溶質(zhì)場探測水庫滲漏通道入口試驗研究

陳亮 張林生 顏書法

摘 要：針對傳統(tǒng)流場擬合法要求滲漏點(diǎn)與周圍介質(zhì)存在明顯電性差異的缺點(diǎn)，改用溶質(zhì)場去擬合水流場。用自行設(shè)計的模型槽開展了室內(nèi)模型試驗研究，模擬了有滲漏通道入口與無滲漏通道入口兩種情況，通過在模擬壩體迎水面布置電導(dǎo)率傳感器，繪制出兩種情況下迎水面上的電導(dǎo)率等值線圖。對兩種情況下等值線圖進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，滲漏通道附近的電導(dǎo)率明顯偏大，并且偏大區(qū)域的中心位置與實(shí)際滲漏通道入口的中心位置基本一致。試驗結(jié)果表明，利用溶質(zhì)場進(jìn)行水庫滲漏通道入口的探測是可行的，并且具有簡單、快捷等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：水庫滲漏；溶質(zhì)場；探測；電導(dǎo)率

中圖分類號：TV62 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.01.023

引用格式：陳亮，張林生，顏書法.溶質(zhì)場探測水庫滲漏通道入口試驗研究[J].人民黃河，2022，44（1）：112-115.

LaboratoryModelTestonDetectingtheEntranceofReservoirLeakagePassagebySoluteField

CHENLiang1，2，ZHANGLinsheng1，2，YANShufa1，2

（1.GeotechnicalResearchInstitute，HohaiUniversity，Nanjing210098，China；2.KeyLaboratoryof MinistryofEducationforGeomechanicsandEmbankmentEngineering，HohaiUniversity，Nanjing210098，China）

Abstract：Inviewoftheshortcomingsofthetraditionalflowfieldfittingmethod，whichrequiresobviouselectricaldifferencebetweenthe leakagepointandthesurroundingmedium，thesolutefieldwasusedtofittheflowfield.Thelaboratorymodeltestwascarriedoutwithaself designedmodeltank.Thetwocasesofinletwithleakagepassageentranceandwithoutleakagepassageentranceweresimulated.Byarranging conductivityprobeontheupstreamsurfaceofthesimulateddambody，thecontourmapofconductivityvalueontheupstreamsurfaceofthe twocaseswasdrawn.Bycomparingandanalyzingthecontourmapofthetwocases，itwasfoundthattheconductivityvalueneartheleakage passageentrancewouldbesignificantlylarger.Thecentralpositionofthelargerareaisbasicallyconsistentwiththeactualentranceofthe leakagepassage.Thetestresultsshowthatitisfeasibletousesolutefieldtodetecttheentranceofreservoirleakagepassage，andithasthe advantagesofsimplicityandrapidity.

Keywords：reservoirleakage；solutefield；detection；conductivity

我國修建水庫歷史悠久，新中國成立以來，伴隨著大江大河的治理，建成了大量的中小型水庫，為我國水患治理及經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供了巨大幫助。水庫的安全問題不容忽視，據(jù)水利部調(diào)查統(tǒng)計，全國241座大型水庫先后發(fā)生過近1000宗工程事故，其中滲漏管涌事故最多，占比達(dá)到了31.7%，其次是壩體和鋪蓋的裂縫、滑坡坍塌等[1-2]，因此為保證水庫的正常運(yùn)行，必須有快捷、可靠的滲漏探測技術(shù)。

目前，水庫滲漏探測的常用方法有自然電場法[3]、探地雷達(dá)法[4]、溫度場探測法[5]、高密度電阻率法[6]、流場擬合法等。其中流場擬合法是何繼善院士提出的探測水流流向和相對流速的物理探測技術(shù)[7]，其基本原理是利用水流場與電流場的相似性，建立一個人工特殊電流場來擬合滲漏水流場，通過測定電流場的分布來查明水流場的分布（流向和相對流速），最后綜合確定滲漏通道的位置。

流場擬合法雖然能夠準(zhǔn)確、快速地探測滲漏點(diǎn)，但該方法要求滲漏點(diǎn)與周圍介質(zhì)存在明顯的電性差異，實(shí)際工程中有時不符合該條件。筆者基于流場擬合法的基本原理，利用溶質(zhì)場去擬合水流場，通過探測溶質(zhì)在水域中的分布情況，推測滲漏通道的位置。主要采用自主設(shè)計的試驗裝置進(jìn)行試驗，通過數(shù)據(jù)處理與分析，最終得出結(jié)論，驗證該方法的可行性。

1 試驗原理

江、河、湖、庫中水流的分布有其自身的規(guī)律，其中水流速度在空間上的分布可以視為流場，正常情況下流場為正常場。特別對水庫而言，若無滲漏或其他原因引起水的流動（如發(fā)電、地表徑流等），則水庫中的水可以視為靜止的，即水庫中各點(diǎn)的流速為零[8]。而溶質(zhì)在靜水中的運(yùn)動是一種側(cè)向擴(kuò)散和垂向擴(kuò)散的疊加[9]，經(jīng)過一段時間的擴(kuò)散后，一定范圍水域中某點(diǎn)的溶質(zhì)濃度將只與該點(diǎn)的深度有關(guān)。當(dāng)水庫出現(xiàn)滲漏情況時，必然存在從迎水面向背水面的滲漏通道，在出現(xiàn)管涌情況下此通道更為明顯。滲漏通道導(dǎo)致異常流場的產(chǎn)生，此異常流場最重要的特點(diǎn)是水流速度的矢量場指向滲漏通道的入水口，如果此時投放溶質(zhì)，那么溶質(zhì)的擴(kuò)散及分布情況自然也會受到異常流場的影響。水流場的各項數(shù)值往往難以測定，可以投放溶質(zhì)，然后測定溶質(zhì)的分布，溶質(zhì)的分布又可以通過測定水域中各點(diǎn)的電導(dǎo)率來確定，進(jìn)而分析出滲漏通道入水口的位置。

目前氯化鈉獲取簡便、現(xiàn)象明顯、無污染，是室內(nèi)試驗和實(shí)際工程中首選的示蹤劑，并且氯化鈉溶液的濃度與其電導(dǎo)率為線性關(guān)系[10]，因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時可以用電導(dǎo)率值代替溶質(zhì)濃度值來分析。為了具體驗證“溶質(zhì)場法”的可行性，以及探究數(shù)據(jù)的處理分析方法，通過室內(nèi)模型試驗進(jìn)行了初步研究。

2 室內(nèi)模型試驗

2.1 試驗儀器

2.1.1 試驗?zāi)Ｐ筒?/p>

試驗?zāi)Ｐ筒凼情L、寬、高分別為80、40、50cm的有機(jī)玻璃水槽，見圖1（尺寸均為內(nèi)部尺寸），具體介紹如下。

（1）開孔隔板。在距離模型槽右側(cè)槽壁15cm處設(shè)置一隔板，用來模擬水庫壩體的迎水面，隔板與模型槽的連接部分進(jìn)行防水處理，防止漏水。隔板上開6個半徑為2.5cm的圓孔（孔中心距15cm），用來模擬滲漏通道的入水口，并在隔板上建立xoy二維平面直角坐標(biāo)系。

（2）蓄水區(qū)。模型槽左側(cè)壁與開孔隔板之間的區(qū)域設(shè)置為蓄水區(qū)，用來模擬水庫的上游區(qū)域。

（3）填土區(qū)。開孔隔板與模型槽右側(cè)壁之間的區(qū)域設(shè)置為填土區(qū)，用來裝砂樣，模擬水庫壩體，并在模型槽右側(cè)壁20cm高處開一排圓孔作為排水口，圓孔用濾網(wǎng)封住，防止砂樣流失。

2.1.2 電導(dǎo)率采集裝置

電導(dǎo)率采集采用Y-EC-C1智能電導(dǎo)率傳感器，通過加工將一定數(shù)量傳感器布置在同一條數(shù)據(jù)傳輸線上，并使用配套的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行記錄。由于在實(shí)際水庫中，難以將數(shù)據(jù)傳輸線直接固定在水域中，并且壩體迎水面附近的水域受滲漏通道產(chǎn)生的異常流場影響最大，因此可以將數(shù)據(jù)傳輸線上部分固定在壩體迎水面水位之上，傳感器部分沿著迎水面放入庫水中。在本次試驗中選擇緊貼著開孔隔板將傳感器布置在蓄水區(qū)中，在數(shù)據(jù)傳輸線與開孔隔板頂部的交點(diǎn)處用膠帶進(jìn)行固定，具體布置見圖2。

如圖2所示，本次試驗分別在x=1、10、20、30、39cm處布置了數(shù)據(jù)傳輸線，每條數(shù)據(jù)傳輸線上有5個傳感器，每個傳感器長3cm、寬1cm，測量的是傳感器中心點(diǎn)處的電導(dǎo)率，中心點(diǎn)的y軸坐標(biāo)分別為y=1.5、9.5、17.5、25.5、33.5cm。這樣就完成了25個傳感器的布置，傳感器采集的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸線、集線器進(jìn)行傳輸，最終保存在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。

2.1.3 溶質(zhì)投放裝置

本次試驗溶質(zhì)投放裝置采用內(nèi)直徑為40mm的PVC管，該管長200mm，下半部分管壁均勻開孔，開孔率為30%，并在開孔部分外側(cè)裹上濾網(wǎng)，防止氯化鈉直接漏出。試驗時將PVC管固定在模型槽左側(cè)壁并浸入水下，從孔口加入氯化鈉即完成投放溶質(zhì)的操作。

2.2 試驗材料

試驗用水為自來水，所用自來水的電導(dǎo)率穩(wěn)定在280μS/cm，溶質(zhì)采用氯化鈉，氯化鈉溶液的電導(dǎo)率與質(zhì)量濃度的關(guān)系如圖3所示。

由此可以認(rèn)為氯化鈉溶液的電導(dǎo)率值與濃度成正比，可以用電導(dǎo)率來代替濃度值進(jìn)行分析。

2.3 試驗方案

主要試驗過程分為兩個部分。

第一部分，探究無滲漏通道入口時溶質(zhì)在壩體迎水面的分布情況。將開孔隔板上的開孔全部封住，向模型槽蓄水區(qū)通水，至水深為40cm后停止通水；將溶質(zhì)投放裝置固定在模型槽左側(cè)壁中間，并使溶質(zhì)投放裝置底部浸入水面以下5cm，隨后從孔口向其中加入100g氯化鈉粉末，完成溶質(zhì)投放；將完成溶質(zhì)投放的時刻記為0時刻，此時開啟數(shù)據(jù)盒記錄傳感器測量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)盒每隔1s記錄一次數(shù)據(jù)，180s后結(jié)束記錄。

第二部分，探究有滲漏通道入口時溶質(zhì)在壩體迎水面的分布情況。首先將隔板上1號開孔打開，保持其他孔為封閉狀態(tài)，以模擬壩體在1號開孔位置出現(xiàn)滲漏通道入水口的情況，向模型槽蓄水區(qū)通水，直至水深為40cm，不斷調(diào)節(jié)通水流量以保證蓄水區(qū)水深保持在40cm，待蓄水區(qū)水深及右側(cè)壁開孔排水量均穩(wěn)定后，可以認(rèn)為整個試驗裝置的流場已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。之后的溶質(zhì)投放以及數(shù)據(jù)記錄與第一部分試驗一致。整個流程完成即完成1號開孔打開情況下的試驗后，依次打開2、3、4、5、6號開孔（每次試驗只有一個開孔打開，其余保持封閉），完成第二部分試驗。

3 試驗數(shù)據(jù)分析

對無滲漏通道入口試驗的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，除y=33.5cm的5個傳感器讀數(shù)始終不發(fā)生變化外，其他傳感器的讀數(shù)均發(fā)生明顯變化，并且最早在t=60s時這些傳感器的讀數(shù)發(fā)生明顯變化。取t=60s時25個傳感器的讀數(shù)，利用Surfer軟件畫出這25個傳感器所構(gòu)成區(qū)域的電導(dǎo)率等值線圖，如圖4所示。從圖4可以看出，在無滲漏通道入口情況下，當(dāng)溶質(zhì)運(yùn)移到隔板處時，隔板平面上某一點(diǎn)的溶質(zhì)濃度只與該點(diǎn)的y值有關(guān)，即只與深度相關(guān)。

對有滲漏通道入口試驗的6組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)除y=33.5cm的5個傳感器讀數(shù)始終不發(fā)生變化外，其他傳感器的讀數(shù)均發(fā)生明顯變化，并且6組數(shù)據(jù)中傳感器讀數(shù)都是最早在t=45s時發(fā)生明顯變化，與無滲漏通道入口試驗中最早在t=60s時傳感器讀數(shù)均發(fā)生明顯變化相比提前了，說明滲漏通道入口的存在加快了溶質(zhì)的運(yùn)移速度。6組數(shù)據(jù)均取t=45s時25個傳感器的讀數(shù)，利用Surfer軟件畫出這25個傳感器所構(gòu)成區(qū)域的電導(dǎo)率等值線圖，如圖5所示。

從圖5可以看出，當(dāng)滲漏通道入口存在時，隔板平面電導(dǎo)率等值線會在某些區(qū)域存在異常凸起現(xiàn)象。為了將這種異常凸起與正常的等值線起伏區(qū)分開，以及為了具體確定異常區(qū)域的范圍，可以通過以下3個步驟進(jìn)行異常區(qū)域的框選：①首先找到等值線圖中同時存在多條等值線產(chǎn)生凸起并且凸起程度明顯的區(qū)域，如圖5（a）左上角和圖5（b）中間位置等，將這些區(qū)域作為檢測區(qū)域。對于其他一些有等值線起伏，但起伏等值線數(shù)量少及起伏程度小的區(qū)域，視為正常等值線的起伏，如圖5（c）左上角及圖5（f）左下角等。②將等值線從水平轉(zhuǎn)為凸起的點(diǎn)稱為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的切線與水平方向的夾角稱為等值線的凸起角，以凸起角大于30°為標(biāo)準(zhǔn)對檢測區(qū)域的等值線進(jìn)行檢驗，可得到上下兩條邊界等值線。③將上下兩條邊界等值線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)及上邊界等值線的最高點(diǎn)作為邊界點(diǎn)，以邊界點(diǎn)為限制作一長方形，將此長方形區(qū)域作為等值線異常區(qū)域。

圖5（a）完整地體現(xiàn)了這3個步驟，虛線框代表最終的異常區(qū)域，同理對圖5（b）～（f）進(jìn)行處理。已知滲漏通道會導(dǎo)致異常流場的產(chǎn)生，此異常流場最重要的特點(diǎn)就是水流速度矢量場指向滲漏通道的入水口，這就導(dǎo)致溶質(zhì)向滲漏通道入口聚集，進(jìn)而產(chǎn)生電導(dǎo)率偏高的現(xiàn)象，因此可以判斷虛線框標(biāo)注的部分包含滲漏通道入口的位置。用虛線框的中心位置代表試驗推測出的滲漏通道入口中心位置，與實(shí)際的滲漏通道入口中心位置進(jìn)行對比，見表1。

從表1可以看出，通過電導(dǎo)率等值線圖推測的滲漏通道入口中心位置坐標(biāo)與實(shí)際滲漏通道入口中心位置坐標(biāo)相差很小，6組試驗中兩者中心點(diǎn)的最大距離為1.93cm，小于滲漏通道半徑（滲漏通道半徑為2.5cm）。說明推測的中心點(diǎn)一直保持在實(shí)際滲漏通道入口平面內(nèi)，證明通過探測溶質(zhì)在水域中的分布可以準(zhǔn)確判斷出水庫滲漏通道入口的位置。

4 結(jié) 論

（1）通過室內(nèi)模型試驗，驗證了溶質(zhì)場探測水庫滲漏通道入口的可行性。即通過在水庫上游合適位置投放溶質(zhì)，然后探測壩體迎水面的電導(dǎo)率分布情況，根據(jù)滲漏通道入口處電導(dǎo)率會明顯偏大的理論，可以判斷出探測區(qū)域是否存在滲漏通道入口。與傳統(tǒng)的流場擬合法相比，克服了需要滲漏點(diǎn)與周圍介質(zhì)存在明顯電性差異的缺點(diǎn)。

（2）將電導(dǎo)率明顯偏大區(qū)域的中心點(diǎn)作為滲漏通道入口中心點(diǎn)，該點(diǎn)與實(shí)際滲漏通道入口中心點(diǎn)距離較小，一般可以保持在實(shí)際滲漏通道入口平面內(nèi)，說明溶質(zhì)場探測水庫滲漏通道入口具有較好的精度。

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【責(zé)任編輯 張華巖】