熒光示蹤劑法在壩體滲漏勘查中的應(yīng)用

魏利剛

(四川省水利水電勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610071)

1 概述

壩體滲漏是影響大壩安全的主要因素之一，嚴(yán)重的壩體滲漏不僅會破壞水庫大壩的蓄水功能，且會危害人民的生命財(cái)產(chǎn)安全與社會穩(wěn)定，因此必須及時(shí)有效地對壩體滲漏問題進(jìn)行勘查分析，為壩體的滲漏處理與除險(xiǎn)加固工作提供基礎(chǔ)與保障[1]。傳統(tǒng)的壩體滲漏勘查方法主要包括測壓水位法、壩體變形監(jiān)測法、水體特征分析法等[2]，這些方法普遍存在精確度或勘查效率較低的問題。較為先進(jìn)的壩體滲漏勘查法包括綜合物探法[3]、地面核磁共振地下水探測技術(shù)法[4]、高密度電法[5]和探地雷達(dá)法[6]等，這些方法可大幅提升滲漏勘查的精確度與勘查效率，但依舊存在技術(shù)復(fù)雜、成本過高等問題，因此有必要對新的勘查方法進(jìn)行探索[7]。熒光示蹤劑方法可為壩體滲漏勘查提供一條新的途徑，該方法目前主要應(yīng)用于多孔與巖溶含水層地下水的研究中，主要是在特定的位置投入一定濃度的示蹤劑，對觀測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控，從而對介質(zhì)的特性進(jìn)行判斷。熒光示蹤劑法在水文地質(zhì)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的研究中得到了廣泛的應(yīng)用與檢驗(yàn)[8]，但在壩體滲漏中的應(yīng)用卻鮮有報(bào)道。鑒于此，本文設(shè)計(jì)并進(jìn)行了27組基于熒光示蹤劑方法的壩體滲漏試驗(yàn)，建立了壩體滲透系數(shù)與壩體下游熒光示蹤劑濃度指數(shù)之間的量化關(guān)系。在具體的應(yīng)用中，可以根據(jù)較易獲取的熒光示蹤劑監(jiān)測濃度與本文所得的回歸方程反向推算壩體的滲透特性，該方法可大幅改善壩體滲漏勘查工作的效率與成本，具有較好的可操作性與實(shí)用性。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)思路

分別選取9組不同的土體樣本，首先利用常水頭滲透儀測定各土樣的滲透系數(shù)，再分別采用各土樣構(gòu)筑壩體模型。對每個(gè)模型進(jìn)行3組基于熒光示蹤劑法的壩體滲漏試驗(yàn)，每組分別采用一種特定的熒光示蹤劑。在壩體上游特定的投放點(diǎn)投放一定濃度的熒光示蹤劑，并應(yīng)用熒光計(jì)對下游排水棱體處的熒光示蹤劑濃度進(jìn)行監(jiān)測，得到熒光示蹤劑的濃度指數(shù)。最后，對各組試驗(yàn)的滲透系數(shù)數(shù)據(jù)與熒光劑濃度指數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，得到壩體滲透系數(shù)與熒光示蹤劑濃度指數(shù)之間的回歸關(guān)系式。

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

根據(jù)大壩的常見構(gòu)造形式，設(shè)置簡化的物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如圖1所示。大壩模型中的壩頂寬度為0.5m，壩底寬度為2.42m，壩高為0.8m，壩長為3m。在該模型中，采用不同的土體樣本材料構(gòu)筑壩體，在壩體上游坡面設(shè)置混凝土防滲墻，在防滲墻下部約1/3處鉆孔投放示蹤劑，在壩體下游設(shè)置排水棱體并裝置熒光計(jì)監(jiān)測示蹤劑的濃度。試驗(yàn)?zāi)Ｐ头胖糜趯?m(與壩長相等)、長7.2m的水槽中，上游水位設(shè)置為0.5m，下游水位設(shè)置為0.3m。

圖1 壩體滲漏試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾眯问?/p>

2.3 試驗(yàn)材料

選取不同的土體樣本作為壩體模型的基本材料，為保證各土樣具有不同的巖性，在選取時(shí)先采用篩析法測定樣品的粒度組分，最終選取土壤特性差異較為明顯的土體樣本共9份。采用基姆式70型滲透儀測定各土樣的滲透系數(shù)，之后分別采用各土樣構(gòu)筑壩體模型。

試驗(yàn)使用3種不同的熒光示蹤劑，分別為Uranine，Sulforhodamin B和Tinopal CBS-X。Uranine也稱Fluorescein，在生物醫(yī)學(xué)和醫(yī)療護(hù)理等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。濃縮的Uranine溶液呈深紅色且不發(fā)熒光，但被水稀釋后則可以呈現(xiàn)亮綠色，并可以發(fā)出熒光，其肉眼觀測臨界濃度為100ppb，儀器觀測臨界濃度為0.02ppb。Sulforhodamin B即為國內(nèi)常見的羅丹明B示蹤劑，主要呈粉紅色，其肉眼觀測臨界濃度為100ppb，儀器觀測臨界濃度為0.2ppb。Tinopal CBS-X主要用作熒光增白劑或光亮劑，主要呈透明色，其肉眼觀測臨界濃度為100ppb，儀器觀測臨界濃度為0.2ppb。在壩體下游排水棱體處裝置GGUN FL30熒光計(jì)，檢測示蹤劑濃度，該儀器主要監(jiān)測以下參數(shù)：①溫度(精度為0.01℃)；②渾濁度(精度為0.1NTU)；③電導(dǎo)率(精度為0.5mS/cm)；④Uranine濃度(精度為0.02ppb)；⑤Sulforhodamin B和Tinopal CBS-X的濃度(精度為0.2ppb)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 土體樣本滲透系數(shù)

采用篩析法測定土體樣品的粒度組分，選取基姆式70型滲透儀測定各土樣的滲透系數(shù)，得到各壩體土樣的粒徑分布與滲透系數(shù)，結(jié)果見表1。

由表1可知，各土樣的粒度組分具有較為明顯的差異，因此選取這些樣本來設(shè)置不同的壩體材料工況試驗(yàn)可以減少試驗(yàn)結(jié)果的偶然性，得到具有較強(qiáng)普遍適用性的結(jié)論。根據(jù)滲透系數(shù)測定結(jié)果可知，所選土樣的滲透系數(shù)介于(0.88～5.00)×10-8m/s

表1 壩體土樣的粒徑分布與滲透系數(shù)

之間，覆蓋范圍相對較廣，且各組差異比較明顯。由于擬合分析一般需要較廣的數(shù)據(jù)范圍與較多的數(shù)據(jù)組，因此該試驗(yàn)設(shè)置有利于后續(xù)的擬合分析。

3.2 熒光示蹤劑濃度指數(shù)

在壩體上游特定的投放點(diǎn)(防滲墻下部約1/3處)投放熒光示蹤劑，各示蹤劑溶液的初始濃度C0為10g/L。采用GGUN FL30熒光計(jì)對下游排水棱體處的熒光示蹤劑的濃度進(jìn)行監(jiān)測并自動記錄數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，選取自出現(xiàn)有效讀數(shù)后30分鐘內(nèi)的最大濃度Cmax值，并計(jì)算熒光示蹤劑的濃度指數(shù)C：

(1)

該指數(shù)一般介于0～1之間，無量綱，數(shù)值越大表明壩體滲漏情況越嚴(yán)重。各組壩體滲漏試驗(yàn)的熒光示蹤劑濃度指數(shù)結(jié)果見表2。

表2 壩體滲漏試驗(yàn)的熒光示蹤劑濃度指數(shù)

由表2可知，在相同的試驗(yàn)條件與壩體材料工況下，不同的熒光示蹤劑濃度指數(shù)較為接近，但不完全相同，主要是因?yàn)楦鳠晒馐聚檮┍旧砭哂胁煌倪w移擴(kuò)散特性，因此需要對不同的熒光示蹤劑分別進(jìn)行分析。分析比較表1中的滲透系數(shù)值與表2中的濃度指數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)某土樣的滲透系數(shù)較大時(shí)，其對應(yīng)試驗(yàn)的濃度指數(shù)也較大，說明兩個(gè)變量之間呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系，因此可建立壩體滲透系數(shù)與熒光示蹤劑濃度指數(shù)之間的回歸方程。

3.3 滲透系數(shù)與濃度指數(shù)的擬合分析

對各土樣的滲透系數(shù)與熒光示蹤劑濃度指數(shù)進(jìn)行匯總，對數(shù)據(jù)組按濃度指數(shù)由小到大排序，以熒光示蹤劑濃度指數(shù)為橫坐標(biāo)、滲透系數(shù)為縱坐標(biāo)繪制散點(diǎn)圖，如圖2所示。

圖2 熒光示蹤劑濃度指數(shù)與滲透系數(shù)的擬合分析

由圖2可知，熒光示蹤劑濃度指數(shù)明顯隨壩體滲透系數(shù)的增大而增大，因此采取簡單的擬合分析即可得到兩者之間的回歸方程。在實(shí)際的壩體滲漏勘查中，可根據(jù)下游示蹤劑的濃度指數(shù)來反向評估壩體的滲透特性，因此在擬合分析中選取熒光示蹤劑濃度指數(shù)為自變量、壩體滲透系數(shù)為因變量。采用MATLAB軟件的回歸分析與曲線擬合命令[9]嘗試線性、多項(xiàng)式型、對數(shù)型、指數(shù)型等不同的擬合型式，其中指數(shù)型曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合程度最高，所得的回歸方程式分別為：

(2)

式中，R2—回歸方程與數(shù)據(jù)擬合程度的指標(biāo)，等于回歸平方和在總平方和中所占的比例，該值介于0～1之間，數(shù)值越大表明擬合效果越好。

根據(jù)圖2和式(2)可知，各散點(diǎn)較為接近擬合線，且各擬合方程的R2均較大，因此可以認(rèn)為擬合效果較好、回歸方程的可信度較高。

以上回歸方程具有較高的應(yīng)用價(jià)值，在實(shí)際的壩體滲漏勘查中，可以采用本文所提方法，在上游壩面投放點(diǎn)投入一定濃度的熒光示蹤劑，并在下游排水棱體處對溶液濃度進(jìn)行監(jiān)測，計(jì)算出濃度指數(shù)C，最后采用以上擬合線方程估算出壩體的實(shí)際滲透系數(shù)，而所得的滲透系數(shù)即可代表壩體的整體滲漏狀況。本文所提方法中，熒光示蹤劑的投放與監(jiān)測等環(huán)節(jié)均具有操作簡單、成本低廉等優(yōu)勢，因此基于熒光示蹤劑方法的壩體滲漏勘查方法可以高效、經(jīng)濟(jì)地為壩體滲漏的防治提供依據(jù)。

4 結(jié)語

本文基于熒光示蹤劑法進(jìn)行了壩體滲漏試驗(yàn)，結(jié)果表明應(yīng)用熒光光示蹤劑方法進(jìn)行壩體滲漏勘查具有較好的可行性與實(shí)用性。本文所提的壩體滲漏勘查技術(shù)與相應(yīng)的回歸方程可以為壩體滲漏的勘查分析工作提供新的途徑，具有較好的推廣價(jià)值。但是，物理模型試驗(yàn)普遍存在比例尺效應(yīng)問題，因此有必要進(jìn)一步在實(shí)際的大壩滲漏勘查工作中對其進(jìn)行檢驗(yàn)與改進(jìn)。