小型水庫堤壩防滲漏監(jiān)測研究

庫爾班·艾克木，阿斯古麗·吐尼亞孜

(塔里木河流域阿克蘇管理局，新疆 阿克蘇843000)

0 引 言

大壩是水庫的重要組成部分，隨著水庫運行時間的增加，受施工因素和地質因素影響，水庫堤壩開始出現(xiàn)安全隱患。堤壩滲漏和管涌是水利工程中破壞強度最大的地質災害，此災害的產生主要受壩體和壩基所處的地質條件和水動力條件影響［1］。目前，我國一般采用鉆孔取樣、人工巡查、地球物理探測的方式來測量滲漏情況，并不能準確測量堤壩滲漏的發(fā)展情況。綜合國內研究情況，學者們提出的水庫堤壩滲漏測量方法主要有:滲漏部位電導率法、高密度電阻率法、流場法、瞬變電磁法等。這些方法雖然在一定程度上可以監(jiān)測壩堤隱患的動態(tài)變化，但是探測結果僅能用于堤壩防治。地下磁流體探測法是一種新型監(jiān)測方法，其場源為天然電磁場，無需人工電源，以天然電磁波為信號載體，穿透力較強。較電阻法相比有很強的抗干擾能力，可以迅速地劃分巖層界面，確定滲漏點位置。本文基于新疆帕滿水庫的運行情況，從堤壩滲漏特征出發(fā)，討論了導致小型水庫滲漏的原因，并提出了基于地下磁流體的滲漏監(jiān)測方法。

1 工程概況

帕滿水庫位于我國新疆塔里木河流域，行政區(qū)劃屬于阿克蘇地區(qū)沙雅縣，西側為牧場，南側為塔里木河，供給沙雅縣和庫車縣的7個農牧場灌溉用水，總灌溉面積為5 700 hm2。帕滿水庫建設于1972年，施工質量較差，壩體和壩基等部位存在眾多安全隱患。水庫原設計容量為4 800 萬m3，安全運營額定容量為4 000 萬m3，設計水位為959.4 m，淹沒面積為35 km2，主大壩長度11.1 km，南側副壩長度6.2 km。該水庫通過渠道從塔里木河引水，渠道引最小流量4.37 m3/s、設計流量21.39m3/s、加大流量25.56 m3/s，3 種流量分別對應的塔里木河水位分別為962.38 m、963.54 m和963.66 m。帕滿水庫1 號閘修筑于1993年，其由兩孔引水閘、三孔泄洪閘、兩孔分水閘共同組成，當塔里木河水位較大時，出現(xiàn)閘上翻水。2010年，洪水沖毀帕滿水庫的泄洪渠與塔里木河交匯處右堤2 km。主汛期將出現(xiàn)漫灘水，沖刷引水渠堤和泄洪渠堤。水庫安全超高水位確定為965 m。

1999年帕滿水庫出現(xiàn)50 a一遇的大洪水，在大壩東側人工開口5 處，合計長度250 m，便于泄洪。目前大壩存在的問題有:迎水面護坡均已損壞，無法防護風浪;邊坡水蝕損害嚴重，變成陡坎;壩體浸潤線溢出點較高;主壩出現(xiàn)嚴重滲漏;壩后出現(xiàn)管涌。根據(jù)水庫大壩相關安全規(guī)范，帕滿水庫為病險水庫，塔里木河洪水對其有嚴重威脅，并影響大壩安全運行。

2 堤壩滲漏特征及原因

滲漏主要出現(xiàn)在壩址的特殊部位，這些地方一般存在導水性斷層和巖溶通道。巖溶是指水對巖石化學溶解并伴隨重力坍塌，在地下形成大小不同的空腔。深究帕滿水庫發(fā)生滲漏的原因，發(fā)生滲漏應該具備以下4個因素:①地形上存在山谷、洼地其海拔低于正常蓄水水位，分水嶺厚度較小;②水庫底部存在巖溶發(fā)育，并貫穿水庫內外形成巖溶通道;③山谷與水庫間沒有地下水分水嶺，或者其分水嶺明顯低于水庫正常水位;④地表分水嶺隔水層受到破壞，不能起到隔水作用。

管涌是指壩體巖土中較小的顆粒在水流的作用下嚴重大顆?？障兑苿踊蛘吡鞒鰤误w的現(xiàn)象。壩體出現(xiàn)管涌主要是由于本身介質特性和施工中監(jiān)管不力，其主要與滲透力、水庫水位、介質特性等因素有關。管涌一般出現(xiàn)在松軟夾層、軟弱巖石、非黏性土質等部位，病害處的土質顆粒直徑相差懸殊，主要包括以下4 種情形:①粗大顆粒的平均直徑是細小顆粒平均直徑的10 倍以上;②大壩建筑巖體不均勻系數(shù)d60/d10≥10;③相鄰的兩種壩體建筑材料滲透系數(shù)比例K1/K2＞2 ;④滲透水流的水利梯度大于巖土臨界水利梯度。

水庫堤壩滲漏量估算一般采用解析法，對于帕滿水庫壩基滲漏量計算，認為其含有水層單一，水平厚度較小，其單寬滲漏量為:

式中:K1為第1 含水層的滲透系數(shù);M1為第1 含水層的厚度;H 為大壩水頭差;b 為壩基寬度一半。

經計算水庫壩基每天的滲漏量為16 186 m3，年滲漏量可達590.81 萬m3，此計算包含地下水的天然徑流量。此處的天然徑流量約為每年6.18 萬m3，因此實際水庫壩基年滲漏量為584.63 萬m3。

3 地下磁流體滲漏監(jiān)測方法

地下磁流體探測法是一種新型監(jiān)測方法，其場源為天然電磁場，無需人工電源，以天然電磁波為信號載體，穿透力較強。其發(fā)射的電磁波遇到密度較大的裂縫或者溶洞就會發(fā)射反射，反射信號穿透地殼巖層傳輸?shù)降乇怼Ｅc電阻法相比地下磁流體探測法有很強的抗干擾能力，可以迅速地劃分巖層界面，確定滲漏點位置，其測量原理見圖1。此技術是在三維物探技術的基礎上增加時間尺度，完成四維測量。其根據(jù)麥克斯韋方程和電磁通量原理設計而成，探測頻率已知，但是底層電阻率與水位地質結構相關。

圖1 地下磁流體探測原理

針對帕滿水庫堤壩隱患問題，將該方法應用到水庫堤壩防滲漏研究中，此方法可以可靠地獲得堤壩附近的水活動情況，并能對地質發(fā)育做出預測。圖2 為地下磁流體探測測量儀器連接示意圖。

圖2 地下磁流體探測測量儀器連接示意

測量儀器采取智能化信息采集手段，對靜態(tài)信息定時采集，對動態(tài)信息進行高速采集，保證數(shù)據(jù)的實時性。利用軟件對采集數(shù)據(jù)進行分析，并得出監(jiān)測結果，指導水庫防滲漏工作的開展。

4 結 語

隨著水庫運行時間的增加，受施工因素和地質因素影響，水庫堤壩開始出現(xiàn)安全隱患?；谛陆翝M水庫的運行情況，從堤壩滲漏特征和引起滲漏的原因出發(fā)，首先分析了管涌出現(xiàn)的原因，隨后計算出帕滿水庫的實際年滲漏量為584.63 萬m3。最后提出了一種基于地下磁流體的滲漏監(jiān)測方法。希望為今后小型水庫堤壩防滲漏監(jiān)測提供幫助。

［1］范素芳. 壩堤滲漏監(jiān)測關鍵技術及方法研究［D］. 長沙:湖南科技大學，2012.