溫度和pH值檢測法在觀音巖水電站壩基滲漏分析中的應用

(中國水電基礎局有限公司，天津 301700)

壩基滲流是影響大壩安全穩(wěn)定的關鍵因素之一。水庫蓄水后，在水頭壓力作用下，庫水可通過壩體、壩基和壩肩向下游滲漏。水電站壩基滲漏引發(fā)的災害性事故屢見不鮮，滲漏不僅影響水庫的蓄水效益，而且可能威脅壩體的安全。根據(jù)相關資料統(tǒng)計，滲漏問題引起的失事事故占失事工程總數(shù)的40.5%[1-2]。為了對壩基滲流進行控制，壩基中通常會布置防滲帷幕、排水孔、排水廊道等滲控措施。及時發(fā)現(xiàn)壩基滲漏異常，防微杜漸是當今水電站滲控安全研究的重要課題，正確分析出現(xiàn)的滲漏問題并有針對性的進行防滲處理,對保證水庫的蓄水效益和壩體的安全具有重大意義[3]。

水電站大壩壩基滲漏通道監(jiān)測及準確判定是一項非常困難的課題，滲漏原因的探查和滲漏量的計算主要通過有限的鉆孔直接揭露，或借助于大量地球物理勘探手段。由于高密度電阻率法、地質雷達探測法、流場法和瞬變電阻法等方法的多解性和不確定性，地球物理勘測手段在解決滲漏通道埋深大而空間尺寸相對較小的壩基滲漏問題時存在一定的局限性，操作性不強，且分辨率不高，在壩體整體的滲漏監(jiān)測中往往達不到應有的效果[4]。

快速準確地查明壩基滲漏的主要來源及滲漏通道走向等情況，以科學合理地實施預防及除險加固措施，及時處理壩基滲漏帶來的各種危險隱患，具有十分重要的意義。

觀音巖水電站為金沙江中游河段規(guī)劃的8個梯級電站中的最后1個梯級電站。樞紐主要由攔河大壩、泄洪沖沙建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)等建筑物組成。攔河大壩為由左岸、河中碾壓混凝土重力壩和右岸黏土心墻堆石壩組合而成的混合壩。正常蓄水位1134m，裝機容量3000MW。觀音巖水電站水庫蓄水之后，部分壩段基礎排水孔滲水量相對較大，部分壩段滲壓計監(jiān)測的滲水壓力較高，壩后兩岸地下水位較蓄水前有明顯抬高。

本文通過對觀音巖水電站上下游河水、灌漿洞出水點、壩體滲水點、河水、溪水、泉眼水等外圍環(huán)境及廊道內排水孔的水溫和pH值進行檢測，研究壩基滲水的滲漏量、溫度、pH值等物理量關系，結合相關資料進行綜合分析和研究，確定壩基滲漏的主要來源及通道走向，把錯綜復雜的問題化繁為簡，取得了良好的應用效果，可為水庫、水電站等堤壩工程中滲漏通道的監(jiān)測提供借鑒。

1 觀音巖電站水溫和pH值監(jiān)測

1.1 儀器選擇

觀音巖水電站消力池、出水口深部水溫、大壩上游近壩深部水溫檢測采用銅電阻溫度計直接測試，溫度測試范圍-30.0℃～70.0℃，溫度測量誤差±0.5℃。

上下游河水、灌漿洞出水點、壩體滲水點、河水、溪水、泉眼水等周邊環(huán)境水溫和pH值測試使用CLEANPH200便攜式酸堿度測試儀的溫度電極和pH電極檢測。測試儀主要技術參數(shù)見表1。

表1 便攜式酸堿度測試儀主要技術參數(shù)

1.2 檢測方法

現(xiàn)場檢測方式根據(jù)水量大小分為直接測量法和間接測量法。

?直接測量法：當測點的水量較大且溫度電極和pH電極可以同時放入排水孔時，則直接測量排水孔水溫和pH值；

?間接測量法：當測點的水量較小或溫度電極和pH電極無法放入排水孔時，則先用玻璃杯或塑料瓶接滿水后，通過測量杯內(瓶內)的水溫和pH值，間接測量排水孔水溫和pH值。

間接測量時，pH值與實際值無實質性變化，但水溫可能受環(huán)境溫度影響而升高或降低，因此為確保測試準確度，采取措施包括：接水和測量時，人體不接觸杯體或瓶體；以最快速度接滿水且一邊接水一邊測量，盡量獲得更接近的溫度值；多次、不同的環(huán)境溫度下接水測量，溫度差值在±0.5℃范圍內為合格，取平均值為最終檢測值；若環(huán)境溫度高于測點水溫，則取測試溫度的極小值；若環(huán)境溫度低于測點水溫，則取測試溫度的極大高。

1.3 結果分析

1.3.1 上游庫水及下游河水的水溫

檢測期間上游庫水水溫呈現(xiàn)表層較高、底層較低的現(xiàn)象，水溫隨高程降低逐層降低并趨于穩(wěn)定。表面1m內水溫最高測值約為20℃，最低測值約為16℃，受環(huán)境影響大。底層水溫穩(wěn)定，最終穩(wěn)定值約為14.5℃。

檢測期間壩后出水口各層水溫較穩(wěn)定，約為15.5℃。此溫度值與進水口處水溫值相當。

檢測期間壩后消力池各層水溫較穩(wěn)定，約為16.6℃。此溫度值略高于出水口水溫，與上游淺層庫水處水溫值相當。

綜合分析上游庫水及下游河水溫度檢測成果資料，可知上游庫水的基本溫度不超過16℃，下游河水與上游庫水水溫基本一致，均小于17℃。

1.3.2 上游庫水和下游河水的pH值

檢測期間，上游庫水、出水口、下游河水pH值為8.3～8.5，消力池處水的pH值約為8，均呈弱堿性。

綜合分析上游庫水及下游河水pH值檢測成果資料，可知pH值最低值大于8.0，呈弱堿性。

1.3.3 壩址區(qū)基礎巖體與地下水溫度及pH值

各基礎巖體溫度監(jiān)測值基本穩(wěn)定，統(tǒng)計壩基基礎巖體溫度計，溫度范圍為19.05℃～23.7℃，平均值21.7℃。

各測點地下水的溫度均大于23℃，純地下水的pH值小于7，而混入河水的pH值相對偏高，基本接近于河水pH值。

綜合分析基礎巖體溫度和地下水溫度資料，可知正常地下水的溫度不小于基礎巖體溫度，即22℃，若經(jīng)過長距離在地下巖體中滲流，溫度應在23℃左右，正常地下水對應pH值小于7。

1.3.4 排水廊道內基礎排水孔水溫和pH值

對排水廊道內基礎排水孔的水溫和pH值測量后，繪制出基礎排水孔溫度及pH值檢測成果頻率分布統(tǒng)計圖，如圖1、圖2所示。

圖1 基礎排水孔pH值頻率分布

圖2 基礎排水孔水溫頻率分布

由圖1可知，基礎排水孔滲水pH值主要分布在8～12之間，平均值9.6。此數(shù)值明顯高于上游庫水的pH值，說明壩基地下水受灌漿及混凝土堿性影響大，最終認為pH值小于10時，對應區(qū)域的滲水可能與上游庫水相關，但應與其他資料結合分析。

由圖2可知，基礎排水孔滲水溫度分布主要分布在17℃～23℃，平均值19.9℃。

2 滲水運移過程中水溫與pH值變化規(guī)律

正常情況下，基礎巖體溫度高于上游庫水溫度，地下水的pH值小于上游庫水的pH值，因此若庫水經(jīng)過地下基礎巖體運移，則水溫應逐漸升高并逐步接近基礎巖體溫度，pH值逐漸上升并逐步接近混凝土的pH值。結合溫度與pH值檢測成果，可以得出在滲水運移過程中水溫與pH值的變化規(guī)律：

?若上游庫水與下游河水直接相連，則上下游水的溫度和pH值無變化。

?若上游庫水經(jīng)過基礎巖體內部短時間、短距離的運移且滲水量較大時，則滲水溫度將較上游庫水溫度有一定升高，但更接近上游庫水溫度，相應的pH值有上升趨勢，pH值升高不明顯。

?若上游庫水經(jīng)過基礎巖體內部短時間、短距離的運移但滲水量較小時，則滲水溫度將較上游庫水溫度有明顯升高，滲水溫度介于基礎巖體溫度和上游庫水溫度之間，相應的pH值有上升趨勢，pH值稍有升高。

?若上游庫水經(jīng)過基礎巖體內部長時間、長距離的運移但滲水量較小時，則滲水溫度將升高至與基礎巖體溫度相當，pH值應有明顯升高。在灌漿洞端頭檢測出的水溫和pH值即反映這種情況。

?若上游庫水經(jīng)過基礎巖體內部長時間、長距離的運移但水量較大時，則滲水溫度將較上游庫水溫度有明顯升高，滲水溫度介于基礎巖體溫度和上游庫水溫度之間，pH值應變化不明顯。

?經(jīng)檢測水泥漿液pH值為11.4，混凝土的pH值為12.9，受基礎巖體固結灌漿、帷幕灌漿、化學灌漿處理孔段及混凝土影響區(qū)域，上游庫水經(jīng)過時其pH值將有所提高。pH值提高量的大小與滲水量有關，若滲水量小則流速小，水在堿性環(huán)境中的時間更長，堿濃度增大，表現(xiàn)為pH值增大；水量大則流速大，則水在堿性環(huán)境中的時間更短，堿濃度更小，表現(xiàn)為pH值減小。滲水pH值受影響因素較溫度更大且更復雜，應結合溫度、水量、灌漿及混凝土等情況分析。

3 各區(qū)域來水通道綜合分析

大壩壩基通常布置有防滲帷幕和排水孔組成的滲控系統(tǒng)。觀音巖水電站防滲帷幕包括壩踵附近的上游帷幕、壩趾附近的下游帷幕及廠房壩段的廠房帷幕。下游帷幕分別與上游帷幕和廠房帷幕銜接，構成壩基防滲封閉區(qū)域。防滲封閉區(qū)域內從上游到下游依次布置了上游主排、輔助排水、下游主排和廠房排水[5]。對各排水廊道排水孔滲水量統(tǒng)計見表2。

表2 排水孔滲水量統(tǒng)計

結合滲壓、滲流、水位孔等監(jiān)測資料以及相關檢測資料，進一步分析壩基滲水或壓力異常偏高部位與上游水位的相關性，繪制出水溫、pH值等值線分布如圖3、圖4所示。

圖3 壩基pH值等值線分布

圖4 壩基水溫等值線分布

由圖3、圖4可知，當排水通暢時滲壓值低，排水受堵時滲壓值高，但各區(qū)域來水通道有一定區(qū)別：

?9號壩段基礎滲水水壓主要受左岸帷幕端頭繞滲來水影響，上游來水對其有影響但相對較小。

?14號壩段和16號壩段基礎滲水水壓主要受上游來水影響，來水可能穿過帷幕或者繞過帷幕底部，左岸來水對其有影響但相對較小。

?河中17號～19號壩段滲水與上游庫水相關較明顯，滲水主要來源于帷幕淺部部位。

?右岸20號壩段以右滲水可能來源于右岸帷幕端頭繞滲來水或從22號壩段～24號壩段位置的帷幕及帷幕底部繞滲來水。

?廠房片區(qū)基礎滲水水壓在一定程度上受上游來水影響較下游或其他方向來水影響大。

4 滲漏異常區(qū)分析

4.1 異常滲水溫度及pH值確定

上游庫水和下游河水的基本溫度不超過17℃，pH值最低值大于8，呈弱堿性；而正常地下水的溫度不小于22℃，對應pH值應小于7。結合水溫和pH值空間變化規(guī)律，將不同區(qū)域的滲水可能與上游庫水相關性劃分為以下四類異常等級：

a.一類異常。水溫小于17℃、pH值為10.5～11.9，滲水量較大。推測滲水為透過帷幕來水，集中性多點中量滲透，滲水點深度主要在帷幕的淺部～中深部。

b.二類異常。水溫為17℃～20℃、pH值為9.7～11.2，滲水量較大。推測滲水較大可能為透過帷幕來水，或繞過帷幕底來水，滲水點埋深較大。

c.三類異常。水溫較接近地下水溫度(19℃～21℃)、pH值小于10，滲水量較大。推測存在滲水為透過帷幕來水的可能，但可能性較二類異常小。

d.四類異常。水溫基本接近地下水溫度(或等于地下水溫度，水溫大于21℃)、pH值小于10，滲水量較大?；敬_定滲水不是透過帷幕來水，而是繞過兩岸帷幕來水或(并混入部分)地下水。

4.2 上游帷幕滲漏異常區(qū)分析

上游帷幕滲漏異常區(qū)從左岸至右岸主要分為5個區(qū)域：

a.異常①區(qū)。該區(qū)域為二類異常區(qū)，位于10號壩段～16號壩段，水溫較低(17℃～20℃)、pH值9.7～11.0，滲水量較大。此異常區(qū)通過帷幕后向右岸下游發(fā)展，水溫和pH值逐步升高，至16號～18號壩段下游帷幕結束。

b.異常②區(qū)。該區(qū)域為一類異常，位于18號壩段～19號壩段，水溫小于17℃、pH值為10.6～11.7，滲水量大。此異常區(qū)通過帷幕后向右岸下游發(fā)展，水溫逐步升高，pH值變化不大，至第3縱向排水廊道結束。

c.異常③區(qū)。該區(qū)域為一類異常，位于20號壩段右側～24號壩段左側，水溫小于17℃、pH值為10.5～11.4，滲水量大。此區(qū)異常通過帷幕后，向右岸下游發(fā)展，水溫逐步升高，pH值有一定升高，至24號壩段～25號壩段下游帷幕結束。

d.異常④區(qū)。該區(qū)域為三類異常，位于25號壩段～26號壩段，主要表現(xiàn)為水溫較接近地下水溫度(19℃～21℃)、pH值小于10，滲水量較大。此區(qū)異常通過帷幕后，向下游發(fā)展，水溫逐步升高，pH值變化不大，至第2縱向排水廊道結束。

e.異常⑤區(qū)。該區(qū)域為三類異常，位于30號壩段～31號壩段，主要表現(xiàn)為水溫較接近地下水溫度(19℃～21℃)、pH值小于10，滲水量較大。此區(qū)異常通過帷幕后，向下游發(fā)展，水溫逐步升高，pH值變化不大，至第2縱向排水廊道結束。

4.3 下游帷幕滲漏異常區(qū)分析

下游帷幕滲漏異常區(qū)從左岸至右岸主要分為2個區(qū)域：

a.下游異常①區(qū)。該區(qū)域為三類異常，位于21號壩段～22號壩段下游，主要表現(xiàn)為水溫較接近地下水溫度(19℃～21℃)，推測滲透類型主要表現(xiàn)為面積性多點小量滲透，滲水點深度主要在帷幕的底部，主要影響21號壩段～22號壩段下游帷幕附近區(qū)域，此區(qū)域滲水也可能同時受上游異常③區(qū)來水影響；

b.下游異常②區(qū)。該區(qū)域為三類異常，位于24號壩段右側～25號壩段下游，主要表現(xiàn)為水溫較接近地下水溫度(19℃～21℃)，推測滲透類型主要表現(xiàn)為面積性多點小量滲透，滲水點深度主要在帷幕的底部，主要影響24號壩段右側～25號壩段下游帷幕附近區(qū)域，此區(qū)域滲水也同時可能受上游異常③區(qū)來水影響。

5 結 語

觀音巖水電站大壩壩基滲漏通道監(jiān)測及判定，采用水溫和pH值監(jiān)測的方法，通過深入分析研究壩基滲水運移過程中的水溫與pH值變化規(guī)律及對應的滲透類型，成功確定了壩基滲漏的主要來源及通道走向。溫度和pH檢測法具有無損傷、干擾小、成本低等優(yōu)點，使用的檢測儀器簡單且操作方便，可廣泛應用于水電站壩基滲漏監(jiān)測及探查工作中。