综合示踪探测法在水库渗漏探测及除险加固的应用

2023-03-15夏兵兵

陕西水利 2023年2期

夏兵兵

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434）

0 引言

水库渗流问题是世界各国都是十分关注的，我国90%以上的水库存在着渗漏情况，其中30%存在着较为严重的渗漏[1］。渗漏不仅造成了水资源的浪费，而且直接关系到大坝的安全运行。大坝的渗漏的原因非常复杂，如坝体施工质量问题引起的渗漏，库水通过顺河道断裂带或破碎带产生的绕坝基渗漏，以及库水通过断裂带绕坝肩产生的渗漏等。在堤坝渗漏勘探加固工程中，由于没有查清堤坝渗透破坏产生的原因而造成的浪费在整个堤坝工程中占有相当的比例[2］。解决大坝渗漏问题的关键是调查清楚渗漏产生的原因以及确定渗漏通道所在的位置。常规的调查堤坝渗漏的方法包括：自然电位法、高密度电阻率法、瑞利波法、探地雷达、水位、水量平衡、钻孔中渗漏流速测定、连通试验等[3-6］。

本文利用多种探测方法，在南方某水库渗流中成功探测到渗流通道与渗流量，并得到印证，在今后类似水库加固工程中具有借鉴意义。

1 工程概况

1.1 工程背景

某水库大坝建成后即出现渗漏，故在坝坡下游桩号0+325 附近堆设堆石棱体，设置反滤并建设量水堰，收集坝脚渗漏出水用于监测渗漏量的变化（见图1）。随着下游坝脚集渗设施的完善，水库在正常水位81.8 m 运行时的渗漏量由加固前的33 L／s 增大到目前的40 L／s。渗漏水从堆石棱体的孔隙中涌冒出来。通过量水堰内收集的渗漏水量与库水位的关系（见图2），发现渗漏量与库水位的变动存在一致性，可以确定量水堰中渗漏水来源于水库（由于坝下边坡汇水也流入量水堰，因此当有降雨时量水堰测得的渗漏量会呈尖峰状）。

图2 右坝肩三大施工区域

1.2 渗漏初步分析

根据长期监测与前期勘探，初步确定水库主要渗漏形式为断裂带绕坝渗漏。以此为依据按照工序针对右坝肩、坝后山体以及库区深大断裂进行了库水渗漏探测以及加固工作。如图2 所示，按照施工的先后顺序，确定了三块区域—1 即右坝肩区域；2 即为山后绕库路区域；3 即为推测F32 断裂带可能通过的区域。

2 渗漏探测

2.1 钻孔勘探

据已掌握探测数据以及地勘资料，首先在水库的右坝肩区域（加固区域一见图3），设计了两排施工钻孔，分别是B-B'（钻孔K505—K530），A-A'（K513.5-1—K523-2），见图3。

图3 右坝肩钻孔分布

在对该区域施工时，根据钻孔揭露的地质形态，发现此区域岩心状况较复杂。在该区域中的位于B-B'截面上的钻孔K0+510 具有非常明显的特征，可以代表该区域的地下水渗流及岩层裂隙发育基本概况。从岩芯样可以明显的发现右坝肩明显的裂隙发育以及裂隙中过水的痕迹。根据钻孔岩芯编录资料得到的钻孔剖面上岩体裂隙发育分布见图4。

图4 右坝肩钻孔裂隙发育分布

2.2 渗漏型式的确定

据已知的水库渗漏的数据和库水位高程的关系来分析，2010 年5 月～9 月的南方某水库渗漏量与同期库水位高程的关系曲线见图5。

图5 水库高程与大三角堰渗流量关系

通常水库渗漏量与库水位关系曲线存在图6中三种形式[7］。曲线A 所示为斜率不断增大的形式，在该类形式下，水库在坝体基本没有渗漏或者渗漏量很小；曲线B 为斜率为固定值的形式，在该形式下，水库的渗漏主要集中于坝体或者坝基的一些渗漏通道、裂隙以及破碎层；曲线C为比较特殊的情况，就是当水库的坝体为一些岩体组合起来时，岩体之间存在裂隙产生渗漏，但是当库水位升高之后，会对岩体产生较大的挤压力，从而会使岩体之间的裂隙的宽度减小，在一定程度上使得渗漏量减少。从图中可以明显看出，随着库水位升高，渗漏量不断上升，两者相关曲线呈斜率不断增大的趋势，由此判断该水库坝体乃至坝基处不存在主要的渗漏通道。

图6 典型水库渗流量与水位关系

2.3 渗漏源头确定

水库安全鉴定资料显示（图7），库水位高程在70 m 附近变化时，渗漏量变化有一个明显的台阶“跳跃”，在库水位低于70 m 时，渗漏量处于较低水平，大约为6 L／s，该数值为水库正常渗流值，而当水库水位高于70.56 m 时，渗漏量很快提升至一个较高水平，见图4，蓝线代表这个时期内水位高程的变化曲线，红线代表这个时期内大三角堰单位时间渗漏量的变化曲线，所标出部分即为两者同时“跳跃”变化的部分。

图7 水位高程与渗漏量关系

说明库底高程处于70.56 m 的区域存在较大渗漏，由地质勘探的水库水下地形图可知，库底高程在70 m 左右的区域正是绕坝渗漏的源头区域，见图8。

图8 南方某水库水下地形图库尾部分

3 试验验证

3.1 单孔稀释法

在K0+510 孔成孔后，利用单孔稀释法，在钻孔中投入示踪剂（本项目采用常规食用盐作为示踪剂），利用温度电导采集仪器，每间隔一段时间对孔内各深度电导值进行探测，观测曲线见图9。

图9 示踪试验曲线

然后利用单孔稀释原理[7］，通过计算转换，得到整孔渗透流速分布见图10。通过流速分析可以看出孔内有两段明显的大流速渗漏存在。上层的10 m～25 m 段，流速达到了5 m／d 左右；33 m～37 m 一段同样存在着明显渗漏，渗漏的范围要小于上层，流速峰值也较小，但也有约4 m／d。将钻孔内的温度值也放在图10 中，可以看出，由于上层渗漏的流速很大，渗漏段的温度变化幅度很小，且温度较高，在28.5℃左右；随后温度快速下降，在下层渗漏位置处温度已降至25.5℃左右。

图10 K0+510 孔中单孔稀释法得到的渗漏流速及分布

由于右坝肩裂隙发育严重，并在孔中测量到了明显渗漏情况。因此在钻孔中进行灌浆加固，并取得了明显的效果，2010 年10 月3 日对该区域钻孔K0+525 进行灌浆加固，2010 年10 月4 日量水堰渗漏量立刻减少200 m3，2010 年10 月5 日渗漏量又减少150 m3，渗漏量明显下降，见图11，经过施工处理区域1 的渗漏探测与加固取得了较为明显的效果。

图11 10 月3 日K0+525 灌浆后渗漏量减少曲线

由于灌浆堵住了一部分上游来水，且该区域上部地层破碎范围广、程度大，沿边坡方向的排泄通道依然存在，等到灌浆形成的浆体周边的水位升高后，渗漏水又重新汇入到排泄通道中，并最终进入断裂带使量水堰水量又逐渐恢复到了初始水平。此变化过程示意图见图12。

图12 灌浆后渗漏示意图

在右坝肩采取的加固施工并不能根本上解决库区绕坝渗漏问题。针对该区域地层复杂、施工难度大的特点，接下来将重点移至渗漏源头—水库右库尾岸边（即山后）的区域进行施工，即施工区域2，并设计了K690—K730 钻孔进行勘探灌浆加固。

在对该区域进行了钻探勘测及连续观测后，通过以下几个具有典型特征的钻孔，可以说明该区域的基本概况，本文以K0+720 为例，见图13。K0+720 钻孔在孔深12 m～15 m 时，电导和温度都出现下降的趋势，说明该层位存在一定程度渗漏情况。

图13 电导、温度变化

该区域是渗漏源头。首先通过的区域钻孔揭露的地质资料发现，该区域的地层破碎状况、松散层的范围及岩层的复杂状况远高于右坝肩，在钻探过程中，由于地层过于松散破碎，很难取得较全面岩心资料，且由于地理位置特殊，施工难度大，因此将工作重点重新转移回山前右坝肩上坝，F32 断裂带可能通过的区域，渗漏通道的中下游地段—即区域3。

3.2 示踪连通试验

示踪试验方法现场试验包括温度场的测量、初始电导值测量及投源示踪试验测水平渗透流速三部分。现场选用食用盐作为示踪剂，试验方法：将8 mm～10 mm 直径的塑料管插入孔底，一个重物绑在它的下端有助于下沉，管的两端都是开口的。将与从孔水位到孔底一段的塑料管内体积相等的示踪剂溶液通过管上部的另一端注入管中。然后匀速慢慢将塑料管取出，使示踪剂均匀地分布在全部水柱内。

图14 全孔标注试验示意

浓度分布曲线的测量次数必须选择与示踪剂稀释的速率相一致。通常在实验开始阶段采用短时间间隔（例如每5 min或10 min）。1～2 小时后，测量增加的次数作为示踪剂稀释速度的函数。投源之前先测量电导本底值，记录时间、孔号及电导值，利用投源器即刻测量电导值，由上至下放入探头，每1m 记录一次电导值数据，相隔15 min 左右重复一次测量，每个钻孔如此反复测量4～5 次，随着电导值的逐渐稳定，间隔时间也可以逐渐放宽，可以每隔30 min 测量一次。

2020 年4 月8 日在K0+627 孔内投入10 kg 食用盐，并且为了使效果更加明显，4 月9 日在该钻孔内追加投入10 kg 食用盐，然后连续对钻孔内的电导值进行追踪测量，在随后的时间内，对下游量水堰内的电导值进行密集连续的追踪测量，以确定K0+627 孔是否位于渗漏通道上。食用盐投入到钻孔中以后，钻孔内电导值的分布有如的变化规律见图15。

图15 K0+627 钻孔投入食用盐后钻孔内的电导值变化

从图中可以明显看出，孔内存在较强的渗透流速，示踪剂弥散较快，通过该曲线计算得出该孔内的地下水流速，该孔处于强渗漏水平。在投源后对量水堰每一个冒水口进行持续观测，量水堰2、4 号涌水点电导值有增大现象。可以认为2020 年4 月9 日接收到示踪剂，11 日达到峰值，峰值浓度分别为115μs／cm、105μs／cm；2020 年4 月15 日左右恢复到本底浓度。浓度曲线见图16。