DB-4型堤壩管涌滲漏檢測儀在水庫滲漏探查中的首次應(yīng)用

白廣明，孫 震，張耘菡，孫光年

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

DB-4型堤壩管涌滲漏檢測儀在水庫滲漏探查中的首次應(yīng)用

白廣明，孫 震，張耘菡，孫光年

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

為檢驗新研制的DB-4型堤壩管涌滲漏檢測儀的有效性，項目研究組在水庫工程中進(jìn)行了首次實際應(yīng)用。結(jié)果表明：新設(shè)備可以探查到堤壩滲漏入口位置；設(shè)備由模擬量測試改變?yōu)閿?shù)值量測試后，檢測成果實現(xiàn)了定量數(shù)據(jù)化；增加的GPS定位功能，可以將檢測出的滲漏入口位置標(biāo)記在工程圖紙上，精度達(dá)到厘米級；該儀器在堤壩滲漏探查領(lǐng)域有推廣價值。

水庫大壩；管涌；滲漏；探查；擬流場

堤壩是擋水建筑物，當(dāng)?shù)虊蝺?nèi)出現(xiàn)了滲漏通道，堤壩后就會出現(xiàn)管涌現(xiàn)象，如不采取工程措施及時除險，管涌會帶走顆粒土使?jié)B漏通道不斷擴(kuò)大，直至堤壩潰決。水利技術(shù)人員知道：及時、準(zhǔn)確封堵滲漏通道在水下的入口，或截斷堤壩內(nèi)滲漏通道路徑，是遏制險情發(fā)展、根除堤壩發(fā)生潰決災(zāi)害的有效方法。但采用這些工程措施的前提是需要掌握滲漏通道入口或路徑的位置。

由于滲漏入口在水下，滲漏通道路徑在堤壩內(nèi)部，靠肉眼僅能檢查出堤壩后出現(xiàn)的管涌險情。

何繼善院士2000年提出了擬流場法探測技術(shù)[1]，并研制出了DB型堤壩管涌滲漏檢測儀[2]。2001年起，該技術(shù)先后在洪澤湖大堤[3]、龔嘴電站[4]、瀏陽市株樹橋水庫[5]、漢壽縣閣金口閘[5]等工程中得到了應(yīng)用，均取得了良好的探測效果。該儀器2006年獲得國家重點新產(chǎn)品稱號，2008年獲得水利部水利先進(jìn)實用技術(shù)推廣證書，探測技術(shù)寫入《堤防隱患探測規(guī)程》(SL 436—2008)[6]，探測設(shè)備被水利部列為國家防汛儲備物資，該項技術(shù)已經(jīng)在全國得到廣泛應(yīng)用。

2016年黑龍江省水利科學(xué)研究院和湖南繼善高科技有限公司合作，共同承擔(dān)了以深入進(jìn)行擬流場法理論研究、儀器升級改造為內(nèi)容的科研項目，創(chuàng)新研制出了DB-4型堤壩管涌滲漏檢測儀，將模擬測試轉(zhuǎn)換為數(shù)值測試，并增加了GPS高精度定位功能。為了檢驗新設(shè)備工作效果和性能，在壩后有滲漏出水的水庫進(jìn)行了首次實際應(yīng)用。

1 應(yīng)用工程概況

應(yīng)用工程位于黑龍江省三江平原，是一座以下游防洪、城鎮(zhèn)工業(yè)供水為主，兼顧環(huán)境用水、旅游和養(yǎng)魚等功能的中型水庫，水庫總庫容5228萬m3，興利水位292.00 m，校核水位293.63 m，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)為1000 a一遇。主要建筑物為三等3級，水庫土壩壩頂高程為295.5 m，壩長885 m，最大壩高40.65 m，心墻頂寬4.0 m。大壩溢洪道采用岸邊式，主要由進(jìn)水渠、控制段、泄槽、消力池、出水渠組成。

大壩左壩肩及溢洪道位于左岸低山區(qū)，組成巖性為燕山期侵入巖，巖性為花崗斑巖內(nèi)。地下水為基巖裂隙水。巖體可劃分強(qiáng)風(fēng)化巖體、弱-微風(fēng)化巖體。由于此處強(qiáng)風(fēng)化厚度較大，溢洪道部分底板座落于強(qiáng)風(fēng)化帶內(nèi)，工程地質(zhì)條件較差。為防止壩肩繞滲，在距左壩肩20.0 m范圍內(nèi)進(jìn)行帷幕灌漿，灌漿深度20.0 m。溢洪道閘室段基礎(chǔ)座落于強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化花崗斑巖上。閘室基礎(chǔ)垂直防滲采用帷幕灌漿，閘室左側(cè)帷幕灌漿與重力壩基礎(chǔ)灌漿相連接，閘室右側(cè)通過側(cè)墻底部帷幕灌漿與黏土心墻石渣壩壩基帷幕灌漿相連接，閘室底部設(shè)1排帷幕灌漿孔，孔距2.0 m，深度為閘底板以下10.0 m。

2 水庫滲漏情況

根據(jù)水庫運行管理單位介紹，水庫2015年11月建成蓄水，一直在低水位運行，2017年5月23日水庫水位上升到279.80 m時，經(jīng)巡查發(fā)現(xiàn)壩后出現(xiàn)了集中出水滲漏，具體位置在壩體樁號0+100下游110 m處的溢洪道右側(cè)山體處，滲漏出水流量大約0.4 L/s，水流清澈，滲漏出水位置衛(wèi)星圖如圖1所示，出水情況如圖2所示。

圖1 壩后滲漏出水位置圖

圖2 壩后滲漏流出水情況

3 探查方法

探查前在水庫大壩后滲漏出水口放置一個電極，在大壩前水域中遠(yuǎn)端放置一個電極，然后通過導(dǎo)線接通測試設(shè)備的發(fā)射機(jī)，由發(fā)射機(jī)通過兩個電極在大壩前水域和壩體中建立起擬流場。測試時，用船運載接收機(jī)，探測人員將與接收機(jī)連接的接收探頭深入到水下擬流場中檢測不同位置電場強(qiáng)度的分布情況。如圖3所示。

在正常(即探頭沒有接近滲漏入口)的情況下，接收機(jī)面可以接收到擬流場分布的較小電場強(qiáng)度數(shù)值，該數(shù)值反映了正常情況下的電場強(qiáng)度分布特征，此時的檢測值稱之為正常值，對于不同工程的水域，其正常值大小略有不同，但是對于一個具體工程而言，正常值的數(shù)值變化范圍是比較小的。

圖3 滲漏檢測示意圖

異常值是相對正常值而言的，由于堤壩滲漏的存在，使得擬流場的分布特征發(fā)生改變，在正常擬流場的基礎(chǔ)上，局部出現(xiàn)電場強(qiáng)度高值反映，可以達(dá)到正常值的2倍以上，該高值稱之為異常值。正常值與異常值的關(guān)系如圖4所示。

圖4 正常值、異常值關(guān)系

在完成一個區(qū)域水下探測后，可以將從擬流場中測得的電場強(qiáng)度數(shù)據(jù)以圖的形式表現(xiàn)出來，其方法是以某一測線方向為X軸(一般以堤壩的方向)，其垂直方向為Y軸，按各測點的X、Y坐標(biāo)位置，將測得的數(shù)據(jù)標(biāo)于平面圖上，并按一定的差值，以數(shù)學(xué)內(nèi)插的方法繪制出等值線平面圖，如圖5所示。

圖5 探測結(jié)果等值線平面圖

探測結(jié)果等值線平面圖能比較清楚地反映出堤壩前水域中滲漏入口位置。沒有滲漏水集中滲入的區(qū)域探測成果數(shù)值變化范圍比較小，等值線分布距離相對較稀疏，有滲漏水集中滲入?yún)^(qū)域的探測成果數(shù)值變化具有突變的特點，幅值高，等值線分布距離相對較密集。

通過平面圖對探測區(qū)域進(jìn)行了異常值范圍的圈定，圈定的范圍即為探測到的入水部位。異常值幅值與入滲水量相關(guān)，如果異常幅值高，表明滲入水量較大；異常值分布范圍反映了入滲區(qū)域的大小，范圍小是集中滲漏的特征；范圍大是散侵的特征。

本次探測使用的設(shè)備是新研制的DB-4型堤壩管涌滲漏檢測儀，比較原有設(shè)備，新研制設(shè)備的檢測成果由數(shù)值量取代了模擬量；接收機(jī)設(shè)置了連接RTK GPS定位儀端口，具有了精確測定各測點在大地位置的功能；增加了探頭至水底距離測量功能。

4 探測查工作實施

探測時首先將連接發(fā)射機(jī)的一個電極放置在壩后滲漏出口水中，將連接發(fā)射機(jī)的另一個電極放置在距離壩前坡水邊線100 m遠(yuǎn)的水域中，開啟發(fā)射機(jī)電源，然后船載接收機(jī)在壩前水域探測尋找水下滲漏入口。由于壩后滲漏點位于溢洪道陡坡段右邊墻外側(cè)，在庫區(qū)水域探查時，將溢洪道入口臨近水域作為重點探查區(qū)域，并分別向兩側(cè)擴(kuò)大延伸，以確保探查范圍能夠全面覆蓋可能存在滲漏入水口的區(qū)域。由于庫區(qū)臨近左岸水域長滿樹木荊棘，探測船無法進(jìn)入，只能在距離岸邊較遠(yuǎn)的樹叢外水域探測。為了減少探查工作量，首先船載接收機(jī)在探查區(qū)域內(nèi)進(jìn)行大范圍測試，探查到滲漏異常值后，再將滲漏異常點附件作為重點探測區(qū)域進(jìn)行反復(fù)探查，確認(rèn)入滲區(qū)域的存在。

船載接收機(jī)在壩前水域探查，共進(jìn)行了22條測線探測，各條測線位置如圖6所示。

船載接收機(jī)在測線上每秒鐘接收四組探測數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)中有探測時間、經(jīng)緯度位置坐標(biāo)值、擬流場電場強(qiáng)度值及探頭距水底距離等信息，每條測線上測點距離密、數(shù)據(jù)量大，表1中僅列出一條測線上的部分探查成果數(shù)據(jù)，表中的x、y為測點的平面坐標(biāo)[7]。

根據(jù)測點的平面坐標(biāo)，將各條測線上測得的擬流場電場強(qiáng)度數(shù)值成果落在平面圖上，發(fā)現(xiàn)在一個橢圓形區(qū)域中集中有異常值，電場強(qiáng)度值接近或大于2 mV，橢圓形區(qū)域中心位置點平面坐標(biāo)為(5 065 616.3687,384 106.4197)，各測線上典型異常值和對應(yīng)的平面坐標(biāo)見表2。

圖6 測線位置圖

序號xy場強(qiáng)值/mV15065593.602384075.0270.00725065594.122384075.2530.01235065594.727384075.4180.01345065595.417384075.5800.01855065595.929384075.4490.01765065595.952384076.4620.02575065597.312384075.8940.02785065597.924384076.3560.03895065598.621384076.8160.049105065599.166384078.1150.063115065600.347384077.2530.074125065600.790384077.8380.081135065600.977384078.4890.094145065601.107384080.3930.116155065601.507384079.1320.116165065601.897384077.4550.050175065602.117384079.5350.130185065602.414384077.5620.062195065602.990384080.1700.123205065603.344384080.6390.137215065603.397384079.2070.104序號xy場強(qiáng)值/mV225065603.789384081.2840.160235065604.307384081.4500.177245065605.442384082.2580.218255065605.460384083.0320.185265065605.882384082.7240.247275065606.382384082.1170.198285065606.516384084.1400.346295065606.528384084.6760.378305065606.978384085.5590.403315065606.997384082.6980.231325065607.009384083.2340.499335065607.454384083.8790.324345065607.815384084.6460.361355065607.859384082.8570.472365065607.862384086.6710.659375065608.053384087.5000.733385065608.239384088.0920.790395065608.349384085.4670.598405065608.407384084.2740.546415065608.444384082.1880.420425065608.454384086.2990.642

續(xù)表1

表2 各測線典型異常值坐標(biāo)位置

根據(jù)測點坐標(biāo)數(shù)據(jù)將表2異常電場強(qiáng)度數(shù)值繪制在水庫樞紐平面圖上，發(fā)現(xiàn)異常值橢圓形落在溢洪道進(jìn)口右邊墻前端附近區(qū)域，該區(qū)域判定為疑是滲漏入滲區(qū)域，對應(yīng)大壩樁號范圍為0+020～0+040，中心點距離壩軸線水平距離52 m，如圖7所示。

5 左壩肩段地質(zhì)及測壓管監(jiān)測數(shù)據(jù)支持探查結(jié)果

左壩肩地質(zhì)條件相對較差，分析滲透壓力測壓管數(shù)據(jù)變化過程可知，此處滲透壓力與壩后滲漏出水直接相關(guān)，說明庫區(qū)水是經(jīng)過左壩肩基礎(chǔ)滲漏到壩后的。本次擬流場法探測結(jié)果表明臨近左壩肩壩前水域存在滲漏水入口，工程運管單位提供的左壩肩地質(zhì)情況及滲透壓力變化過程支持這一探測結(jié)果。

左壩肩及溢洪道坐落在強(qiáng)風(fēng)化巖石基礎(chǔ)上，地質(zhì)條件差，透水性較強(qiáng)，工程上進(jìn)行了帷幕灌漿處理，但從強(qiáng)風(fēng)化巖層分布范圍、厚度和風(fēng)化程度分析，不容易實現(xiàn)理想阻斷滲流，水庫蓄水后，此處是大壩垂直防滲體系中相對薄弱部位。

工程運管單位提供了左壩肩基礎(chǔ)滲透壓力兩個監(jiān)測管PR2-1、PR2-2觀測數(shù)據(jù)。兩個測壓管距離壩后滲漏出水點較近，PR2-1在大壩上游側(cè)，PR2-2測壓管在壩下游溢洪道左側(cè)，兩個測壓管的位置及孔口高程信息見表3。

圖7 擬流場法測定滲漏入口位置圖

序號測壓管名稱所在斷面樁號孔口高程/m1PR2-10-0.50(上游)295.582PR2-20-0.50(下游)291.31

根據(jù)運管單位提供的測壓管記錄數(shù)據(jù)，分別繪出了PR2-1、PR2-2觀測管滲透壓力-日期變化過程曲線，圖8～圖9是在壩后出現(xiàn)集中滲漏前10 d 起近50 d時段兩個測壓管滲透壓力變化過程。

圖8 PR2-1測壓管滲透壓力過程曲線

圖9 PR2-2測壓管滲透壓力過程曲線

查閱5月23日大壩出現(xiàn)滲漏以前觀測管滲透壓力過程記錄，PR1-1測壓管位于土壩上游側(cè)，壓力觀測值略低于庫區(qū)水位，PR2-2測壓管為壩后測壓管，壓力觀測值低于庫區(qū)水位較大，兩個測壓管壓力變化趨勢均與庫區(qū)水位變化趨勢相一致，跟隨庫區(qū)水位變化，說明測壓管工作情況是正常的。

從圖9可以看到，PR2-2測壓管在5月24日壓力數(shù)值異常降低，恰好是水庫發(fā)生異常滲漏的第二天，分析其原因可能是隨著庫水位的增加，流經(jīng)左壩肩及溢洪道強(qiáng)風(fēng)化巖層基礎(chǔ)的滲透水增加，滲透壓力隨之加大，當(dāng)滲透壓力超過臨近坡降時，壩后滲漏出水口位置出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)狀態(tài)，形成集中滲漏水流，滲透路徑末端上的滲透壓力突然釋放，導(dǎo)致PR2-2測壓管壓力數(shù)值異常降低。從圖9還可以看到，6月13日后，PR2-2測壓管壓力數(shù)值變化趨勢又恢復(fù)到跟隨庫區(qū)水位變化，這是由于滲透路徑上局部出現(xiàn)滲透壓力降低時，周圍相對較高滲透壓力區(qū)的水將向出現(xiàn)局部低滲透壓力區(qū)補給，如果此處至滲漏出水口之間沒有形成貫通性滲漏通道，經(jīng)過一段時間后，滲透壓力將達(dá)到新的平衡，使PR2-2測壓管的觀測值變化趨勢又恢復(fù)到正常狀態(tài)。

6 結(jié) 論

通過使用新研制的DB-4型堤壩管涌滲漏檢測儀對水庫滲漏入口首次現(xiàn)場探查，應(yīng)用結(jié)果表明，檢測儀可以準(zhǔn)確找到堤壩前滲漏水入滲區(qū)域，工作性能得到了質(zhì)的提升，可以推廣使用，初步得出主要結(jié)論分述如下：

(1)使用新研制的設(shè)備，找到了庫區(qū)水在壩前滲漏至壩后的水下入滲區(qū)域，探測成果為分析滲漏水流經(jīng)路徑、選擇工程處理方案提供了科學(xué)的參考依據(jù)。

(2)設(shè)備新增加了測點位置GPS測量功能，實現(xiàn)了測點位置用經(jīng)緯度坐標(biāo)標(biāo)識，標(biāo)識精度達(dá)到厘米級，探測成果可以落在堤壩工程平面圖上，方便工程技術(shù)人員準(zhǔn)確解讀探測成果。

(3)新研制的設(shè)備改變了流場法探測時采樣、識別工作模式，用數(shù)值量自動采樣、存儲及后期計算機(jī)系統(tǒng)分析，代替了測量船上讀取接收機(jī)指針指示的模擬量，現(xiàn)場判定探測結(jié)果，使探測數(shù)據(jù)分析更加全面、系統(tǒng)，提交的結(jié)論更加準(zhǔn)確。

[1] 何繼善. 堤防滲漏管涌“流場法”探測技術(shù)[J].銅業(yè)工程，1999(4)：5-8.

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[3] 朱自強(qiáng),鄒聲杰,何繼善，等. 流場法在洪澤湖大堤管涌滲漏探測中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報，2004, 1(3)：243-246.

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[6] 中華人民共和國水利部. 堤防隱患探測規(guī)程：SL 436—2008[S].北京：中國水利水電出版社,2008.

[7] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. 全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范：GB/T 18314—2009[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

The first application of DB-4 dam piping detector in the detection of the reservoir seepage

BAI Guangming，SUN Zhen,ZHANG Yunhan,SUN Guangnian

(HeilongjiangProvinceHydraulicResearchInstitute,Harbin150080,China)

In order to test the effectiveness of DB-4 Type Dam Piping Detector developed newly, the research group carried out the first practical application in the reservoir project.The result shows that it can search out the position of the seepage entrance.After it is changed from the analog quantity test to the digital quantity test, the result is quantified.With the added location function of GPS, it can mark the detected position of the seepage entrance on the engineering drawings with a precision of centimeter level.The instrument has the popularization value in the field of dam seepage detection.

reservoir dam; piping; seepage; detection; the quasi-steady flow fields calculated

TV698.1+2

A

2096-0506(2017)11-0019-07

黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計劃引導(dǎo)項目(GZ16B005)

白廣明(1958-)，男， 黑龍江密山人，研究員級高級工程師，主要從事堤壩隱患探測研究。E-mail：baigm@126.com。