聲納滲流檢測于橋水庫大壩滲漏點的應(yīng)用研究

劉 迪，李雪嬌，于艷秋

（天津市引灤工程于橋水庫管理處，天津 301900）

1 工程概況

于橋水庫位于天津薊縣城東的薊運河左支流州河上，控制流域面積2 060 km2，占州河流域總面積的96%，總庫容15.59 億m3，是一座以防洪、城市供水為主，兼顧發(fā)電等綜合利用的大（1）型工程。水庫樞紐工程包括大壩、放水洞（泄洪洞）、溢洪道和發(fā)電站等，溢洪道位于大壩左壩端（即南端），自庫區(qū)進(jìn)水口（樁號-0+190）到州河主槽（樁號1+651），全長1 841 m，設(shè)計泄量2 910 m3/s，最大泄量4 138 m3/s。中部2 孔為低孔，兩側(cè)各3 孔為高孔。放水洞（泄洪洞）位于大壩南端壩體內(nèi)（樁號0+356），初建挖埋式馬蹄形拱涵洞，為無壓洞。1988年，利用原泄洪洞改建為放水洞，壓力鋼管直徑為5 m，增設(shè)了于橋水電站。該水庫是開發(fā)利用州河水資源、解決天津市工農(nóng)業(yè)用水及城市居民用水的骨干工程，并承擔(dān)重要的防洪任務(wù)，是引灤入津工程中十分重要的控制性調(diào)節(jié)樞紐。

于橋水庫始建于1959年12月，由于當(dāng)時工期緊，加之冬季施工，開挖處理不徹底，壩基未做有效防滲處理，壩體采用均質(zhì)體防滲。后經(jīng)1976、1995、2001年3 次較大的防滲加固處理，達(dá)到現(xiàn)有防滲規(guī)模。2012年利用“三維流速矢量聲納測量儀” 對水庫大壩溢洪道底板的滲透性進(jìn)行了測量，同時還對除險加固后的大壩防滲體的5 個斷面的測壓管進(jìn)行了地下水滲透流速和滲流方向的現(xiàn)場測量。

2 聲納滲流檢測原理

聲納滲流探測技術(shù)，是利用聲波在水中的優(yōu)異傳播特性實現(xiàn)對水流速度場的測量。如果被測水體存在滲流，則必然在測點產(chǎn)生滲流場，聲納探測器陣列能夠精細(xì)地測量出聲波在流體中能量傳遞的大小與分布，依據(jù)聲納探測器陣列測量數(shù)據(jù)的時空分布，即可顯示出滲流聲源發(fā)出的方向；同時，利用滲流聲源方向上的聲納探測器與探頭頂部聲納探測器的距離和相位之差，建立連續(xù)的滲流場水流質(zhì)點流速方程。

3 聲納滲流測量方法

聲納測量儀由測量探頭、電纜盒、筆記本電腦三部分組成。儀器測量之前，通過室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)滲流試驗井進(jìn)行滲流參數(shù)標(biāo)記后，才能進(jìn)行現(xiàn)場滲流測量。野外實驗測量前，要先對測量儀器通電預(yù)熱3 min，之后可把測量探頭放到水面以下的溢洪道底板上測量其隔水底板的滲漏流場分布數(shù)據(jù)。如果是水文地質(zhì)孔，則把測量探頭放入測量井孔內(nèi)進(jìn)行測量，測量的順序是自上而下，從地下水位以下開始測量，測量點的密度為1 m，1 個測點上的測量時間是1 min，待測量完成，測量數(shù)據(jù)自動保存在電子文檔中，再進(jìn)行下一個點的測量，直到測量至孔底。

4 溢洪道聲納滲流試驗

4.1 現(xiàn)場試驗

現(xiàn)場試驗布置包括：平行于溢洪道的閘門每3 m布置1 條直線，共計30 m、11 條線；垂直于溢洪道閘門，從左到右，沿著溢洪道的左邊墻開始，間隔3 m作1 個標(biāo)記，一共93 m、31 個測量點，單點控制面積3 m×3 m，共計測點341 個、面積2 790 m2；測量人員在船上沿著已經(jīng)布置好的標(biāo)記定點測量，單點測量時間60 s，測量探頭放在水面以下的溢洪道的底板位置上； 考慮到閘室底板與閘門及閘墩之間發(fā)生滲漏的可能性，對墩尖、墩槽、墩門角、閘門面板等7 個重要點進(jìn)行了測量，在閘室內(nèi)沿著閘墩和閘門的邊線測量了56 個測量點，測量面積400 m2，水下合計測點總數(shù)397 個、總面積3 190 m2。

測量時段的庫水位高程19.39～19.29 m，平均水位19.34 m，被測量進(jìn)水口的水下溢洪道底板中心有一梯形斷面，中間兩孔閘門的寬度為梯形進(jìn)水渠的寬度。水下測量時有2 個水深值，中間兩閘門前的水深為4.34 m，兩邊的6 個閘門前的水深為0.69 m。在上述溢洪道底板滲流狀態(tài)下，實施聲納測量儀測流場的測量。

4.2 滲流量計算分析

通過進(jìn)水口底板網(wǎng)格布置探測，得出聲納測量數(shù)據(jù)并進(jìn)行了綜合分析、計算、評估和整編。結(jié)果表明，聲納滲流測量出2 790 m2的溢洪道底板上滲漏的總水量是578 m3/d。垂直水流方向的平均滲流流速檢測結(jié)果表明，4、5 號閘門對應(yīng)的部位滲透流速較大，且左側(cè)的滲透流速比右側(cè)的稍大。順?biāo)鞣较虻钠骄鶟B流流速檢測結(jié)果表明，距閘門9m 處的平均滲透流速最大，且遠(yuǎn)處的滲透流速比近處的要大。溢洪道底板上有明顯滲漏異常的只有2 個區(qū)域，其滲流量大于5 m3/d，其他區(qū)域滲流量均小于5 m3/d，屬于非滲漏區(qū)。閘室內(nèi)底板滲漏量是60 m3/d，閘室底板滲流顯示1、3、4 和8 號閘門的滲水量較大，且閘門的兩個角上的滲漏量稍大些。

5 大壩聲納滲流試驗

5.1 現(xiàn)場試驗

此次于橋水庫大壩測量范圍為樁號0+364-1+250，在869m 的長度內(nèi)，新鉆了5 個水文地質(zhì)測孔，分別為D1、E1、F1、F2、G1。

D1 孔距放水洞涵洞2 m，距壩軸線10 m，樁號0+364，孔口高程28 m，測量孔深30 m。此點為測量放水洞發(fā)電涵管對應(yīng)位置的滲流場的變化情況。E1孔位于放水洞的右側(cè)，距壩軸線10 m，樁號0+500，孔口高程28 m，測量孔深29 m。F1、F2 孔位于主河床段的同一大壩斷面上，距壩軸線F1 為6 m，F(xiàn)2 為40 m，樁號1+100；F1 孔口高程27.1 m，F(xiàn)2 孔口高程20.4 m；F1 孔深26 m，F(xiàn)2 孔深17 m。G2 孔處于大壩的中間位置，距壩軸線40 m，樁號1+250，孔口高程20.4 m，測量孔深19 m。鉆孔巖心所揭露的巖土層序是：筑土層、黏性土、角礫和碎石、全風(fēng)化白云巖與強(qiáng)風(fēng)化白云巖等。

5.2 滲流量計算分析

經(jīng)過現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，對放水洞的滲漏檢測孔以及大壩上的5 個水文地質(zhì)滲流測量孔的大量聲納測量數(shù)據(jù)進(jìn)行了綜合分析、計算、評估和整編，結(jié)果表明：

（1） 樁號1+250 斷面壩后G2 孔滲流方向指向下游左側(cè)，同時G2 孔處在大壩的中間位置，此孔的平均滲透流速1.03×10-4cm/s，較其他各孔要大，滲流的方向為252～298 度。這說明此孔所測量位置有滲流異常，表明樁號1+250 右段防滲墻沒有封閉壩基透水層，導(dǎo)致滲流有向左側(cè)繞滲的現(xiàn)象。

（2） 樁號1+100 斷面的F2 孔的平均滲透流速比F1 孔大，表明F2 孔內(nèi)的水流來源不僅僅是F1方向；另外，F(xiàn)2 孔滲流方向與樁號1+250 的G2 孔一致，說明F2 孔滲漏水源是從樁號1+250 方向繞滲過來的。同時，樁號1+250 斷面G2 孔流速較F1 和F2 都大，表明樁號1+250 斷面的滲漏量比樁號1+100 斷面大，而滲流方向為下游左側(cè)，故認(rèn)為樁號1+250 有向左側(cè)斷面的繞滲趨勢。在樁號1+250 以右的壩段透水層沒有封閉的情況下，存在向下游左側(cè)的繞滲現(xiàn)象。

（3）在放水洞右側(cè)的D1 鉆孔進(jìn)行滲流聲納探測，結(jié)果表面該孔在10.00 m 高程出現(xiàn)了最大滲透流速，滲流方向265～308 度。且正處在鋼管的中間位置，滲流方向亦指向鋼管，說明此處在沒有外界干擾情況下，其滲透流速值所反映的發(fā)電鋼管與放水洞之間的填筑材料的滲透特征略偏大，存在較小的滲流。

為了驗證其測量的效果，分別在發(fā)電與不發(fā)電的兩種管道滲流狀態(tài)下，對D1 孔進(jìn)行了對比測量，從聲納滲流圖譜曲線就能夠很直觀看到滲流場的大小與對應(yīng)的可視化聲納滲流測量圖譜的關(guān)系，同在D1 孔測量動態(tài)（發(fā)電管）與靜態(tài)（發(fā)電管與放水洞之間的自然滲水）聲納滲流信號的差異非常大。

6 結(jié)語

本文對于橋水庫大壩、溢洪道、放水洞進(jìn)行了聲納滲流檢測，通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、計算和綜合分析，了解了所檢測區(qū)域滲漏狀況，查清了滲漏位置及滲漏量，為下一步采取針對性處理、保障工程運行安全提供了有效依據(jù)。