用氡-222評價(jià)蒲石河抽水蓄能電站的地下廠房滲漏水來源

郭紅永，劉　學(xué)，萬程煒，王培杰，戴增輝，錢睿智

(1.遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧丹東118216；2.河海大學(xué)，

江蘇南京211100；3.江蘇河海工程技術(shù)有限公司，江蘇南京211100；

4.江蘇省水文水資源勘測局揚(yáng)州分局，江蘇揚(yáng)州225000)

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用氡-222評價(jià)蒲石河抽水蓄能電站的地下廠房滲漏水來源

郭紅永1，劉學(xué)2，萬程煒2，王培杰1，戴增輝3，錢睿智4

(1.遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧丹東118216；2.河海大學(xué)，

江蘇南京211100；3.江蘇河海工程技術(shù)有限公司，江蘇南京211100；

4.江蘇省水文水資源勘測局揚(yáng)州分局，江蘇揚(yáng)州225000)

摘要：使用同位素氡-222((222)Rn)示蹤技術(shù)分析蒲石河抽水蓄能電站地下廠房滲漏水來源。從2013年9月～2013年12月一共測量了取自繞壩滲流檢測孔、地下水、水庫庫水以及地下廠房滲漏水共計(jì)199個樣品。測量結(jié)果顯示，地下廠房滲漏水、地下水以及水庫庫水中的(222)Rn活度平均值分別為1 634.2、37 887.3 Bq/m3和2 343.7 Bq/m3。地下廠房滲漏水體中氡-222活度值(1 634.2 Bq/m3)與水庫庫水(2 343.7 Bq/m3)具有相似性，這說明水庫滲流水是地下廠房滲漏水的主要補(bǔ)給源。

關(guān)鍵詞：地下廠房；滲漏水補(bǔ)給源；地下水；氡-222；蒲石河抽水蓄能電站

0引言

近年來，抽水蓄能電站地下廠房的滲漏水分析已經(jīng)成為水工建筑滲水問題研究熱點(diǎn)，這是因?yàn)橐环矫鏉B漏水問題具有普遍性，全國約有20%～30%的水庫大壩存在不同程度的滲漏問題[1]；另一方面滲漏水問題具有危害性，匯集到地下廠房的滲漏水給廠房的排水系統(tǒng)造成負(fù)擔(dān)并給電站安全生產(chǎn)帶來隱患，滲漏水的長期作用也會給建筑、圍巖帶來損害。

目前普遍使用的滲漏水來源示蹤法主要分為溫度示蹤法、流場法、自然電場法、同位素示蹤法、水化學(xué)法等五類[2]，其中同位素示蹤法被認(rèn)為是最有潛力的方法。同位素示蹤法是基于地下水中某些化學(xué)物質(zhì)與地表水中的含量存在明顯差異，進(jìn)而分析滲漏水來源，較為理想的示蹤劑是鈾-釷衰變系列的放射性同位素，包括223Ra、224Ra、226Ra、228Ra[3- 4]和222Rn[5- 6]。222Rn作為分析滲漏水來源的示蹤劑具有以下優(yōu)點(diǎn)：①它是一種惰性氣體，具有化學(xué)保守性；②其活度在地下水中要比地表水( 海水、河水等)中高很多，一般在100 倍以上；③低活度時易于測量[7]；④是水體中固有的天然示蹤劑，無需另外投放，環(huán)保便捷。自1996年Burnett 等[5]將222Rn 用于海底地下水排泄(SGD)研究以來，國際上已有許多關(guān)于采用222Rn 示蹤技術(shù)評價(jià)SGD的報(bào)道，但在國內(nèi)尚不多見。

目前，國際上測量水體中222Rn 活度常用的儀器是Durridge 公司生產(chǎn)的測氡儀( RAD7)。測氡儀與配件RAD-H2O一起使用，可以分散取樣研究222Rn活度的分布；與配件RAD-AQUA一起使用，可以連續(xù)測量水體中的222Rn活度。

1研究區(qū)概況

蒲石河抽水蓄能電站位于遼寧省寬甸縣境內(nèi)的鴨綠江支流蒲石河下游河段上，距丹東市約40 km。蒲石河抽水蓄能電站總裝機(jī)容量1 200 MW，共安裝4 臺單機(jī)容量為300 MW 的立軸可逆混流式抽水蓄能機(jī)組，電站年平均發(fā)電量18.6 億kW·h，年發(fā)電小時數(shù)1 550 h。年均抽水用電量24.09 億kW·h，抽水小時數(shù)2 008 h，綜合效率77.2%。工程樞紐主要由上水庫、下水庫、地下廠房、輸水系統(tǒng)及地面開關(guān)站等建筑物組成。上水庫擋水建筑物為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩頂長714 m，最大壩高78.5 m。上水庫總庫容1 351 萬m3，有效庫容102 萬m3。正常蓄水位392 m，死水位360 m[8]。

2研究方法

2.1取樣與試驗(yàn)方法

地下廠房滲漏水的補(bǔ)給源存在天然降雨補(bǔ)給、河水補(bǔ)給和引水系統(tǒng)漏水補(bǔ)給[9]三種可能。關(guān)于天然降水補(bǔ)給的可能，蒲石河抽水蓄能電站所處的遼寧丹東市降水量較多，是東北地區(qū)降水量最多區(qū)，占遼寧省降水量70%，年平均降水量為881.3～1 087.5 mm，全年降水量的2/3集中在夏季，其中七月中旬至八月中旬是該區(qū)暴雨集中期，而地下廠房頂層廊道總滲流量監(jiān)測顯示，最大滲漏水量發(fā)生在2月～4月(見圖1)，即蒲石河流域的枯水期，在7月～8月流域汛期地下廠房滲漏水流量反而最小，滲漏水流量變化的這種特性反應(yīng)出滲漏水不受地區(qū)降水變化影響，降水不是滲漏水補(bǔ)給源。

圖1　廠房頂層廊道總滲流過程曲線

地下廠房滲漏水流量變化與氣溫升降存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。上水庫為天然庫盆，庫盆岸坡外滲水量較小，庫周岸坡未作鋪蓋防滲層，因此考慮存在上水庫水補(bǔ)給地下廠房滲漏水的可能性，即因巖體熱脹冷縮效應(yīng)隨氣溫的升高，滲漏路徑縫隙增大進(jìn)而導(dǎo)致地下廠房滲漏水流量增大。但關(guān)于上水庫水對地下廠房滲漏水的補(bǔ)給關(guān)系，到目前為止仍停留在上述定性分析層面。為在理論上取得確定的結(jié)論，進(jìn)行了分散取樣采集廠房滲漏出水以及可能水源水樣：每周采集一次地下廠房排水廊道量水堰中的滲漏水，繞壩滲流監(jiān)測孔KUP04、KUP06、KUP09、KUP10中水樣，地下水以及上庫進(jìn)出水口、緩坡處水樣，共采集199個樣品，采樣點(diǎn)布置見圖2。采樣時，對于地下水(如繞壩滲流監(jiān)測孔水樣、地下水水樣)使用250 mLPVC采樣瓶，利用溢流法將其注滿，迅速蓋好瓶塞防止與空氣接觸，水樣采集后，送回實(shí)驗(yàn)室測量222Rn活度。對于地表水水樣(如量水堰水樣、上水庫進(jìn)出水口及緩坡處水樣)使用RAD7與配件RAD-AQUA一起使用，連續(xù)測量水體中的222Rn活度。

圖2　蒲石河抽水蓄能電站上水庫及采樣點(diǎn)布置

2.2利用氡氣分散取樣測量評價(jià)地下廠房滲漏水來源

(1)將分散取樣測量得到的水樣中222Rn測量值與水溫、采樣時間、地點(diǎn)數(shù)據(jù)制成表格保存。

(2)222Rn活度修正。因?yàn)椴蓸优c測量之間存在時間差，利用RAD7測氡儀使用說明中的衰變修正方法進(jìn)行修正。具體步驟為：計(jì)算出采樣至測量之間的衰變時間T(精確到小時即可)，衰變修正因素(DCF)為eT/132.4(e為自然常數(shù))[10]，將測量值乘以衰變修正因素(DCF)即得到采樣時222Rn活度。

(3)根據(jù)222Rn活度在地下水中要比地表水( 海水、河水等)中高很多(一般為100倍以上)，低活度時也易于測量的性質(zhì)，將修正后的各水樣中222Rn活度匯總比較，作為判斷滲漏水來源提供依據(jù)。

3 結(jié)果與討論

3.1氡的活度

從2014年8月26日到2014年12月23日，一共測量蒲石河抽水蓄能電站地下廠房量水堰、繞壩滲流孔、入庫水、庫井水、緩坡處、庫周等測點(diǎn)的199個水樣中的222Rn活度，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，量水堰(1、4、7、8、9號)中地下廠房滲漏水中222Rn活度在402.8～2 000.0 Bq/m3之間變化，均值為1 634.2 Bq/m3；庫井水代表了庫區(qū)地下水，222Rn活度變化于10 000.0～60 000.0 Bq/m3，均值為37 887.3 Bq/m3，約為量水堰水樣中222Rn活度的23倍，這與地下水中222Rn活度普遍較高的傳統(tǒng)看法是一致的。上水庫進(jìn)出水口和緩坡處代表了上水庫庫水，水樣中的222Rn活度變化范圍為427.4～6 344 Bq/m3，均值為2 343.7 Bq/m3。

圖3　實(shí)驗(yàn)期間各測點(diǎn)水樣222Rn活度

3.2氡的活度分析

圖3中各測點(diǎn)的222Rn活度值折線可以較好地反映各水源采集水樣中222Rn活度分布及變化情況，可以明顯看出，代表量水堰1、4、7、8、9號水樣中222Rn活度的折線基本與代表庫水的入庫處、緩坡處線條的分布范圍以及變化最為吻合；庫井水222Rn活度值線與圖中其他折線均不相似，活度值分布范圍在10月后由之前的0～20 000 Bq/m3陡增至50 000～60 000 Bq/m3，之前提到蒲石河地區(qū)全年2/3的降水集中在夏季，7月中旬至8月中旬是該區(qū)暴雨集中期，所以進(jìn)入10月以后，天然降水變得稀少，從而對于地下水的補(bǔ)給減少，而天然降水中幾乎不含222Rn，因此天然降水通過下滲補(bǔ)給對于地下水中222Rn活度的“稀釋作用”大幅降低，從而引起了庫井水222Rn活度值明顯增大；至于變化節(jié)點(diǎn)10月與暴雨季結(jié)束有一定時間差則是因?yàn)樘烊唤邓聺B補(bǔ)給地下水過程比地表徑流慢；并且這一變化也說明在10月以后的試驗(yàn)中，庫井水受到天然降水等外界因素影響最小，這段時間內(nèi)地下廠房滲漏水總量也開始增大(見圖1)，樣本對于整體的代表性最佳，各水樣對于可能的滲漏水補(bǔ)給源都具有很好的代表意義。

4結(jié)論

222Rn是理想的示蹤劑，因?yàn)樗哂谢瘜W(xué)保守性且容易測量，在地下水中濃度比地表水高出數(shù)十倍。滲漏水的補(bǔ)給源可以通過分散采樣測得可能的補(bǔ)給源水樣222Rn活度，通過比較分析來評價(jià)。應(yīng)用該技術(shù)較為關(guān)鍵的是分散取樣時采集的水樣要盡可能少與空氣長時間接觸，否則會導(dǎo)致222Rn的逸散，造成測量結(jié)果發(fā)生較大的誤差。

通過9月～12月采樣與測量，得到了地下廠房滲漏水中222Rn活度值均值為1 634.2 Bq/m3，以及可能滲漏水補(bǔ)給源水源222Rn活度值情況：地下水均值37 887.3 Bq/m3，上水庫庫水均值為2 343.7 Bq/m3，基于此可推斷出地下廠房滲漏水補(bǔ)給源主要為上水庫滲漏水，蒲石河上水庫面板壩所處的嚴(yán)酷氣候條件(多年最冷月平均氣溫-12.8℃)，加之抽水蓄能電站特點(diǎn)，上水庫水位日最大消落深度為32 m，這對墊層料排水提出了較高要求。寒冷地區(qū)面板堆石壩面板表面止水的嵌縫材料及其保護(hù)層，冬季在冰凍作用下易遭破壞，進(jìn)而導(dǎo)致面層止水失效[11]，因?yàn)闊崦浝淇s的效應(yīng)使縫隙變大，從而造成蒲石河抽水蓄能電站地下廠房流量與溫度呈負(fù)相關(guān)的滲漏水現(xiàn)象。

針對蒲石河抽水蓄能電站地下廠房滲漏水現(xiàn)象開展的222Rn同位素專項(xiàng)調(diào)查結(jié)果，從理論上確定了滲漏水的來源，結(jié)論與實(shí)際情況相符，為今后查明具體的滲漏路徑以及采取針對性解決滲漏水措施提供了科學(xué)理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

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(責(zé)任編輯焦雪梅)

Assessment on Underground Powerhouse Leakage Water Source of Pushihe Pumped-storage Power Station by Using Radon-222

GUO Hongyong1, LIU Xue2, WAN Chengwei2, WANG Peijie1, DAI Zenghui3, QIAN Ruizhi4

(1. Liaoning Pushihe Pumped Storage Power Station Co., Ltd., Dandong 118216, Liaoning, China; 2. Hohai University,Nanjing 211100, Jiangsu, China; 3. Jiangsu Hehai Engineering Technology Co., Ltd., Nanjing 211100, Jiangsu, China;4. Yangzhou Branch of Jiangsu Provincial Hydrology and Water Resources Survey Bureau, Yangzhou 225000, Jiangsu, China)

Abstract:The leakage water in Pushihe Pumped-storage Power Station is assessed by using radon-222 ((222)Rn). A total of 199 water samples have been measured for (222)Rn concentration from September, 2013 to December, 2013 which covers seepage around the reservoir, groundwater in mountain, reservoir water and seepage water in underground powerhouse. The results show that the (222)Rn activities of underground powerhouse leakage water, groundwater in mountain and reservoir water are 1 634.2 Bq/m3, 37 887.3 Bq/m3 and 2 343.7 Bq/m3 respectively. The leakage in underground powerhouse has similar radon-222 concentration as reservoir water, it indicates that the reservoir seepage into underground is the main source for leakage in underground powerhouse．

Key Words:underground powerhouse; leakage water source; groundwater; Radon-222; Pushihe Pumped-storage Power Station

中圖分類號：TV731.6(231)

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：0559- 9342(2016)01- 0034- 03

作者簡介：郭紅永(1987—)，男，河南新鄉(xiāng)人，助理工程師，主要從事水工建筑物管理工作．

收稿日期：2015- 04- 17