綜合示蹤探測(cè)法在水庫(kù)滲漏探測(cè)及除險(xiǎn)加固的應(yīng)用

夏兵兵

（上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434）

0 引言

水庫(kù)滲流問題是世界各國(guó)都是十分關(guān)注的，我國(guó)90%以上的水庫(kù)存在著滲漏情況，其中30%存在著較為嚴(yán)重的滲漏[1］。滲漏不僅造成了水資源的浪費(fèi)，而且直接關(guān)系到大壩的安全運(yùn)行。大壩的滲漏的原因非常復(fù)雜，如壩體施工質(zhì)量問題引起的滲漏，庫(kù)水通過順河道斷裂帶或破碎帶產(chǎn)生的繞壩基滲漏，以及庫(kù)水通過斷裂帶繞壩肩產(chǎn)生的滲漏等。在堤壩滲漏勘探加固工程中，由于沒有查清堤壩滲透破壞產(chǎn)生的原因而造成的浪費(fèi)在整個(gè)堤壩工程中占有相當(dāng)?shù)谋壤齕2］。解決大壩滲漏問題的關(guān)鍵是調(diào)查清楚滲漏產(chǎn)生的原因以及確定滲漏通道所在的位置。常規(guī)的調(diào)查堤壩滲漏的方法包括：自然電位法、高密度電阻率法、瑞利波法、探地雷達(dá)、水位、水量平衡、鉆孔中滲漏流速測(cè)定、連通試驗(yàn)等[3-6］。

本文利用多種探測(cè)方法，在南方某水庫(kù)滲流中成功探測(cè)到滲流通道與滲流量，并得到印證，在今后類似水庫(kù)加固工程中具有借鑒意義。

1 工程概況

1.1 工程背景

某水庫(kù)大壩建成后即出現(xiàn)滲漏，故在壩坡下游樁號(hào)0+325 附近堆設(shè)堆石棱體，設(shè)置反濾并建設(shè)量水堰，收集壩腳滲漏出水用于監(jiān)測(cè)滲漏量的變化（見圖1）。隨著下游壩腳集滲設(shè)施的完善，水庫(kù)在正常水位81.8 m 運(yùn)行時(shí)的滲漏量由加固前的33 L／s 增大到目前的40 L／s。滲漏水從堆石棱體的孔隙中涌冒出來。通過量水堰內(nèi)收集的滲漏水量與庫(kù)水位的關(guān)系（見圖2），發(fā)現(xiàn)滲漏量與庫(kù)水位的變動(dòng)存在一致性，可以確定量水堰中滲漏水來源于水庫(kù)（由于壩下邊坡匯水也流入量水堰，因此當(dāng)有降雨時(shí)量水堰測(cè)得的滲漏量會(huì)呈尖峰狀）。

圖2 右壩肩三大施工區(qū)域

1.2 滲漏初步分析

根據(jù)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與前期勘探，初步確定水庫(kù)主要滲漏形式為斷裂帶繞壩滲漏。以此為依據(jù)按照工序針對(duì)右壩肩、壩后山體以及庫(kù)區(qū)深大斷裂進(jìn)行了庫(kù)水滲漏探測(cè)以及加固工作。如圖2 所示，按照施工的先后順序，確定了三塊區(qū)域—1 即右壩肩區(qū)域；2 即為山后繞庫(kù)路區(qū)域；3 即為推測(cè)F32 斷裂帶可能通過的區(qū)域。

2 滲漏探測(cè)

2.1 鉆孔勘探

據(jù)已掌握探測(cè)數(shù)據(jù)以及地勘資料，首先在水庫(kù)的右壩肩區(qū)域（加固區(qū)域一見圖3），設(shè)計(jì)了兩排施工鉆孔，分別是B-B'（鉆孔K505—K530），A-A'（K513.5-1—K523-2），見圖3。

圖3 右壩肩鉆孔分布

在對(duì)該區(qū)域施工時(shí)，根據(jù)鉆孔揭露的地質(zhì)形態(tài)，發(fā)現(xiàn)此區(qū)域巖心狀況較復(fù)雜。在該區(qū)域中的位于B-B'截面上的鉆孔K0+510 具有非常明顯的特征，可以代表該區(qū)域的地下水滲流及巖層裂隙發(fā)育基本概況。從巖芯樣可以明顯的發(fā)現(xiàn)右壩肩明顯的裂隙發(fā)育以及裂隙中過水的痕跡。根據(jù)鉆孔巖芯編錄資料得到的鉆孔剖面上巖體裂隙發(fā)育分布見圖4。

圖4 右壩肩鉆孔裂隙發(fā)育分布

2.2 滲漏型式的確定

據(jù)已知的水庫(kù)滲漏的數(shù)據(jù)和庫(kù)水位高程的關(guān)系來分析，2010 年5 月～9 月的南方某水庫(kù)滲漏量與同期庫(kù)水位高程的關(guān)系曲線見圖5。

圖5 水庫(kù)高程與大三角堰滲流量關(guān)系

通常水庫(kù)滲漏量與庫(kù)水位關(guān)系曲線存在圖6中三種形式[7］。曲線A 所示為斜率不斷增大的形式，在該類形式下，水庫(kù)在壩體基本沒有滲漏或者滲漏量很??；曲線B 為斜率為固定值的形式，在該形式下，水庫(kù)的滲漏主要集中于壩體或者壩基的一些滲漏通道、裂隙以及破碎層；曲線C為比較特殊的情況，就是當(dāng)水庫(kù)的壩體為一些巖體組合起來時(shí)，巖體之間存在裂隙產(chǎn)生滲漏，但是當(dāng)庫(kù)水位升高之后，會(huì)對(duì)巖體產(chǎn)生較大的擠壓力，從而會(huì)使巖體之間的裂隙的寬度減小，在一定程度上使得滲漏量減少。從圖中可以明顯看出，隨著庫(kù)水位升高，滲漏量不斷上升，兩者相關(guān)曲線呈斜率不斷增大的趨勢(shì)，由此判斷該水庫(kù)壩體乃至壩基處不存在主要的滲漏通道。

圖6 典型水庫(kù)滲流量與水位關(guān)系

2.3 滲漏源頭確定

水庫(kù)安全鑒定資料顯示（圖7），庫(kù)水位高程在70 m 附近變化時(shí)，滲漏量變化有一個(gè)明顯的臺(tái)階“跳躍”，在庫(kù)水位低于70 m 時(shí)，滲漏量處于較低水平，大約為6 L／s，該數(shù)值為水庫(kù)正常滲流值，而當(dāng)水庫(kù)水位高于70.56 m 時(shí)，滲漏量很快提升至一個(gè)較高水平，見圖4，藍(lán)線代表這個(gè)時(shí)期內(nèi)水位高程的變化曲線，紅線代表這個(gè)時(shí)期內(nèi)大三角堰單位時(shí)間滲漏量的變化曲線，所標(biāo)出部分即為兩者同時(shí)“跳躍”變化的部分。

圖7 水位高程與滲漏量關(guān)系

說明庫(kù)底高程處于70.56 m 的區(qū)域存在較大滲漏，由地質(zhì)勘探的水庫(kù)水下地形圖可知，庫(kù)底高程在70 m 左右的區(qū)域正是繞壩滲漏的源頭區(qū)域，見圖8。

圖8 南方某水庫(kù)水下地形圖庫(kù)尾部分

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 單孔稀釋法

在K0+510 孔成孔后，利用單孔稀釋法，在鉆孔中投入示蹤劑（本項(xiàng)目采用常規(guī)食用鹽作為示蹤劑），利用溫度電導(dǎo)采集儀器，每間隔一段時(shí)間對(duì)孔內(nèi)各深度電導(dǎo)值進(jìn)行探測(cè)，觀測(cè)曲線見圖9。

圖9 示蹤試驗(yàn)曲線

然后利用單孔稀釋原理[7］，通過計(jì)算轉(zhuǎn)換，得到整孔滲透流速分布見圖10。通過流速分析可以看出孔內(nèi)有兩段明顯的大流速滲漏存在。上層的10 m～25 m 段，流速達(dá)到了5 m／d 左右；33 m～37 m 一段同樣存在著明顯滲漏，滲漏的范圍要小于上層，流速峰值也較小，但也有約4 m／d。將鉆孔內(nèi)的溫度值也放在圖10 中，可以看出，由于上層滲漏的流速很大，滲漏段的溫度變化幅度很小，且溫度較高，在28.5℃左右；隨后溫度快速下降，在下層滲漏位置處溫度已降至25.5℃左右。

圖10 K0+510 孔中單孔稀釋法得到的滲漏流速及分布

由于右壩肩裂隙發(fā)育嚴(yán)重，并在孔中測(cè)量到了明顯滲漏情況。因此在鉆孔中進(jìn)行灌漿加固，并取得了明顯的效果，2010 年10 月3 日對(duì)該區(qū)域鉆孔K0+525 進(jìn)行灌漿加固，2010 年10 月4 日量水堰滲漏量立刻減少200 m3，2010 年10 月5 日滲漏量又減少150 m3，滲漏量明顯下降，見圖11，經(jīng)過施工處理區(qū)域1 的滲漏探測(cè)與加固取得了較為明顯的效果。

圖11 10 月3 日K0+525 灌漿后滲漏量減少曲線

由于灌漿堵住了一部分上游來水，且該區(qū)域上部地層破碎范圍廣、程度大，沿邊坡方向的排泄通道依然存在，等到灌漿形成的漿體周邊的水位升高后，滲漏水又重新匯入到排泄通道中，并最終進(jìn)入斷裂帶使量水堰水量又逐漸恢復(fù)到了初始水平。此變化過程示意圖見圖12。

圖12 灌漿后滲漏示意圖

在右壩肩采取的加固施工并不能根本上解決庫(kù)區(qū)繞壩滲漏問題。針對(duì)該區(qū)域地層復(fù)雜、施工難度大的特點(diǎn)，接下來將重點(diǎn)移至滲漏源頭—水庫(kù)右?guī)煳舶哆叄瓷胶螅┑膮^(qū)域進(jìn)行施工，即施工區(qū)域2，并設(shè)計(jì)了K690—K730 鉆孔進(jìn)行勘探灌漿加固。

在對(duì)該區(qū)域進(jìn)行了鉆探勘測(cè)及連續(xù)觀測(cè)后，通過以下幾個(gè)具有典型特征的鉆孔，可以說明該區(qū)域的基本概況，本文以K0+720 為例，見圖13。K0+720 鉆孔在孔深12 m～15 m 時(shí)，電導(dǎo)和溫度都出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，說明該層位存在一定程度滲漏情況。

圖13 電導(dǎo)、溫度變化

該區(qū)域是滲漏源頭。首先通過的區(qū)域鉆孔揭露的地質(zhì)資料發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域的地層破碎狀況、松散層的范圍及巖層的復(fù)雜狀況遠(yuǎn)高于右壩肩，在鉆探過程中，由于地層過于松散破碎，很難取得較全面巖心資料，且由于地理位置特殊，施工難度大，因此將工作重點(diǎn)重新轉(zhuǎn)移回山前右壩肩上壩，F(xiàn)32 斷裂帶可能通過的區(qū)域，滲漏通道的中下游地段—即區(qū)域3。

3.2 示蹤連通試驗(yàn)

示蹤試驗(yàn)方法現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)包括溫度場(chǎng)的測(cè)量、初始電導(dǎo)值測(cè)量及投源示蹤試驗(yàn)測(cè)水平滲透流速三部分。現(xiàn)場(chǎng)選用食用鹽作為示蹤劑，試驗(yàn)方法：將8 mm～10 mm 直徑的塑料管插入孔底，一個(gè)重物綁在它的下端有助于下沉，管的兩端都是開口的。將與從孔水位到孔底一段的塑料管內(nèi)體積相等的示蹤劑溶液通過管上部的另一端注入管中。然后勻速慢慢將塑料管取出，使示蹤劑均勻地分布在全部水柱內(nèi)。

圖14 全孔標(biāo)注試驗(yàn)示意

濃度分布曲線的測(cè)量次數(shù)必須選擇與示蹤劑稀釋的速率相一致。通常在實(shí)驗(yàn)開始階段采用短時(shí)間間隔（例如每5 min或10 min）。1～2 小時(shí)后，測(cè)量增加的次數(shù)作為示蹤劑稀釋速度的函數(shù)。投源之前先測(cè)量電導(dǎo)本底值，記錄時(shí)間、孔號(hào)及電導(dǎo)值，利用投源器即刻測(cè)量電導(dǎo)值，由上至下放入探頭，每1m 記錄一次電導(dǎo)值數(shù)據(jù)，相隔15 min 左右重復(fù)一次測(cè)量，每個(gè)鉆孔如此反復(fù)測(cè)量4～5 次，隨著電導(dǎo)值的逐漸穩(wěn)定，間隔時(shí)間也可以逐漸放寬，可以每隔30 min 測(cè)量一次。

2020 年4 月8 日在K0+627 孔內(nèi)投入10 kg 食用鹽，并且為了使效果更加明顯，4 月9 日在該鉆孔內(nèi)追加投入10 kg 食用鹽，然后連續(xù)對(duì)鉆孔內(nèi)的電導(dǎo)值進(jìn)行追蹤測(cè)量，在隨后的時(shí)間內(nèi)，對(duì)下游量水堰內(nèi)的電導(dǎo)值進(jìn)行密集連續(xù)的追蹤測(cè)量，以確定K0+627 孔是否位于滲漏通道上。食用鹽投入到鉆孔中以后，鉆孔內(nèi)電導(dǎo)值的分布有如的變化規(guī)律見圖15。

圖15 K0+627 鉆孔投入食用鹽后鉆孔內(nèi)的電導(dǎo)值變化

從圖中可以明顯看出，孔內(nèi)存在較強(qiáng)的滲透流速，示蹤劑彌散較快，通過該曲線計(jì)算得出該孔內(nèi)的地下水流速，該孔處于強(qiáng)滲漏水平。在投源后對(duì)量水堰每一個(gè)冒水口進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)，量水堰2、4 號(hào)涌水點(diǎn)電導(dǎo)值有增大現(xiàn)象?？梢哉J(rèn)為2020 年4 月9 日接收到示蹤劑，11 日達(dá)到峰值，峰值濃度分別為115μs／cm、105μs／cm；2020 年4 月15 日左右恢復(fù)到本底濃度。濃度曲線見圖16。

圖16 K0+627 孔投源后量水堰出水口電導(dǎo)變化曲線

從圖中可以明顯看出，在20 年4 月8 日投入示蹤劑，量水堰2、4 號(hào)涌水點(diǎn)在4 月9 日開始有數(shù)據(jù)異常，在4 月10日達(dá)到峰值，后逐步下降至正常水平，這充分說明通過加固施工該區(qū)域與量水堰出水點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了連通。

4 結(jié)論

（1）通過鉆孔、滲流量分析、示蹤法，分析出水庫(kù)滲漏是右壩肩F32 斷裂帶繞壩滲漏的原因，通過對(duì)三大區(qū)域的施工勘探加固過程，根據(jù)連續(xù)的對(duì)所有鉆孔的追蹤觀測(cè)、大量的連通試驗(yàn)數(shù)據(jù)、鉆孔內(nèi)的漏水情況及巖芯情況，進(jìn)一步有力地證實(shí)了該區(qū)域F32 斷裂帶存在滲漏通道這一事實(shí)。

（2）后期灌漿加固施工在前期成功探測(cè)的基礎(chǔ)上，取得了較好效果。

（3）綜合示蹤法在水庫(kù)滲漏探測(cè)中中具有重要用途，并在實(shí)踐中不斷得以完善，該方法具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。