溶质场探测水库渗漏通道入口试验研究

陈亮 张林生 颜书法

摘 要：针对传统流场拟合法要求渗漏点与周围介质存在明显电性差异的缺点，改用溶质场去拟合水流场。用自行设计的模型槽开展了室内模型试验研究，模拟了有渗漏通道入口与无渗漏通道入口两种情况，通过在模拟坝体迎水面布置电导率传感器，绘制出两种情况下迎水面上的电导率等值线图。对两种情况下等值线图进行对比分析发现，渗漏通道附近的电导率明显偏大，并且偏大区域的中心位置与实际渗漏通道入口的中心位置基本一致。试验结果表明，利用溶质场进行水库渗漏通道入口的探测是可行的，并且具有简单、快捷等优点。

关键词：水库渗漏；溶质场；探测；电导率

中图分类号：TV62 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.01.023

引用格式：陈亮，张林生，颜书法.溶质场探测水库渗漏通道入口试验研究[J].人民黄河，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

我國修建水库历史悠久，新中国成立以来，伴随着大江大河的治理，建成了大量的中小型水库，为我国水患治理及经济建设提供了巨大帮助。水库的安全问题不容忽视，据水利部调查统计，全国241座大型水库先后发生过近1000宗工程事故，其中渗漏管涌事故最多，占比达到了31.7%，其次是坝体和铺盖的裂缝、滑坡坍塌等[1-2]，因此为保证水库的正常运行，必须有快捷、可靠的渗漏探测技术。

目前，水库渗漏探测的常用方法有自然电场法[3]、探地雷达法[4]、温度场探测法[5]、高密度电阻率法[6]、流场拟合法等。其中流场拟合法是何继善院士提出的探测水流流向和相对流速的物理探测技术[7]，其基本原理是利用水流场与电流场的相似性，建立一个人工特殊电流场来拟合渗漏水流场，通过测定电流场的分布来查明水流场的分布（流向和相对流速），最后综合确定渗漏通道的位置。

流场拟合法虽然能够准确、快速地探测渗漏点，但该方法要求渗漏点与周围介质存在明显的电性差异，实际工程中有时不符合该条件。笔者基于流场拟合法的基本原理，利用溶质场去拟合水流场，通过探测溶质在水域中的分布情况，推测渗漏通道的位置。主要采用自主设计的试验装置进行试验，通过数据处理与分析，最终得出结论，验证该方法的可行性。

1 试验原理

江、河、湖、库中水流的分布有其自身的规律，其中水流速度在空间上的分布可以视为流场，正常情况下流场为正常场。特别对水库而言，若无渗漏或其他原因引起水的流动（如发电、地表径流等），则水库中的水可以视为静止的，即水库中各点的流速为零[8]。而溶质在静水中的运动是一种侧向扩散和垂向扩散的叠加[9]，经过一段时间的扩散后，一定范围水域中某点的溶质浓度将只与该点的深度有关。当水库出现渗漏情况时，必然存在从迎水面向背水面的渗漏通道，在出现管涌情况下此通道更为明显。渗漏通道导致异常流场的产生，此异常流场最重要的特点是水流速度的矢量场指向渗漏通道的入水口，如果此时投放溶质，那么溶质的扩散及分布情况自然也会受到异常流场的影响。水流场的各项数值往往难以测定，可以投放溶质，然后测定溶质的分布，溶质的分布又可以通过测定水域中各点的电导率来确定，进而分析出渗漏通道入水口的位置。

目前氯化钠获取简便、现象明显、无污染，是室内试验和实际工程中首选的示踪剂，并且氯化钠溶液的浓度与其电导率为线性关系[10]，因此在进行数据分析时可以用电导率值代替溶质浓度值来分析。为了具体验证“溶质场法”的可行性，以及探究数据的处理分析方法，通过室内模型试验进行了初步研究。

2 室内模型试验

2.1 试验仪器

2.1.1 试验模型槽

试验模型槽是长、宽、高分别为80、40、50cm的有机玻璃水槽，见图1（尺寸均为内部尺寸），具体介绍如下。

（1）开孔隔板。在距离模型槽右侧槽壁15cm处设置一隔板，用来模拟水库坝体的迎水面，隔板与模型槽的连接部分进行防水处理，防止漏水。隔板上开6个半径为2.5cm的圆孔（孔中心距15cm），用来模拟渗漏通道的入水口，并在隔板上建立xoy二维平面直角坐标系。

（2）蓄水区。模型槽左侧壁与开孔隔板之间的区域设置为蓄水区，用来模拟水库的上游区域。

（3）填土区。开孔隔板与模型槽右侧壁之间的区域设置为填土区，用來装砂样，模拟水库坝体，并在模型槽右侧壁20cm高处开一排圆孔作为排水口，圆孔用滤网封住，防止砂样流失。

2.1.2 电导率采集装置

电导率采集采用Y-EC-C1智能电导率传感器，通过加工将一定数量传感器布置在同一条数据传输线上，并使用配套的数据采集系统进行记录。由于在实际水库中，难以将数据传输线直接固定在水域中，并且坝体迎水面附近的水域受渗漏通道产生的异常流场影响最大，因此可以将数据传输线上部分固定在坝体迎水面水位之上，传感器部分沿着迎水面放入库水中。在本次试验中选择紧贴着开孔隔板将传感器布置在蓄水区中，在数据传输线与开孔隔板顶部的交点处用胶带进行固定，具体布置见图2。

如图2所示，本次试验分别在x=1、10、20、30、39cm处布置了数据传输线，每条数据传输线上有5个传感器，每个传感器长3cm、宽1cm，测量的是传感器中心点处的电导率，中心点的y轴坐标分别为y=1.5、9.5、17.5、25.5、33.5cm。这样就完成了25个传感器的布置，传感器采集的数据通过数据传输线、集线器进行传输，最终保存在数据采集系统中。

2.1.3 溶质投放装置

本次试验溶质投放装置采用内直径为40mm的PVC管，该管长200mm，下半部分管壁均匀开孔，开孔率为30%，并在开孔部分外侧裹上滤网，防止氯化钠直接漏出。试验时将PVC管固定在模型槽左侧壁并浸入水下，从孔口加入氯化钠即完成投放溶质的操作。

2.2 试验材料

试验用水为自来水，所用自来水的电导率稳定在280μS/cm，溶质采用氯化钠，氯化钠溶液的电导率与质量浓度的关系如图3所示。

由此可以认为氯化钠溶液的电导率值与浓度成正比，可以用电导率来代替浓度值进行分析。

2.3 试验方案

主要试验过程分为两个部分。

第一部分，探究无渗漏通道入口时溶质在坝体迎水面的分布情况。将开孔隔板上的开孔全部封住，向模型槽蓄水区通水，至水深为40cm后停止通水；将溶质投放装置固定在模型槽左侧壁中间，并使溶质投放装置底部浸入水面以下5cm，随后从孔口向其中加入100g氯化钠粉末，完成溶质投放；将完成溶质投放的时刻记为0时刻，此时开启数据盒记录传感器测量数据，数据盒每隔1s记录一次数据，180s后结束记录。

第二部分，探究有渗漏通道入口时溶质在坝体迎水面的分布情况。首先将隔板上1号开孔打开，保持其他孔为封闭状态，以模拟坝体在1号开孔位置出现渗漏通道入水口的情况，向模型槽蓄水区通水，直至水深为40cm，不断调节通水流量以保证蓄水区水深保持在40cm，待蓄水区水深及右侧壁开孔排水量均稳定后，可以认为整个试验装置的流场已经处于稳定状态。之后的溶质投放以及数据记录与第一部分试验一致。整个流程完成即完成1号开孔打开情况下的试验后，依次打开2、3、4、5、6号开孔（每次试验只有一个开孔打开，其余保持封闭），完成第二部分试验。

3 试验数据分析

对无渗漏通道入口试验的数据进行分析发现，除y=33.5cm的5个传感器读数始终不发生变化外，其他传感器的读数均发生明显变化，并且最早在t=60s时这些传感器的读数发生明显变化。取t=60s时25个传感器的读数，利用Surfer软件画出这25个传感器所构成区域的电导率等值线图，如图4所示。从图4可以看出，在无渗漏通道入口情况下，当溶质运移到隔板处时，隔板平面上某一点的溶质浓度只与该点的y值有关，即只与深度相关。

对有渗漏通道入口试验的6组数据进行分析，发现除y=33.5cm的5个传感器读数始终不发生变化外，其他传感器的读数均发生明显变化，并且6组数据中传感器读数都是最早在t=45s时发生明显变化，与无渗漏通道入口试验中最早在t=60s时传感器读数均发生明显变化相比提前了，说明渗漏通道入口的存在加快了溶质的运移速度。6组数据均取t=45s时25个传感器的读数，利用Surfer软件画出这25个传感器所构成区域的电导率等值线图，如图5所示。

从图5可以看出，当渗漏通道入口存在时，隔板平面电导率等值线会在某些区域存在异常凸起现象。为了将这种异常凸起与正常的等值线起伏区分开，以及为了具体确定异常区域的范围，可以通过以下3个步骤进行异常区域的框选：①首先找到等值线图中同时存在多条等值线产生凸起并且凸起程度明显的区域，如图5（a）左上角和图5（b）中间位置等，将这些区域作为检测区域。对于其他一些有等值线起伏，但起伏等值线数量少及起伏程度小的区域，视为正常等值线的起伏，如图5（c）左上角及图5（f）左下角等。②将等值线从水平转为凸起的点称为转折点，转折点处的切线与水平方向的夹角称为等值线的凸起角，以凸起角大于30°为标准对检测区域的等值线进行检验，可得到上下两条边界等值线。③将上下两条边界等值线的转折点及上边界等值线的最高点作为边界点，以边界点为限制作一长方形，将此长方形区域作为等值线异常区域。

圖5（a）完整地体现了这3个步骤，虚线框代表最终的异常区域，同理对图5（b）～（f）进行处理。已知渗漏通道会导致异常流场的产生，此异常流场最重要的特点就是水流速度矢量场指向渗漏通道的入水口，这就导致溶质向渗漏通道入口聚集，进而产生电导率偏高的现象，因此可以判断虚线框标注的部分包含渗漏通道入口的位置。用虚线框的中心位置代表试验推测出的渗漏通道入口中心位置，与实际的渗漏通道入口中心位置进行对比，见表1。

从表1可以看出，通过电导率等值线图推测的渗漏通道入口中心位置坐标与实际渗漏通道入口中心位置坐标相差很小，6组试验中两者中心点的最大距离为1.93cm，小于渗漏通道半径（渗漏通道半径为2.5cm）。说明推测的中心点一直保持在实际渗漏通道入口平面内，证明通过探测溶质在水域中的分布可以准确判断出水库渗漏通道入口的位置。

4 结 论

（1）通过室内模型试验，验证了溶质场探测水库渗漏通道入口的可行性。即通过在水库上游合适位置投放溶质，然后探测坝体迎水面的电导率分布情况，根据渗漏通道入口处电导率会明显偏大的理论，可以判断出探测区域是否存在渗漏通道入口。与传统的流场拟合法相比，克服了需要渗漏点与周围介质存在明显电性差异的缺点。

（2）将电导率明显偏大区域的中心点作为渗漏通道入口中心点，该点与实际渗漏通道入口中心点距离较小，一般可以保持在实际渗漏通道入口平面内，说明溶质场探测水库渗漏通道入口具有较好的精度。

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【责任编辑 张华岩】