堤壩滲漏廣義示蹤法室內(nèi)試驗研究

姚斌斌,陳 亮,李月奇,高為壯,何健健

堤壩滲漏廣義示蹤法室內(nèi)試驗研究

姚斌斌1.2,陳 亮1.2,李月奇1.2,高為壯1.2,何健健1.2

（1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇 南京210098，2.河海大學(xué) 江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心，江蘇 南京210098）

以堤壩填筑材料中常見細(xì)砂、中砂、粗砂為試驗材料，以食鹽溶液為示蹤劑，通過測試各材料中示蹤劑電導(dǎo)率隨時間的變化規(guī)律，計算其滲透水平流速。經(jīng)試驗傳統(tǒng)點稀釋公式計算得出的滲透水平流速在各砂層中對比流量法測試得到的流速偏大，在同一砂樣不同水力梯度下兩流速比值基本為一恒定值，而在不同砂層中比值不盡相同。對原點稀釋計算公式進行了修正，并給出了修正系數(shù)實驗值。

堤壩滲漏;流速測試;示蹤法;稀釋公式;水頭差

壩體滲漏問題在世界各地都有出現(xiàn)，在壩體中找到滲漏通道并測試滲透流速，才能對壩體進行及時的加固防止險情發(fā)生。確定滲漏通道所在的位置及滲透流速的測試有多種方法，其中包括：自然電位法、高密度電阻率法、瑞利波法、地雷達法、連通試驗法以及示蹤法。示蹤法包括天然示蹤方法和人工示蹤方法。以往的研究大多基于點稀釋公式以不同示蹤劑在工程實例中的應(yīng)用為主[1-8]，而工程實例中因地質(zhì)條件較為復(fù)雜，大多只能是進行定性的分析。對于不同性質(zhì)的土層，在不同水力梯度下滲透水平流速的定量分析需要進一步研究。本文通過自行設(shè)計室內(nèi)試驗對稀釋示蹤法的測試流速與實際流速對比，對原稀釋計算公式提出了稀釋示蹤修正系數(shù)，并分別給出了細(xì)砂、中砂、粗砂中稀釋示蹤修正系數(shù)的試驗值。

1 試驗原理及計算模型

試驗基本原理是，在測試區(qū)域預(yù)先鉆探下設(shè)的花管測試孔中投放一定量的示蹤劑，用于對測試深度區(qū)域的水體進行標(biāo)記，透水層中由于地下水的流動，在水平方向上，測試管上游不被標(biāo)記的地下水通過花管鉆孔不斷進入測試孔中，而被標(biāo)記的水體將逐漸被帶出測試管。在這一持續(xù)的過程中，用于標(biāo)記水體的示蹤劑持續(xù)地被帶出，隨著時間的推移，測試孔水體中的示蹤劑濃度不斷降低。而測試孔中示蹤劑濃度降低的速率與時間和地下水流速大小等有關(guān)。通過計算模型，求得測試孔中示蹤劑濃度的變化與時間和地下水流速之間的函數(shù)關(guān)系，進而得到測試水平流速，并與實際通過測試流量與時間變化的實際水平流速進行對比。

本文計算采用的是Moser等人建立的單孔稀釋模型，Moser等人記初始時刻t0測試管內(nèi)示蹤劑的濃度為C0，到達時刻t試管內(nèi)示蹤劑的濃度記為Ct，經(jīng)試驗研究由于滲漏水流動，濾水管內(nèi)示蹤劑濃度的遞減可用下述基本方程式表示：

其中：B系數(shù)與流量以及濾水管半徑有關(guān)，B=Q/V ；Q為單位時間內(nèi)流經(jīng)測試管內(nèi)示蹤劑標(biāo)記段的水量，Q=2rhvw；V為測試管內(nèi)被示蹤劑標(biāo)記水柱的體積，V= πr2h；r為測試管內(nèi)半徑；h為被示蹤劑標(biāo)記水柱高度；vw為流經(jīng)測試孔水流的流速，將以上各參數(shù)代入的B表達式中，

其中α為流場畸變矯正系數(shù)取2，vf為水平滲透速度。

由氯化鈉溶液濃度與電導(dǎo)率關(guān)系測試試驗可知，氯化鈉溶液濃度與電導(dǎo)率呈線性相關(guān)，即C0/Ct= N0/Nt，帶入（3）中得到 流速計算公式：

2 試驗部分

2.1 試驗裝置

圖1為試驗裝置示意圖。模型槽使用11 mm厚透明有機玻璃板粘制而成，選用透明有機玻璃可以看清內(nèi)部試樣情況，同時11 mm厚有機玻璃可以有效防止模型槽變形，模型槽的主體尺寸為320 mm×89 mm×600 mm（內(nèi)部尺寸長寬高）。Ⅰ部分為裝樣室，用來裝填試驗砂樣，是整個模型槽的主體部分；Ⅱ部分是進/出水室，該部分分為上游進水室與下游出水室兩部分，上游進水室與穩(wěn)定的水源連接，為試驗提供穩(wěn)定的上游水頭。Ⅲ部分為水頭調(diào)節(jié)裝置，用于調(diào)節(jié)上下游水頭差，使試驗中產(chǎn)生不同的水平流速用于對比分析。模擬現(xiàn)場的鉆孔及濾水管情況，砂樣填筑時在實驗槽中間部位布置一內(nèi)徑17 mm的PVC管，PVC管底部插入試樣部分450 mm開孔，開孔率為30%，上部350 mm不開孔，外部包裹滲透系數(shù)大于10-1cm/s的濾網(wǎng)兩層，以隔離細(xì)砂進入測試管。示蹤劑數(shù)據(jù)采集使用DDBJ-350型便攜式電導(dǎo)率儀，電極探頭為DJS-1C系列電導(dǎo)電極，電導(dǎo)率測量范圍為0 uS/cm至3104uS/cm。每次試驗前使用氯化鉀校正液對電極探頭進行校正，試驗結(jié)束后使用去離子水進行沖洗。示蹤劑置換前預(yù)先將電導(dǎo)電極放置在測試管距模型槽底部200 mm位置處，即試驗砂樣中下部。

2.2 試驗過程

為了更好的模擬自然界中不同深度范圍內(nèi)點稀釋法測試地下水流速的情況，本論文共對細(xì)砂、中砂、粗砂三種砂樣進行試驗研究(表1)。

表1 實驗所用土樣Tab.1 Soil samples for experiments

各試樣的滲透系數(shù)是使用70型滲透儀根據(jù)常水頭試驗規(guī)范試驗測得的。對細(xì)砂、中砂、粗砂三種試樣各進行5～6次平行試驗，并取各試樣相差不大的3次平行試驗測得的滲透系數(shù)的平均值作為該試樣的滲透系數(shù)(表2)。

表2 土樣滲透系數(shù)Tab.2 Penetration coeffi cient of soil sample

2.2.1 裝樣與飽和

試驗采用水下拋填的方法進行試樣裝樣，先將試驗槽內(nèi)水位提升至一定高度（略低于填筑該層砂樣的高度），然后將一定質(zhì)量的干砂填入砂槽中，壓實至預(yù)定高度，按此方法裝填下一層，直至土樣裝填完成。

2.2.2 提升上游水頭

試驗前根據(jù)試驗方案設(shè)定好的水力梯度，調(diào)整好上下游水頭差，使水力梯度維持在一個穩(wěn)定的值，從而使?jié)B流為穩(wěn)定水平滲流。本次試驗設(shè)置的上下游水頭差共5個，分別為25、50、75、100及 125 mm，滲流滲徑為圖1中試驗裝置裝樣室部分的長度320 mm，從而水頭差及水力梯度如表3所示：

表3 試驗水頭差及水力梯度Tab.3 Head difference and hydraulic gradient

2.2.3 示蹤劑投放與采集

示蹤劑采集頻率為5 s/個，為去除示蹤劑投放對周圍水流影響對試驗造成的誤差，當(dāng)示蹤劑投放完成穩(wěn)定一定時間再對示蹤劑進行數(shù)據(jù)采集。

2.2.4 出水量的量測

在電導(dǎo)率采集期間對下游出水流量進行量測，且量測次數(shù)不少于3次，并對此量測的流量取平均值進行數(shù)據(jù)分析。由此對點稀釋測試流速與實際達西滲透流速進行對比分析，因此試驗中就應(yīng)測量土層中的實際流速，其測量是根據(jù)傳統(tǒng)的流量法，即測量一定時間間隔t的下游出水口的出水量Q及過水?dāng)嗝婷娣eA，根據(jù)計算公式v=Q/A即可計算得出實際達西流速大小。

3 試驗結(jié)果及分析

粗砂在25、50、75 mm三個水頭差下電導(dǎo)率隨時間的變化關(guān)系分別如圖4所示。100及125 mm下由于滲流速度較快，投放示蹤劑較難采集，故在此試樣中沒有進行100及125 mm水頭差下的試驗。

由圖2—圖4可以看出，細(xì)砂多次試驗的N-t關(guān)系曲線基本服從Nt=N0e-Bt指數(shù)衰減規(guī)律，試驗結(jié)果與對應(yīng)指數(shù)擬合非常接近，試驗指數(shù)擬合R2都在0.98以上。通過以上稀釋示蹤法在各砂樣中不同水頭差下的試驗研究，在每一砂樣每一水頭差下共得到兩個水平滲透流速，分別為： 通過流量法測試計算得到的水平滲透流速，該流速基本與達西滲透流速大小相同，為砂樣中真實的滲透流速大小，記為v1；通過稀釋示蹤法測試試驗孔中電導(dǎo)率的變化規(guī)律，并根據(jù)計算模型中的公式得到的水平滲透流速，記為v2。將各砂樣中測試得到的流速匯總，其結(jié)果如表4所示。在三個砂樣中，每一個水力梯度下通過稀釋示蹤法測試得到的水平滲透流速的大小均比通過流量法測試得到的水平滲透流速的大小偏大。

通過分析在細(xì)砂中通過稀釋示蹤法測試得出的各水力梯度下的水平滲透流速隨對應(yīng)的流量法測試得到的水平滲透流速的增大而增大，對應(yīng)流速之間呈正的線性相關(guān)性。在稀釋示蹤法測試細(xì)砂滲透流速試驗中各級水力梯度下兩流速v1與v2與之間的關(guān)系基本均符合v2=1.160 5v1相關(guān)關(guān)系，v2/v1的比值不隨試驗時砂層之間真實滲透流速的變化而變化。同樣得到中砂及粗砂中v2/v1分別為1.549 2與1.631 8。從以上的結(jié)果可以看出，對于同一種類型的砂土而言，通過稀釋示蹤法測試得到的水平方向滲透流速v2與砂層中真實的滲透流速v1之間的比值基本上是恒定的，為此引入系數(shù)β1，稱其為稀釋示蹤法修正系數(shù)，則稀釋公式修正為以下式：稀釋示蹤法試驗中所用的細(xì)砂、中砂和粗砂的修正系數(shù)取值分別為1.160 5、1.549 2與1.631 8。

表4 稀釋示蹤法中各水平流速結(jié)果Tab.4 Horizontal seepage velocity of dilution tracer method

圖 2稀釋試驗細(xì)砂在水頭差下 N-t 關(guān)系Fig.2 N-t relationship of fine sand in dilution test at head difference

圖 3 稀釋試驗中砂在水頭差下 N-t 關(guān)系Fig.3 N-t relationship of medium sand in dilution test at head differences

圖 4 稀釋試驗粗砂在水頭差下 N-t 關(guān)系Fig.4 N-t relationship of coarse sand in dilution test at head differences

4 結(jié)論

1）各土層試驗中溶液電導(dǎo)率大小基本服從指數(shù)衰減規(guī)律，點稀釋定理在細(xì)砂層、中砂層、粗砂層中均具有較好的適應(yīng)性。

2）在細(xì)砂層、中砂層、粗砂層三個砂樣不同水力梯度下，通過稀釋示蹤法測試得到的滲透流速大小均比達西滲透流速偏大。

3）同一砂樣中，不同水力梯度下測試流速與實際達西流速的比值基本為定值，此比值在不同砂樣中差別較大。本文引入稀釋示蹤法修正系數(shù)β1，并得出細(xì)砂、中砂及粗砂稀釋示蹤法修正系數(shù)β1的試驗值分別為：1.160 5、1.549 2、1.631 8。

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（責(zé)任編輯 王利君）

Experimental study on generalized tracing method for dam leakage

YAO Bin-bin，CHEN Liang，GAO weizhuang，LI Yue-qi，HE Jian-jian
（Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering，Geotechnical Research Institute of Hohai University，Nanjing 210098，P.R.China）

dam leakage seepage velocity tracer method dilution formula head difference

TV223.4

A

1673-9469（2017）02-0043-07

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.02.009

2017-03-28

江蘇省自然科學(xué)基金資助項目(20155024511)；南京水利科學(xué)研究院開放基金資助項目(20155005712)

姚斌斌（1992-），男，江蘇海門人，碩士，研究方向為巖土工程。

Absract: With laboratory testing rig and testing program designed, the fine sand, medium sand and coarse sand are chosen as test material respectively, and the salt solution is chosen as tracer agent, then the seepage velocity is calculated through the relationship between the conductivity of tracer agent in different test material and time. The value of seepage velocity calculated through traditional dilution formula in all sand layers is a little larger than that by testing discharge method. The specific value of them is constant in the same hydraulic gradient, while it is imparity in different sand layers. The dilute tracer correction coefficient is proposed as well as the modified dilution formula, meanwhile the experimental value of dilute tracer correction coefficient is given.