综合示踪技术在水库渗漏勘察中的应用

张清华，陈 亮，颜书法，司朋举

（1. 中电投蒙东能源集团有限责任公司扎哈淖尔工业供水分公司，内蒙古 通辽 028000；2. 河海大学 岩土力学与堤防工程教育部重点试验室，江苏 南京 210098；3. 河海大学 岩土工程科学研究所，江苏 南京 210098）

0 引 言

截至2011年3月，包含6 862个水库及相关大坝，累计库容为6 197 km3的全球水库和大坝（GRanD）数据库显示大坝大部分存在渗流问题[1]。《水利水电工程物探规程》（SL 326—2005）规定的水库渗漏探测的主要方法有电阻率法、高密度电法、自然电场法、激发极化法、瞬变电磁法、同位素示踪法。同位素示踪法分为天然示踪和人工示踪。天然示踪剂包括温度和电导率，人工示踪剂包括盐和荧光剂。同位素示踪法通过电缆和探针探测示踪剂在地下水中的变化情况获得大坝的渗流场数据分析大坝的渗漏情况。从1978年Bair通过采集7个月的地下水温度定性描绘地层的渗透性到2016年Dong利用多示踪分析方法确定了黄河西夏湾大坝渗漏路径，同位素示踪法在大坝渗漏探测中越来越彰显出它的重要性，同位素示踪法也向人工示踪和天然示踪的综合示踪方向发展。

1 工程概况

某水电站正常蓄水位高程为752.00 m，总库容为2.32亿 m3，调节库容为1.43亿 m3，多年平均发电量为4.95亿 kW·h，为大（2）型Ⅱ等工程。该工程主要有混凝土面板堆石坝、深孔泄洪洞、溢洪洞、发电引水洞和电站厂房组成，大坝典型剖面结构示意图见图1。2015年5月28日晚上及29日发现混凝土面板坝后坡脚有连续渗水点，从右岸坡脚第一个渗水点开始，出现渗水点范围长57 m；渗水清澈，无浑浊现象；尾水渠边墙排水孔流量明显增大，有水的排水孔增多。5月29日前，所有渗水均通过量水堰计量；5月29日后，渗水通过量水堰和尾水渠排水孔排出，估算总渗流量为1 000 L/s。尾水渠边墙排水孔及厂房后边坡总体的渗水量初期没有明显的变化，后期略有增加。库水位变化时渗水量看不出明显变化。厂房后侧边坡在库水位超过EL743后，逐渐出现渗水湿润区域，并随库水位上升区域逐渐变大，局部能看到渗水水流，在库水位低于EL741后，渗水区域消失。

图1 大坝典型剖面结构示意图Fig. 1 Schematic diagram of typical dam section structure

后来经过检测、修复依然存在渗漏情况：根据近期2020年2月11日—2020年5月1日观测的量水堰水量与库水位的关系曲线（见图2）可知，大坝渗漏量随库水位的升高而增大，尤其是在库水位上升至EL735后，渗漏量出现陡增趋势，库水在EL735上升至EL748的过程中，渗漏增加了近110 L/s，库水在EL748左右时达到了最大值403.36 L/s。

图2 量水堰水量与库水位关系曲线Fig. 2 Relation curve between the quantity of weir and the reservoir water level

为了查明和验证渗漏原因，保证测量结果的准确性，采用综合示踪技术研究渗漏问题。综合示踪主要包括人工示踪法和天然示踪法，其中天然示踪法为温度示踪和电导率示踪。

在选择好方法后在右岸坝肩附近布置了 6个孔，其中坝顶与右岸坝坡接触地方钻有2个孔，表孔溢洪洞2个孔，右岸趾板2个孔。各孔平面布置见图3，各孔孔深见表1。

表1 孔位信息汇总表Table 1 Summary of hole location information

图3 大坝渗漏检测示意图Fig. 3 Schematic diagram of dam leakage detection

2 温度示踪分析渗漏来源

水在4 ℃时密度最大，4 ℃～100 ℃之间的水服从热胀冷缩原理，冷水的密度大向下沉，热水的密度小而上升，从而造成在河水、库水、湖水等的表层的温度较高，而低部的温度较低。而地层中温度的变化趋势则与水中相反，随着地层深度的增加，温度也随之增加，一般深度每增加100 m，温度增加3 ℃。

由于上述原因，地层中地下水温度的变化可以反映库水对下游地下水的补给情况和程度，由此可以推断出渗漏区域。一般来说，在堤坝渗漏较强的坝后观测孔中我们可以测定到低温区，温度最低的区域一般是渗透性最强的区域。利用温度异常测定和检查地层的渗透性是目前简单有效的方法之一[2]。WZK-01至WZK-06孔中温度分布曲线见图4。部地层的温度随着深度的增加而线性增加。但当钻孔穿过地层中集中渗漏通道时，由于受渗漏水水平流动的影响，温度分布曲线会出现异常，呈“尖峰状”[3]。

图4 钻孔温度分布曲线Fig. 4 Temperature distribution curve of borehole

根据各孔的温度可知在 WZK-01、WZK-02、WZK-04、WZK-05和WZK-06孔附近存在渗漏异常，但是渗漏的深度却不能通过温度示踪反映出来。

3 电导率示踪分析渗漏来源

电导是指水的导电能力，电导值为浸入水中的两个电极在1 cm2的表面上，距离1 cm、电势为1 v时的电流强度。电导以 S/cm为单位，这个单位对于电导值来说特别大，因而自然界中的水通常使用mS/cm和µS/cm为单位，它们分别等于10-3S/cm和10-6S/cm。钻孔的天然电导率分布曲线见图5。的矿物质作用发生溶解、物理化学反应、蒸发浓缩等作用，水中的矿化度不断提高，而集中渗漏通道中的水流要比正常渗流速度快的多，因而和渗漏作用范围内的地下水相比，渗流形成的地下水具有较高的电导值；或者渗漏通道作用范围内反对电导更加接近水库电导值[4]。

图5 天然电导率分布曲线Fig. 5 Distribution curve of natural conductivity of borehole

根据WZK-06中的电导率先减小后增大可以推断在 WZK-06孔周围存在明显渗漏，渗漏范围在59 m以上；WZK-05孔中的电导率虽然呈现下降的趋势，但由于普遍较高，因此WZK-05孔中不存在明显渗漏，只能推断出 WZK-05孔下部流速较快；WZK-04孔中电导率和库水电导率接近，推断WZK-04周围也存在渗漏；WZK-03和WZK-02孔的电导率较为接近，因此推断WZK-03和WZK-02孔附近的地下水存在联系，但由图3可知WZK-03和WZK-02的温度曲线相差较大，结合温度和电导可以得出这2个孔中的地下水不存在联系，此处无渗漏路径；WZK-01孔的电导率值与渗漏水的电导率值最为接近，并且温度最低，因此推断WZK-01处在渗漏路径上。

通过对各孔含水层的天然电导率进行分析后发现在WZK-06、WZK04和WZK-01孔中电导率明显异常，但是在温度示踪时发现 WZK-02和WZK-05中也存在异常，并且对渗漏的深度进行了定性分析。接下来通过人工示踪试验对渗漏的方式和具体深度进行定量分析。

4 人工示踪法分析渗漏来源

最后利用人工示踪法对渗漏进行定量分析，确定渗漏的路径和深度。人工示踪方法在多孔介质含水层中研究了近40年，已获得极大的成功[5-7]，并已广泛地应用于水利、采矿、地下水勘察等领域。它的优点是便于实施，可在钻孔中获取大量的参数。

通过对这6个水文勘测孔进行人工示踪试验得到了各孔的流速分布情况。其中WZK-04、WZK-03和WZK-01存在明显的垂向流，其他各孔无明显垂向流。

根据图6钻孔电导率历时曲线可以分析出各孔的垂向流方向和垂向流流速。WZK-04孔中垂向流的流向为从上往下，从60 m（高程为676.30）的深度流出。利用观测到的曲线结合峰值法可以计算得到WZK-04垂向流速为0.08～0.1 cm/s；从WZK-03孔的电导率历时曲线中可以看出各个时段电导率曲线相似，但有明显的2个峰值偏移，分别为31 m

图6 钻孔电导率历时曲线Fig. 6 Duration curve of electrical conductivity of borehole

附近的向上垂向流，34 m附近的向下垂向流，向上的垂向流最终从27 m（高程为709.30）的位置流出，流速为0.007 cm/s，向下的垂向流最终从54 m（高程为 682.30）的位置流出，流速为 0.014 cm/s；从WZK-01孔的电导率动态图中可以看出各个时段电导率曲线存在明显的峰值偏移，WZK-01孔中存在明显的垂向流，垂向流的流向为从上往下，从49 m（高程为682.20）的深度流出。利用观测到的曲线结合峰值法可以计算得到垂向流速为0.023 cm/s。

各孔的水平流速见图7。

图7 钻孔水平流速分布Fig. 7 Horizontal velocity distribution of borehole

从图7 可以发现：WZK-06、WZK-04、WZK-03、WZK-01孔中存在较大的水平流，其中WZK-06孔最为严重的渗漏（流速在10-4cm/s为严重渗漏）位置在高程 700.30～698.30，WZK-04孔的渗漏位置在 718.30～717.30，WZK-03孔的渗漏位置在713.30～711.30，WZK-01孔的渗漏位置在701.20～700.20的位置，这些位置的水平流速在10-4cm/s的数量级，其次这些孔在表层存在异常渗漏（流速在10-5cm/s为异常渗漏）；WZK-05孔和WZK-02孔的水平流速正常，在10-6～10-7cm/s数量级。

5 结 论

通过对水库的右坝肩进行了温度示踪、电导率示踪以及人工示踪试验后发现右坝肩的主要渗漏路径有3个：（1）靠近WZK-06的渗漏为坝体与坝坡岩体直接接触空隙导致的；（2）靠近WZK-04和WZK-03的渗漏来源于混凝土与岩体接触不完整以及岩体内部破碎带；（3）WZK-01附近的渗漏来源于混凝土与岩体接触不完整以及岩体内部破碎带。在利用综合示踪技术查明渗漏路径后，准备对右坝肩进行灌浆加固，加固范围从坝趾一直到大坝与岩石接壤处，根据综合示踪查明的渗漏路径范围确定加固的高程达到680.20即可保证加固的效果。

本文选自“全国病险水库安全评估及除险加固技术前沿研讨会”征集论文，会议旨在探讨病险水库评估方法以及除险加固新技术、新措施，推进病险水库除险加固工作、提高防灾和供水保障能力，会议于2021年5月26—27日在杭州召开。

本期刊登其中3篇精选论文。