基于聲吶技術(shù)的霍林河水庫大壩滲漏區(qū)分析

王周萼 王小波 杜國平

摘 要：滲漏是水庫壩址區(qū)存在的主要工程地質(zhì)問題。因滲漏具有隱蔽性，采用鉆探或普通物探方法準(zhǔn)確查明滲漏區(qū)非常困難。在霍林河水庫大壩滲漏分析工作中，采用聲吶流速探測儀進(jìn)行大壩滲漏探測，獲取各鉆孔不同深度的滲漏流速。據(jù)此計(jì)算各滲漏區(qū)的滲透性，確定大壩滲漏區(qū)為強(qiáng)透水區(qū)和中-強(qiáng)透水區(qū)。滲漏區(qū)的確定為采取針對(duì)性的防滲堵漏措施提供了科學(xué)依據(jù)，相關(guān)分析方法可為類似工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：滲漏區(qū)；聲吶技術(shù)；滲漏強(qiáng)度；滲漏流速；滲透性

中圖法分類號(hào)：TV697.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

滲漏是水庫壩址區(qū)存在的主要工程地質(zhì)問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國水庫發(fā)生的工程事故中，因大壩滲漏導(dǎo)致的事故約30%，潰壩事故中，由大壩滲漏引起的事故約60%[1]。準(zhǔn)確探測滲漏區(qū)進(jìn)而采取針對(duì)性的防滲處理措施，對(duì)保證水庫正常運(yùn)行與大壩安全具有重要意義。

因滲漏具有隱蔽性，準(zhǔn)確查明滲漏區(qū)非常困難，尤其是對(duì)滲漏點(diǎn)分散、滲流速度小的滲漏。傳統(tǒng)探測手段主要是采用鉆孔進(jìn)行注水或壓水試驗(yàn)查明巖土體滲透性，然后對(duì)大壩進(jìn)行滲透性評(píng)價(jià)[2-4]，或采用普通物探方法作為輔助[5-6]。鉆探的缺點(diǎn)是，利用鉆孔每隔5 m左右進(jìn)行一次注水或壓水試驗(yàn)，工作量非常大且繁瑣，效率很低，加之鉆孔間距較大，如鉆孔之間可能存在較大的滲漏點(diǎn)但未被鉆孔揭露，易錯(cuò)過滲漏量大的部位；試驗(yàn)段長度也會(huì)影響滲透性結(jié)果，如某處為強(qiáng)滲漏點(diǎn)，但是做壓水試驗(yàn)時(shí)，該處位于某試驗(yàn)段內(nèi)，試驗(yàn)結(jié)果可能為弱滲透性。而普通物探具有多解性，誤差較大，一般只能確定滲漏異常的大致區(qū)域，難以作為確定水庫滲漏部位的主要手段。因此，在進(jìn)行滲漏處理時(shí)，為防止可能遺漏的滲漏點(diǎn)，一般對(duì)大壩采取全斷面防滲措施，即對(duì)壩基可能的滲漏區(qū)以及壩體正常蓄水位以下的區(qū)域全部進(jìn)行防滲處理，這樣做的弊病是無需進(jìn)行防滲的部位也進(jìn)行了防滲，造成投資的極大浪費(fèi)。

近年來，聲吶技術(shù)在大壩滲漏探測方面已有一些應(yīng)用。譚界雄等[7]采用聲吶技術(shù)查明了白云水電站的大壩滲漏點(diǎn)。劉迪等[8]使用聲吶滲漏探測于橋水庫大壩滲漏點(diǎn)，成功找到滲漏位置。杜家佳等[9]將聲吶滲流探測在可視化成像方面進(jìn)行了擴(kuò)展。杜國平等[10]在盾構(gòu)井中采用聲吶技術(shù)測量地下水滲流場的流速、流向、流量與滲透系數(shù)。周游等[11]采用聲吶探測儀確定了基坑開挖中可能出現(xiàn)的異常滲流部位?？梢?，在地下水滲流探測方面，聲吶技術(shù)具有很好的應(yīng)用前景。

在霍林河水庫大壩滲漏分析工作中，采用聲吶流速探測儀對(duì)大壩滲漏進(jìn)行探測，取得各探測點(diǎn)的滲漏流速，計(jì)算得到相應(yīng)的滲漏量及滲透系數(shù)，在此基礎(chǔ)上分析確定大壩滲漏區(qū)，為采取針對(duì)性的防滲堵漏措施提供了準(zhǔn)確依據(jù)。

1 大壩結(jié)構(gòu)及滲漏特征

霍林河水庫位于內(nèi)蒙古通遼市扎魯特旗境內(nèi)，霍林郭勒市以上26 km處。水庫總庫容約4 900萬m3，正常蓄水位950 m，主要由大壩、泄洪洞、取水洞等建筑物組成。大壩為瀝青混凝土心墻砂殼壩，壩頂長1 105 m，寬5 m，高程953 m，最大壩高26.10 m。上游坡比1∶3.5，采用模袋混凝土護(hù)坡，下游坡比1∶3.0～3.5，采用碎塊石護(hù)坡。壩體采用厚0.5 m的瀝青混凝土心墻防滲，其兩側(cè)設(shè)砂礫石過渡層。壩基上部主要為中粗砂等構(gòu)成的土層，下部基巖為凝灰?guī)r，強(qiáng)風(fēng)化巖體較破碎，具中等透水性；壩基采用厚0.6 m的混凝土防滲墻防滲，底部多進(jìn)入基巖0.5 m，部分位于覆蓋層內(nèi)。心墻軸線位于壩軸線上游1.8 m處，墻頂接壩頂防浪墻，底部與壩基混凝土防滲墻相接，形成封閉的大壩防滲體。水庫建成以來，因存在嚴(yán)重滲漏，未曾達(dá)到正常蓄水位。當(dāng)庫水位處于938 m以下時(shí)，壩后局部有滲漏現(xiàn)象，滲漏量較小，隨著庫水位升高，滲漏量有增加趨勢。當(dāng)庫水位處于943 m左右時(shí)，滲漏點(diǎn)多且明顯。從壩后滲漏情況看，以樁號(hào)0+266～0+600段最為明顯，該段壩后坡腳潮濕，地下水埋深小，坑洼處有積水，局部存在較強(qiáng)集中式滲漏。

通過壩后量水堰進(jìn)行滲漏量觀測，最大年滲漏量約650萬m3，最小年滲漏量約160萬m3。總體上滲漏嚴(yán)重，影響水庫效益，同時(shí)也威脅大壩安全，迫切需要采取滲流控制措施。

2 聲吶滲漏探測的基本原理

聲吶是利用聲波在水中的傳播特性，通過電聲轉(zhuǎn)換與信息處理，完成水下探測的技術(shù)，是水聲學(xué)中應(yīng)用最廣泛的一種裝置，水庫滲漏聲吶探測儀，主要由水聽器、信號(hào)處理電路和計(jì)算機(jī)組成。水下聲吶滲流探測技術(shù)，是利用聲波在水中的優(yōu)異傳導(dǎo)特點(diǎn)，測定滲漏入水口的流速、鉆孔中地下水滲流的速度以及隱蔽工程破損漏水的位置。對(duì)水流速度場的測量，可獲得原位滲流場的滲流速度、滲流方向、滲流流量和滲流系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)。如果被測水域的水體存在滲漏，會(huì)在測區(qū)產(chǎn)生滲流場，聲吶探測儀能夠精細(xì)檢測聲波在流體中傳播的大小，順流方向聲波傳播速度會(huì)增大，逆流方向則減小，同一傳播距離就有不同的傳播時(shí)間（見圖1）。利用傳播速度之差與被測流體流速之間的關(guān)系，建立連續(xù)的滲流場水體質(zhì)點(diǎn)流速計(jì)算式[12]

式中：L為聲波在傳感器之間傳播路徑的長度（m）；X為傳播路徑的軸向分量（m）；T12、T21為從傳感器1到傳感器2和從傳感器2到傳感器1的傳播時(shí)間（s）；U為流體通過兩傳感器之間聲道上的平均流速（m/s）。

3 探測布置及滲漏強(qiáng)度分級(jí)

3.1 探測布置

在大壩上游距瀝青心墻1.5 m平行壩軸線方向布設(shè)34個(gè)鉆孔，間距一般為30～40 m，平均間距約33.5 m，終孔孔徑76 mm，鉆孔一般進(jìn)入基巖15～20 m，花管護(hù)套下至基巖面。從鉆孔巖芯看，基巖下部巖體新鮮完整，結(jié)構(gòu)致密，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)判斷滲透性小。聲吶探測工作在34個(gè)鉆孔內(nèi)進(jìn)行，總探測深度1 881 m，探測點(diǎn)間距1 m，測量結(jié)點(diǎn)數(shù)1 881個(gè)。探測范圍處于庫水面至鉆孔孔底之間，因基巖下部巖體滲透性小，為相對(duì)隔水巖體，因此探測不會(huì)漏掉可能的滲漏部位。

3.2 滲漏程度分區(qū)

根據(jù)聲吶探測的滲漏流速并結(jié)合壩后滲漏現(xiàn)象，將滲漏程度分為強(qiáng)滲漏區(qū)、中等滲漏區(qū)、不明顯滲漏區(qū)三個(gè)等級(jí)。其中滲漏流速超過1 m/d的區(qū)域?yàn)閺?qiáng)滲漏區(qū)；滲漏流速為0.1～0.6 m/d的區(qū)域?yàn)橹械葷B漏區(qū)；滲漏流速小于0.1 m/d的區(qū)域?yàn)椴幻黠@滲漏區(qū)。

4 探測成果分析

4.1 鉆孔滲漏流速分布

水庫正常蓄水位950 m，探測時(shí)庫水位944 m，在34個(gè)鉆孔內(nèi)采用聲吶流速探測儀探測944 m高程以下壩體（基）的滲漏流速。成果表明，強(qiáng)滲漏鉆孔和中等滲漏鉆孔共14個(gè)，1#、12#、15#及27#鉆孔為強(qiáng)滲漏鉆孔，其中1#孔滲漏高程930～936 m，流速1.800～3.800 m/d；12#孔滲漏高程906～934 m，流速1.900～4.900 m/d；15#孔滲漏高程912～935 m，流速1.160～4.800 m/d；27#孔滲漏高程915～932 m，流速1.028～1.772 m/d。2#～7#鉆孔和16#～19#鉆孔為中等滲漏鉆孔，流速多為0.1～0.6 m/d，局部小于0.1 m/d。8#～11#、13#、14#、20#～26#、28#～34#共20個(gè)鉆孔不同深度的流速均小于0.1 m/d，屬不明顯滲漏鉆孔。

4.2 滲漏量分析

為確定滲漏量，需先計(jì)算每個(gè)鉆孔的滲漏流速。計(jì)算原則：對(duì)于強(qiáng)滲漏鉆孔，如果整孔不同深度的流速均超過1 m/d，則以算術(shù)平均法計(jì)算流速，否則以加權(quán)算術(shù)平均法計(jì)算；對(duì)于中等滲漏鉆孔，如果整孔不同深度的流速處于0.1～0.6 m/d之間，則以算術(shù)平均法計(jì)算流速，否則以加權(quán)算術(shù)平均法計(jì)算；對(duì)于不明顯滲漏鉆孔，因所有鉆孔不同深度的流速均小于0.1 m/d，故以算術(shù)平均法計(jì)算流速。如果兩個(gè)相鄰鉆孔的滲漏程度等級(jí)相同，則作為一個(gè)區(qū)段進(jìn)行計(jì)算，不同滲漏程度等級(jí)的區(qū)段分界線則以鉆孔間距的中點(diǎn)作為分界點(diǎn)，區(qū)段流速以區(qū)間鉆孔的流速平均值計(jì)算，滲漏量為區(qū)段流速與滲漏斷面的乘積。

經(jīng)計(jì)算統(tǒng)計(jì)，各區(qū)段滲漏程度如表1所示。強(qiáng)滲漏區(qū)有4段，區(qū)段流速1.402～3.094 m/d，單寬滲漏量30.8～102.1 m3/d，中等滲漏區(qū)有2段，區(qū)段流速與單寬滲漏量均較接近，分別平均為0.223 m/d 、5.2 m3/d，不明顯滲漏區(qū)有4段，區(qū)段流速與單寬滲漏量均很小，相比強(qiáng)滲漏區(qū)可忽略。

4段強(qiáng)滲漏區(qū)中，樁號(hào)0+285～0+315段和樁號(hào)0+373～0+405段位于原河床部位，高程較低，地表有明顯滲漏現(xiàn)象；樁號(hào)0-030～0+030段和0+736～0+765段位于原河流岸坡地段，高程較高，加之土體滲透性較強(qiáng)，滲漏水經(jīng)地下向低洼處匯集，故地表滲漏現(xiàn)象不明顯。

大壩總滲漏量為10 724 m3/d，對(duì)應(yīng)年滲漏量為391.4萬m3，其中強(qiáng)滲漏區(qū)年滲漏量為322.8 萬m3，占滲漏總量的82.5%，為大壩滲漏的主要區(qū)域，中等滲漏區(qū)與不明顯滲漏區(qū)的滲漏量不大。

4.3 滲透性

根據(jù)各鉆孔地下水位與庫水位的水頭差值，計(jì)算出各測孔的水力梯度，依據(jù)滲漏流速與水力梯度的關(guān)系，計(jì)算出各鉆孔的滲透系數(shù)K，按K的大小劃分強(qiáng)透水（K＞8.64 m/d）、中-強(qiáng)透水（0.864＜K＜8.64 m/d）、中等透水（0.0864＜K＜0.864 m/d）及弱透水（K＜0.0864 m/d）四個(gè)等級(jí)。滲透性統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示，可知，滲漏程度與滲透性基本呈正向關(guān)系，滲漏程度高，滲透系數(shù)也大。強(qiáng)滲漏區(qū)為強(qiáng)透水，滲透系數(shù)遠(yuǎn)超其他區(qū)段；中等滲漏區(qū)以中-強(qiáng)透水為主，局部為中等透水，滲透系數(shù)較?。徊幻黠@滲漏區(qū)為中等透水與弱透水，滲透系數(shù)相比強(qiáng)滲漏區(qū)小1～2個(gè)量級(jí)。

4.4 滲漏區(qū)

大壩滲漏區(qū)判別以滲透性為依據(jù)。強(qiáng)透水區(qū)滲透系數(shù)大，滲透性強(qiáng)，為大壩防滲重點(diǎn)部位；中-強(qiáng)透水區(qū)的滲透系數(shù)相比強(qiáng)透水區(qū)小，但滲透性也較強(qiáng)，不排除局部可能存在較強(qiáng)滲漏點(diǎn)；中等透水和弱透水區(qū)的滲透系數(shù)均非常小，可歸為大壩正常滲流區(qū)域，不存在滲漏問題。據(jù)此確定大壩滲漏區(qū)為強(qiáng)透水區(qū)和中-強(qiáng)透水區(qū)，滲漏區(qū)分布立面如圖2所示。

5 結(jié)論

（1）采用聲吶技術(shù)對(duì)大壩滲漏進(jìn)行探測，獲得各鉆孔不同深度的滲漏流速，據(jù)此計(jì)算出各滲漏區(qū)段的滲透性，確定大壩滲漏區(qū)為強(qiáng)透水區(qū)和中-強(qiáng)透水區(qū)，其中強(qiáng)透水區(qū)為大壩防滲重點(diǎn)區(qū)域。

（2）相比其他物探方法，聲吶滲漏探測技術(shù)方便快捷，探測精度高，探測點(diǎn)間距可達(dá)1 m，能精準(zhǔn)確定滲漏區(qū)域，無需其他探測方法進(jìn)行驗(yàn)證。

（3）目前將聲吶技術(shù)應(yīng)用于大壩滲漏探測還處于起步階段，應(yīng)用實(shí)例較少，但從已有滲漏探測實(shí)例看，均取得了不錯(cuò)的結(jié)果。霍林河水庫大壩防滲工程按照聲吶探測結(jié)果采取防滲堵漏措施后，大壩滲漏已不明顯，并能蓄水至正常水位，說明防滲效果良好，確定的滲漏區(qū)是準(zhǔn)確的。

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Analysis of Seepage Area of Huolinhe Reservoir Dam Based on Sonar Technology

WANG Zhoue1，WANG Xiaobo1，DU Guoping2

（1. Changjiang Survey Technology Research Institute，Ministry of Water Resources，Wuhan 430011，China；2. Nanjing Emperor-dam Engineering Technology Co.，Ltd.，Nanjing 211103，China）

Abstract：Leakage is a major engineering geological problem in the dam site area of reservoirs. Due to its hidden nature，it is very difficult to accurately identify the leakage area using drilling or common geophysical prospecting methods. In the leakage analysis of the Huolin River Reservoir dam，an acoustic Doppler current profiler was used to detect the leakage of the dam and obtain the leakage flow rate at different depths of each borehole. On this basis，the permeability of each leakage area was calculated，and the dam leakage area was determined to be a highly permeable zone and a moderately to highly permeable zone. The research provides a scientific basis for the formulation of anti-leakage measures，and the analysis method could serve as a reference for similar projects.

Key words：seepage area；sonar technology；seepage intensity；seepage velocity；permeability