声纳渗流探测技术在大库斯台水库大坝渗漏检测中的应用

何铁炎，王安源

（湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南 长沙 410007）

1 工程及渗漏情况简介

大库斯台水库是央企援建的牧区水源水库工程，以灌溉牧草地为主，水库正常蓄水位1 296.0 m，水库总库容351.7 万m3，工程等别为Ⅳ等，属小（I）型工程。

大坝采用沥青混凝土心墙砂砾石坝，坝顶高程1 298.8 m，最大坝高36.8 m，坝轴线长430.0 m。河床坝段（B0+025-B0+225）沥青混凝土心墙厚0.3 m（底部加厚至0.8 m），坐落在基岩上（如图1），左岸岸坡坝段（B0-020～B0+025）和右岸岸坡坝段（B0+225～B0+430）砂卵石基础段采用45 cm 厚混凝土墙防渗，混凝土防渗墙嵌岩0.5 m（如图2）。

水库初期蓄水过程中出现较严重渗漏，水库蓄水至1 277.27 m 和1285 m 时，坝后总渗漏量分别约为50 L/s 和100 L/s，渗漏部位主要为两岸坝肩坡脚，大坝下游浸润线出露点随坝前水位的增高而增高，最高点高程1 274.0 m。

2 渗漏病险原因初步分析

渗漏发生后，补充了大坝基础地质勘探工作[1]，同时对比前期地质勘探数据、施工记录和蓄水期渗流观测资料，对渗漏原因进行了分析，初步结论如下[2]：

1）大坝河床段覆盖层薄且已全部清除，下伏基岩透水率小于3 Lu，满足规范和设计要求，防渗心墙与基础连接可靠，无坝基渗漏问题。

2）两岸岸坡段基础混凝土防渗墙可能存在槽段间开挖不彻底、防渗墙未嵌岩或嵌岩深度不够、底部沉渣厚度超标、混凝土槽段间泥膜过厚等原因，造成砂卵石基础段混凝土防渗墙可能存在集中渗漏通道。

3）沥青混凝土心墙在冬季施工过程中可能存在措施不到位而造成的局部缺陷，但考虑沥青混凝土自身变形修复能力较强，沥青混凝土防渗心墙难以形成集中渗漏通道。

3 纳渗流探测在本工程中的应用

3.1 渗流探测技术的选用

图1 大坝典型剖面图（河床段）（B0+025-B0+225）

图2 大坝典型剖面图（岸坡段）（B0-020～B0+025）（B0+225-B0+430）

为减少处理方案投资，需对渗漏通道较精确定位。水库渗漏检测技术主要分为钻探、物探、水位观测技术和水下声纳探测等技术方法，前期已经采用钻探和水位观测技术进行了渗漏原因和通道分析。本工程防渗体在坝体中部且厚度薄，上下游宽厚坝体为强透水填筑料，其水下集中渗流通道检测十分困难。借鉴声纳渗流探测技术在白云电站混凝土面板堆石坝渗漏点探测[3]、于桥水库均质土坝渗漏点探测[4]上的成功应用，经多方讨论决定采用新型水下声纳渗流探测技术对本工程集中渗漏通道进行探测。

3.2 声纳渗流探测技术原理[5]

声纳渗流探测技术，是根据声波传播速度顺流向加大、逆流向减小的特点，在同一传播距离上不同的传播时间，建立渗流场内水体流速计算公式[2]，如下：

式中 L——声波在传感器之间传播路径的长度（m）；

X——传播路径的轴向分量（m）；

T12、T21——从传感器1 到传感器2 和从传感器2 到传感器1 的传播时间（s）；

U——流体通过传感器之间声道上的平均流速（m/s）。

3.3 检测内容和布置

本工程采用三维流速矢量声纳测量仪[6]进行了上游迎水面和坝体孔内两种检测。

1）大坝迎水面检测

大坝坝前检测布置如下：平行于大坝轴线，在近坝面的30 m 水面上每5 m 布置1 条直线，布置了7条平行宽于坝轴线的测量控制线；垂直于大坝轴线，从左至右间隔5 m 作一标记，共计205 m，布置了21条垂直于坝轴线的测量控制线。单点控制面积5 m×5 m，共计测点249 个，面积6 225 m2，坝前水下检测网格见图3。

2）孔内声纳检测

防渗体系的渗漏检测采用孔内声纳检测，限于进度和经费，检测孔利用现有18 个钻孔，其中仅有B2 和B3 共2 个钻孔布置在紧邻防渗墙前，声纳检测孔布置情况见图4 和表1。

图3 水库迎水面测量网格图

3.4 检测结果及分析结论

1）大坝迎水面检测成果

大坝迎水面总渗漏流量为8 329 m3/d，合95.4 L/s，与库水位1 285 m 时坝后量水堰监测渗漏流量成果100 L/s 基本一致。2）孔内声纳检测成果

孔内声纳检测统计的总渗漏量8 205 m3/d，合95.0 L/s，与迎水面总渗漏量和坝后量水堰监测渗漏成果基本一致。

图4 大坝检测孔平面位置图

表1 声纳检测孔布置情况表 m

3）孔内声纳检测大坝渗漏流速分区成果如表2所示，表中红色为集中渗漏区，黄色为显渗漏区，绿色为微渗漏区。声纳检测单位根据检测成果进行分析，主要结论如下：

①集中渗漏区：河床段以S2-1 孔（B0+130）为中心存在集中渗漏区，右坝端S3-1 孔（B0+210）、右坝肩B4 孔（B0+260）孔局部也存在明显渗漏区域。②中等渗漏区：左坝肩RS1、RS2 孔防渗体高程1265～1278m 间，左坝端S1-1 孔，河床段的Y1、S2-1、Y2 孔，右坝端的S3-1、B3、B4 孔，均存在中等渗漏区。③微渗漏区：墙前孔B2 对应区域，S1-1 与Y1 孔大部及各孔底部，均为微渗漏区。

4 加固处理过程中的情况反馈及分析

声纳渗流探测结论与渗漏病险原因初步分析结论的主要分歧是：河床段是否存在集中渗漏通道。根据主管部门的审查意见，对全坝段及两坝肩混凝土防渗墙段采取双液控制性灌浆加固处理措施。

表2 大坝B0-040～B0+430 区间渗漏流速分区表 （库水位1 284.5 m，单位：10-4 cm/d）

4.1 除险加固过程及蓄水实验情况

为界定渗漏位置，对除险加固施工顺序进行了安排，并进行了四次蓄水实验，实验过程中进行大坝防渗墙下游20 m 的渗流压力观测和坝脚渗流量观测，详细情况如下：

1）第一次蓄水实验

在除险加固前进行，库水位蓄至1 283.35 m，大坝总渗漏量为110 L/s。

2）第二次蓄水试验

左坝肩已完成B0+017.5～B0-054.5 段灌浆，右坝肩已完成B0+225～B0+273 段灌浆，河床段还未开始灌浆，进行第二次蓄水实验，库水位蓄至1 286.5 m，由于坝后排水棱体施工影响，坝后排水沟未获得渗流量数据。

3）第三次蓄水实验

在第二次蓄水实验完成灌浆段的基础上，河床段B0+017.5～B0+087.5 和B0+147.5～B0+225 两段I 序孔也基本施工完成，B0+087.5～B0+147.5 段还未开始施工，进行了第三次蓄水实验，库水位蓄至1 284.0 m，除B0+67.5～0+137.9 段排水沟内有灌浆施工排水外，其它排水沟基本无水。

4）第四次蓄水实验

除险加固工程全部完成后进行，库水位蓄至1 290.8 m，坝体总渗漏量1.8 L/s。

4.2 各蓄水实验情况对比及分析

1）第二次蓄水实验与第一次蓄水实验各水位比较情况见表3

表3 第二次蓄水实验与第一次蓄水实验测压管水位比较表 m

两次蓄水实验比较说明B0+017.5～B0-054.5、B0+225～0+273 段在灌浆前确实存在渗水通道，且灌浆后防渗效果十分明显；同时，河床段尚未灌浆，第二次蓄水实验库水位较第一次蓄水实验时高3.25 m，但B0+130 断面防渗墙后测压管水位反而降低4.16 m，故B0+130 附近存在集中渗漏通道存疑。

2）第三次蓄水实验与第一次蓄水实验各水位比较情况见表4

表4 第三次蓄水实验与第一次蓄水实验测压管水位比较表 m

第三次蓄水实验时，坝后排水沟除B0+067.5～B0+137.9 段外均为干燥状态，B0+067.5～B0+137.9 段出水点均在B0+67.5～B0+100 段排水沟内，基本可以确定为左岸坝顶灌浆排水,故渗漏量无参考价值。因此第三次蓄水实验进一步证明了第二次蓄水实验的结论正确性，同时可以确认B0+130 附近不存在集中渗漏通道。

3）第四次蓄水实验与三次蓄水实验各水位比较见表5

表5 第四次蓄水实验与第三次蓄水实验测压管水位比较表 m

第四次蓄水实验与第三次蓄水实验相比, 河床段B0+130 段测压管水位降低最多,分析原因主要是第三次蓄水实验时, 两岸特别是左岸岸坡延伸段灌浆尚未完成, 受基岩面横河向坡比陡和坝体填筑料砂砾石渗透系数大的影响, 渗漏水流集中至河床段造成测压管水位较高。第四次蓄水实验库水位达到1 290.8 m，坝后渗漏总量为1.8 L/s，达到设计防渗处理要求。

5 声纳渗流探测经验分析总结

1）通过声纳迎水面渗漏检测成果与坝后量水堰成果基本一致可知，声纳渗漏检测技术应用于土石坝渗漏量检测是有效和可靠的。

2）孔B2 和孔S2-1 均位于河床段，墙前声纳检测B2 孔（B0+100）表明河床段大坝为微渗漏区，而墙后声纳检测S2-1 孔（B0+130）表明河床段大坝存在集中渗漏通道，检测结论明显相左，与声纳检测前的渗漏原因分析结论明显分歧，S2-1 孔声纳检测的结论存疑。

3）通过除险加固施工前后的四次蓄水实验成果对比，说明S2-1 孔声纳检测的结论成果失真，究其原因主要有：B2 和S2-1 两个声纳检测孔的位置差异，B2孔位于大坝防渗墙前而S2-1 孔位于大坝防渗墙后，大坝两岸岸坡和坝肩段隔水层出露高程明显高于河床段出露高程，形成倾向河床的陡坡；大坝坝壳料为强透水的砂砾石。以上原因造成两岸坝肩段渗漏水在透过防渗体后迅速向河床段汇集，造成S2-1 孔的渗流水位增高，渗流流速和渗漏量均很大，从而得出河床段存在集中渗漏的错误结论；B2 孔检测成果的正确同时表明声纳检测手段的有效性，但在土坝中应用声纳探测技术时应注意检测孔位置与防渗体的关系。

4）本工程渗漏处理后渗漏量、渗透压力等均满足设计要求，设计和施工单位联合进行了渗漏原因总结，结论中认为河床段不存在集中渗漏通道，该总结报告得到了上级水行政主管部门的认可，且工程顺利通过上级水行政主管部门组织的验收。

5）经验总结。在土石坝中应用声纳探测技术，声纳探测位置应选择在防渗体内或紧邻大坝防渗体的上游入渗侧，若声纳探测位置选择在防渗体下游的渗出侧易导致错误的检测结论。声纳探测技术正确应用于土石坝渗漏检测，在渗漏量和渗漏位置检测上均是有效和可靠的。