3 各区域来水通道综合分析

大坝坝基通常布置有防渗帷幕和排水孔组成的渗控系统。观音岩水电站防渗帷幕包括坝踵附近的上游帷幕、坝趾附近的下游帷幕及厂房坝段的厂房帷幕。下游帷幕分别与上游帷幕和厂房帷幕衔接，构成坝基防渗封闭区域。防渗封闭区域内从上游到下游依次布置了上游主排、辅助排水、下游主排和厂房排水[5]。对各排水廊道排水孔渗水量统计见表2。

表2 排水孔渗水量统计

结合渗压、渗流、水位孔等监测资料以及相关检测资料，进一步分析坝基渗水或压力异常偏高部位与上游水位的相关性，绘制出水温、pH值等值线分布如图3、图4所示。

图3 坝基pH值等值线分布

图4 坝基水温等值线分布

由图3、图4可知，当排水通畅时渗压值低，排水受堵时渗压值高，但各区域来水通道有一定区别：

ⓐ9号坝段基础渗水水压主要受左岸帷幕端头绕渗来水影响，上游来水对其有影响但相对较小。

ⓑ14号坝段和16号坝段基础渗水水压主要受上游来水影响，来水可能穿过帷幕或者绕过帷幕底部，左岸来水对其有影响但相对较小。

ⓒ河中17号～19号坝段渗水与上游库水相关较明显，渗水主要来源于帷幕浅部部位。

ⓓ右岸20号坝段以右渗水可能来源于右岸帷幕端头绕渗来水或从22号坝段～24号坝段位置的帷幕及帷幕底部绕渗来水。

ⓔ厂房片区基础渗水水压在一定程度上受上游来水影响较下游或其他方向来水影响大。

4 渗漏异常区分析

4.1 异常渗水温度及pH值确定

上游库水和下游河水的基本温度不超过17℃，pH值最低值大于8，呈弱碱性；而正常地下水的温度不小于22℃，对应pH值应小于7。结合水温和pH值空间变化规律，将不同区域的渗水可能与上游库水相关性划分为以下四类异常等级：

a.一类异常。水温小于17℃、pH值为10.5～11.9，渗水量较大。推测渗水为透过帷幕来水，集中性多点中量渗透，渗水点深度主要在帷幕的浅部～中深部。

b.二类异常。水温为17℃～20℃、pH值为9.7～11.2，渗水量较大。推测渗水较大可能为透过帷幕来水，或绕过帷幕底来水，渗水点埋深较大。

c.三类异常。水温较接近地下水温度(19℃～21℃)、pH值小于10，渗水量较大。推测存在渗水为透过帷幕来水的可能，但可能性较二类异常小。

d.四类异常。水温基本接近地下水温度(或等于地下水温度，水温大于21℃)、pH值小于10，渗水量较大。基本确定渗水不是透过帷幕来水，而是绕过两岸帷幕来水或(并混入部分)地下水。

4.2 上游帷幕渗漏异常区分析

上游帷幕渗漏异常区从左岸至右岸主要分为5个区域：

a.异常①区。该区域为二类异常区，位于10号坝段～16号坝段，水温较低(17℃～20℃)、pH值9.7～11.0，渗水量较大。此异常区通过帷幕后向右岸下游发展，水温和pH值逐步升高，至16号～18号坝段下游帷幕结束。

b.异常②区。该区域为一类异常，位于18号坝段～19号坝段，水温小于17℃、pH值为10.6～11.7，渗水量大。此异常区通过帷幕后向右岸下游发展，水温逐步升高，pH值变化不大，至第3纵向排水廊道结束。

c.异常③区。该区域为一类异常，位于20号坝段右侧～24号坝段左侧，水温小于17℃、pH值为10.5～11.4，渗水量大。此区异常通过帷幕后，向右岸下游发展，水温逐步升高，pH值有一定升高，至24号坝段～25号坝段下游帷幕结束。

d.异常④区。该区域为三类异常，位于25号坝段～26号坝段，主要表现为水温较接近地下水温度(19℃～21℃)、pH值小于10，渗水量较大。此区异常通过帷幕后，向下游发展，水温逐步升高，pH值变化不大，至第2纵向排水廊道结束。

e.异常⑤区。该区域为三类异常，位于30号坝段～31号坝段，主要表现为水温较接近地下水温度(19℃～21℃)、pH值小于10，渗水量较大。此区异常通过帷幕后，向下游发展，水温逐步升高，pH值变化不大，至第2纵向排水廊道结束。

4.3 下游帷幕渗漏异常区分析

下游帷幕渗漏异常区从左岸至右岸主要分为2个区域：

a.下游异常①区。该区域为三类异常，位于21号坝段～22号坝段下游，主要表现为水温较接近地下水温度(19℃～21℃)，推测渗透类型主要表现为面积性多点小量渗透，渗水点深度主要在帷幕的底部，主要影响21号坝段～22号坝段下游帷幕附近区域，此区域渗水也可能同时受上游异常③区来水影响；

b.下游异常②区。该区域为三类异常，位于24号坝段右侧～25号坝段下游，主要表现为水温较接近地下水温度(19℃～21℃)，推测渗透类型主要表现为面积性多点小量渗透，渗水点深度主要在帷幕的底部，主要影响24号坝段右侧～25号坝段下游帷幕附近区域，此区域渗水也同时可能受上游异常③区来水影响。

5 结 语

观音岩水电站大坝坝基渗漏通道监测及判定，采用水温和pH值监测的方法，通过深入分析研究坝基渗水运移过程中的水温与pH值变化规律及对应的渗透类型，成功确定了坝基渗漏的主要来源及通道走向。温度和pH检测法具有无损伤、干扰小、成本低等优点，使用的检测仪器简单且操作方便，可广泛应用于水电站坝基渗漏监测及探查工作中。