联合示踪探测方法在石梁河水库大坝渗漏中的应用

刘国庆,洪云飞,王 蔚,赵洪波,乌景秀,范子武

(1.南京水利科学研究院水工水力学研究所,江苏 南京 210029; 2.水利部太湖流域水治理重点实验室,江苏 南京 210029)

我国水库众多,截至2018年底,已建各类水库大坝98822座,总库容达到8953亿m3[1]。规模庞大的水库工程不仅是我国防洪体系的重要组成部分,更是优化水资源配置的重要组成部分[2],在防洪、灌溉、供水、发电、水产养殖、生态等方面都发挥了重要作用。但水库一旦发生溃决会造成严重的生命财产损失和恶劣的社会影响,水库大坝溃坝风险始终是大坝建设与管理中的关键问题。根据水利部大坝安全管理中心大坝基础数据库数据,我国1954—2018年共发生了3541起溃坝事件,年均54.5起,年均溃坝率达万分之6.3,其中2000—2018年就有84起水库溃坝事件[3]。

我国的水库大部分建于20世纪五六十年代,运行时间较久。李宏恩等[4]研究了中国水库溃坝规律,结果表明,在因工程质量问题导致的土石坝溃坝案例中,因渗流问题导致的溃坝占23.68%,渗流问题导致的溃坝事故值得重点关注,其中以新老坝体、泄水建筑物与坝体结合部位及穿坝建筑物(涵管)导致的坝体渗漏问题最为突出。此外,虽然我国已开展了多轮病险水库除险加固工作,但水库除险加固措施均会对原坝体造成直接扰动,若设计、施工或运行不当极易产生严重的渗漏隐患。当水库出现渗漏问题时,快速查找渗漏原因,准确确定渗漏位置和可能的渗漏通道,及时采取补救措施,对降低水库大坝溃坝风险、保障水库下游人民群众生命财产安全和降低工程成本均具有重要意义。

传统的渗漏探测方法主要有高密度电法、电磁法、弹性波法、综合物探法、声纳法等。高密度电阻率法因对水比较敏感,常用于坝体渗漏勘察[5-10]。郭凯等[11-14]采用高密度电法装置对国内多座大坝渗漏进行了高密度电阻率法探测试验,试验结果表明,高密度电阻率法可快速准确定位坝体渗漏区域。综合物探法是通过两种或两种以上的物探方法进行勘探[15-16],赵志宏等[17]研究表明,采用综合物探法既能发挥不同物探方法的优势,又可利用各种方法的测试结果相互验证,保证物探成果的可靠性;朱云峰[18]将高密度电法和地质雷达探测法联合应用于泉州某水库大坝渗漏探测中,推断出了大坝防渗墙可能存在的缺陷位置以及形成的渗漏通道走向;蒋甫伟等[19]在山东省青杨堡水库大坝渗漏探测中,联合应用高密度电法和地质雷达探测法,探测出大坝渗流层存在较大压差、坝体含水量较高、坝后存在渗漏等问题。声纳渗流探测法是根据声波传播速度顺流向加大、逆流向减小的特点进行渗漏探测的[20],如刘迪等[21]通过声纳探测仪对于桥水库大坝、溢洪道、放水洞进行渗漏声纳探测,查清了检测区域的渗漏位置和渗漏量。

近年来示踪技术在水库大坝渗漏探测中逐步得到应用[22-25]。程和森等[26]比较了同位素示踪方法和离子体耦合光谱分析(inductive coupled plasma emission spectrometer,ICP)化学示踪方法的技术特点,并成功应用于浙江临海牛头山水库大坝渗漏探测。邱辉阳等[27]应用水化学分析及基于示踪技术的手段确定了某水库大坝左坝廊道内异常涌水的渗漏源。韩文娟等[28]的示踪试验表明,示踪成果可为确定水库渗流通道和渗漏位置提供重要依据。钟铨杰等[29]通过对某水库大坝的示踪试验,确定了该大坝3号坝段库前面板与廊道U3边缝之间存在渗漏通道。沈添耀等[30]提出了一种基于高密度电法与综合示踪法的联合探测方法,可以降低单一探测方法的局限性及不确定性,解决高密度电法成果解释非唯一性问题。这些研究成果表明,天然水化学示踪、ICP化学示踪和同位素示踪技术均是探测大坝渗漏的有效方法。

目前示踪技术在水库大坝尤其是大型水库大坝渗漏探测中的应用研究并不多,而且天然水化学示踪和ICP化学示踪方法也很少联合使用。单一的示踪法获得的大坝渗漏探测结果往往具有多解性,但采用多种示踪方法相互印证、补充,可以大大提高分析的准确性,能更准确确定渗漏源与渗漏通道[31]。本文针对石梁河水库北泄洪闸异常渗漏问题,联合应用温度场示踪、天然水化学示踪和ICP化学示踪方法进行探测,直观准确地查明了石梁河水库北泄洪闸二级消力池冒水孔出水水体的主要渗漏源和渗漏路径。

1 工程概况

石梁河水库位于江苏赣榆、东海与山东临沭3县区交界处,1962年建成,集水面积15365km2,总库容5.31亿m3,调洪库容3.23亿m3,兴利库容2.34亿m3,是一座以防洪为主,具有综合功能的大(2)型水库,也是江苏省最大的水库。石梁河水库具有防洪、灌溉、供水、发电、旅游等诸多功能,其中防洪主要是承泄新沭河上游和沂河、沭河部分洪水,担负沂沭泗流域洪水调蓄任务,保障下游100万人口及连云港市重要设施的安全。

2020年夏汛,石梁河水库北泄洪闸长时间持续开闸泄洪,泄洪流量超过了历史最高纪录。9月中旬,石梁河水库北溢洪闸二级消力池内有异常冒水现象,冒水孔周围有大量砂、石滤料被带出,冒水量较大,水头达到1.7m左右。针对此次大坝渗漏事件,现场采取温度场示踪、天然水化学示踪和ICP化学示踪联合探测方法,分析研究了北泄洪闸二级消力池冒水孔出水水体的渗漏源和渗漏路径。

北泄洪闸位于主坝右侧,闸底板高程14.00m(废黄河零点,下同),其基础为第四系地层,其下为基岩。周边地质条件:①层为素填土,②层为黄褐色粉质黏土,③层为黄褐色中轻壤土,④层为棕黄色粉质黏土,⑤层为棕黄色含少量砾石的中、细砂,⑦层为浅黄色全风化片麻岩。北泄洪闸基础含水层以第⑤层承压含水层为主,渗透系数1.92×10-3～1.1×10-2cm/s。石梁河水库北泄洪闸平面布置及测点位置如图1所示。

图1 石梁河水库北泄洪闸平面布置及测点位置

2 示踪探测方法与结果分析

2.1 温度场示踪

根据石梁河北泄洪闸二级消力池冒水孔周边工程布局情况,如图1所示,选取北泄洪闸上游库区(库北、库南)以及北泄洪闸周边19个测压孔共计21个测点(其中12号测压孔底部堵塞损坏,测量结果不计),量测20个测点水面以下水体温度,水面以下每间隔0.5m测1个值,一共220个温度值。同时量测北泄洪闸二级消力池冒水孔出水水体连续24h的温度值,每隔0.5h测量一次,分析冒水孔出水水体温度随时间变化情况。

图2为石梁河北泄洪闸二级消力池冒水孔周边(约长300m、宽200m的矩形区域)不同测点纵向温度场分布情况。根据各测点水面以下水体顶高程和底高程量测结果,各测点水面高程最高为23.5m,水体底高程最低为9.5m,选择以高程11、15、21m分别代表北泄洪闸二级消力池冒水孔周边水体的下层、中层和上层,图3为冒水孔周边下层、中层和上层水体水平温度场分布。图4为2020年10月24—25日北泄洪闸二级消力池冒水孔出水水体水温变化曲线。

图2 不同测点水体纵向温度场分布

图4 冒水孔出水水体水温变化曲线

由图2、图3可知,库区水体温度场和测压孔水体温度场均随深度变化,越深温度越低,最高温度分别为20.5℃和22.2℃,最低温度分别为16.7℃和16.0℃。由图4可知,冒水孔出水水体温度场基本稳定,维持在16.1℃左右,且靠近冒水孔周边其他测点温度场中的温度最低值,这个温度与库区底部温度基本相同,而与库区、测压孔表层水温相差较大,因此冒水孔出水水体渗漏源与水库底部水体相关性较大。

2.2 天然水化学示踪

各采样点水样水化学元素质量浓度测定结果如表1所示。从表1可知,9个测压孔处各水化学元素质量浓度偏差较大,经分析,可能与前期测压孔冲洗有关。库南、库北2个采样点水样各水化学元素质量浓度基本一致。

表1 各采样点水样水化学元素质量浓度和pH值

计算一级消力池、二级消力池、冒水孔、大坡西、大坡东、池塘(池塘一、二、三)采样点水样水化学元素质量浓度与库水水样(表1中库北采样点水样)对应水化学元素质量浓度的比值来分析各个采样点水化学元素的相关性,以及与库水对应水化学元素的相关性。

b.冒水孔出水水体水样与库水水化学元素差异很大,质量浓度比值较大,其中Ca2+、Cl-、HCO3-、K+、Mg2+、Na+等元素偏差在50%以上,表明冒水孔出水不是直接来自库水;若来自库水,则必定发生了水化学反应,但需要进一步分析。

c.大坡西、大坡东水样除K+以外,其余水化学元素质量浓度与冒水孔出水水体基本一致,但与库水各水化学元素质量浓度比值差异较大,其中,大坡西水样中K+质量浓度偏大可能是受面源污染所致。由此可判断冒水孔、大坡西、大坡东为同一水源,因与库水成分差异大,若为库水,则发生了水化学反应。

2.3 ICP化学示踪

ICP化学示踪方法与传统的放射性同位素示踪法相比,具有无污染、工作周期短、成本低等明显优势。根据地下矿物质含量情况,此次选取与自然本底差异大且性质稳定的化学元素作为试验的示踪剂,共选择了3种不同的示踪剂,分别编号为1号、2号和3号示踪剂。

在北泄洪闸19个测压孔中选取闸南侧(11号、13号和14号)、闸上(1号、5号和8号)、闸北侧(16号、18号和19号)作为投放点,分别投放1号、2号、3号示踪剂。在9个投放点采用同一时间、一次性投放的方式完成示踪剂的投放,随后在冒水孔、一级消力池、二级消力池、大坡东、大坡西5个采样点用专用取样器采集水样,其中冒水孔前4天采样频率为每隔1h采样1次,随后每隔4h采样1次;一级消力池、二级消力池、大坡东、大坡西4个采样点每天采样1次,连续采样26天。试验前在库南、库北、一级消力池、二级消力池、冒水孔5个采样点各采取1个水样,测定各采样点3种示踪剂自然本底值,结果如表2所示。

表2 各采样点示踪剂质量浓度自然本底值 单位:ng/mL

共检测冒水孔出水水体水样168个,一级消力池和二级消力池水样各23个,大坡东和大坡西水样各14个。通过ICP化学示踪方法测定各采样点水样中3种示踪剂的质量浓度,结果如表3和表4所示。

表3 大坡东、大坡西水样示踪剂质量浓度检测结果 单位:ng/mL

表4 一级消力池、二级消力池水样示踪剂质量浓度检测结果 单位:ng/mL

分析表2～4可知:①水库周边各采样点水样中3种示踪剂自然本底值均较低,1号示踪剂质量浓度在4.00ng/mL左右,2号示踪剂质量浓度大多在0.35ng/mL左右,3号示踪剂质量浓度大多在1.50ng/mL左右;②大坡东连续14天水样中1号、2号示踪剂未出现明显峰值过程,表明闸门底部、闸南侧与大坡东之间未形成明显渗漏通道,3号示踪剂质量浓度则增大近4500倍,表明闸北侧与大坡东之间形成明显的渗漏通道;③大坡西连续12天水样中1号、2号示踪剂未出现明显峰值过程,表明闸门底部、闸南侧与大坡西之间未形成明显渗漏通道,3号示踪剂出现两个峰值过程,所采水样的质量浓度由0.49ng/mL分别上升至1.01ng/mL和1.24ng/mL,表明闸北侧与大坡西之间可能形成渗漏通道;④一级消力池连续21天水样中1号、2号、3号示踪剂均未出现明显峰值过程,表明闸南侧、闸上、闸北侧与一级消力池之间均未形成渗漏通道;⑤二级消力池连续24天水样中1号、2号示踪剂均未出现明显峰值过程,表明闸门底部、闸南侧未形成明显渗漏通道,3号示踪剂在后期出现明显上升,又由于二级消力池承接了大坡东含高质量浓度3号示踪剂的来水,因此二级消力池与闸北侧之间可能形成渗漏通道。

以3种示踪剂自然本底值为基准对冒水孔出水水体水样中示踪剂检测结果进行无量纲化处理(水样示踪剂质量浓度除以冒水孔出水水体示踪剂自然本底值),得到冒水孔出水水体中各示踪剂幅度变化曲线如图5所示,可见连续26天冒水孔出水水体水样中1、2号示踪剂均未出现显著的峰值过程,表明闸南、闸上与冒水孔之间未形成明显渗漏通道;3号示踪剂出现明显多峰现象,其中峰值达到自然本底值5倍左右,表明闸北与冒水孔之间存在渗漏通道。

图5 冒水孔出水水体中3种示踪剂质量浓度变化曲线

3 综合判定及成效分析

根据温度场示踪、天然水化学示踪和ICP化学示踪试验分析结果,综合判定石梁河水库北泄洪闸二级消力池冒水孔出水水体渗漏源来自闸北侧库区底部水体,闸北侧库区底部水体经坝体渗漏后从二级消力池北侧绕渗至出水点,渗漏路径如图6所示。

图6 石梁河水库北泄洪闸二级消力池出水水体渗漏路径示意图

根据上述分析结果,提出以下除险加固措施建议:①在原坝体顺坝轴线方向150m范围内,采用C30素混凝土建地下连续墙截渗,宽度45cm,墙顶以上采用12%的水泥土回填,在靠近北泄洪闸涵洞5m范围内采用高压旋喷桩截渗;在CS0+40处垂直坝轴线下游方向120m范围内采用高压旋喷桩截渗;②清理北泄洪闸下游二级消力池堵塞的冒水孔约480个,修复底部反滤层;③拆除重建北泄洪闸北侧下游的北侧翼墙至二级消力池末端搅拌桩围封位置的护坡约530m2。根据上述建议,石梁河水库于2021年实施了北泄洪闸渗流异常应急处理工程,堵住了渗漏通道,成功解决了二级消力池异常冒水问题。

通过采用温度场示踪、天然水化学示踪和ICP化学示踪联合的示踪探测方法,直观准确地判断出石梁河水库北泄洪闸二级消力池冒水孔出水水体的渗漏源与渗漏路径,使得除险加固工程能精准施工,缩短了施工工期,工程实际投资由原先预算的3000万元减少到900多万元,同时确保了石梁河水库大坝及下游百万人民群众生命财产及连云港市重要设施的安全,直接经济效益2000多万元,间接经济效益上亿元。

4 结 语

采用温度场示踪、天然水化学示踪和ICP化学示踪联合的示踪探测方法,结果能相互印证、补充,可以精确定位渗漏水源,绘制渗漏路径图,对降低大坝渗漏损失具有重要意义,可在大坝渗漏探测中推广应用,也可广泛应用于全国各类型水库大坝、河道、圩区堤防等渗漏问题的隐患排查、质量检测、定性探测、安全评价以及防洪抢险等工作中。此外,该方法还可以应用于城市河网、湖泊污染溯源和污染物运移分析中,解决目前引水过程中水源不清、影响不明的难题。