基于单孔稀释试验的人工湖渗漏探测方法及应用

梁越 赵卓越 夏日风 张宏杰 代磊

摘要：渗漏是影响湖库安全的关键因素，对其进行准确、高效探测一直是水工安全领域中的技术难题。与基于电磁理论的地球物理探测技术不同，基于井流理论的单孔稀释技术可以直接得到与渗流场相关的含水层参数且无需额外的参数转换。但传统的单孔稀释试验往往仅对点位渗漏性进行定性判断，针对大尺度下渗漏规模的定量分析应用较少。为此，基于单孔稀释测速原理对四川省仁寿县某渗漏人工湖进行研究。在人工湖附近钻孔后进行单孔稀释试验，通过监测NaCl溶液电导率数据得到钻孔流速，通过解译流速数据得到了人工湖最大渗漏通道位于湖体左侧钻孔ZK6～ZK7区域420～440 cm深度范围和ZK8区域300～400 cm深度范围，钻孔剖面渗流量为4.24 cm3/s。现场试验应用表明：单孔稀释法不仅能定性分析出渗漏通道的空间位置，还能定量计算出地下流速、渗流量参数。试验证明单孔稀释渗漏探测原理应用于湖库渗漏探测中具有较好的推广应用价值。

关键词：渗漏探测； 单孔稀释法； 电导率； 渗漏通道； 渗漏量； 人工湖

中图法分类号： TV698.1

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.04.027

0引 言

水库、湖泊在防洪、供水、农业灌溉、改善生态环境等方面具有重大作用。渗漏是湖库的常见病害，因此，探测渗漏的空间位置及规模大小对水库、湖泊解除安全隐患和防渗处理具有重要的理论依据和实际意义，但由于地质条件复杂，其渗漏位置较难被准确发现［1］。目前，水库渗漏探测的常用方法有高密度电阻率法［2］、探地雷达法［3］以及综合地球物理探测［4-6］等方法，这些方法利用不同介质物理指标的空间差异性确定渗漏源及渗漏通道的空间位置并监测其发展变化。但这些方法常常需要大量的人力、昂贵的设备、专业性知识以及复杂的计算和解释算法，且提供的间接数据只是反映土壤材料或混凝土渗透性的物理指标，而不是直接的渗漏或地下水流场信息［7］。此外，在渗漏探测中这些方法易受到介质非均质性的影响，在分析过程中往往产生非确切参数的空间分布从而影响渗漏判断的准确性。

与地球物理探测方法相比，示踪剂测试具有成本低、效率高、可直接提供渗流场或地下水流场数据等诸多优点［8-10］。单孔稀释法将示踪剂注入钻孔并观察示踪剂浓度随时间和深度的变化的情况，因此可以测量钻孔中流速流向，识别流入流出层位，判定区域内是否存在垂向流，表征钻孔及钻孔周围区域流场。比如Maurice等［11］在自然水头条件下进行单钻孔稀释试验来识别钻孔内的垂直流动并确定流入、流出和交叉流动裂缝的位置；West等［12］将利用裸井钻孔稀释转化得到的垂直流速数据与使用含水层系统的水力模型生成的数据匹配起来，以表征多层含水层系统，并在试验中测量到了非常低的流速；Agbotui等［13］通過点注入和均匀注入两种稀释试验对钻孔中的水流流动进行表征，并推断出地下水流动模式和周围含水层地层中的速度等特性。这些现场试验表明，由单孔稀释技术估算出的流速符合达西定律，可以应用其测定钻孔周围含水层中地下水的渗流速度。但相关文献中，很少发现应用单孔稀释法来探测和量化水利工程渗漏问题。Qiu等［7］在钻孔中通过天然示踪剂试验和人工示踪剂试验相结合的方法检测坝体渗漏区，证明了单孔稀释法在渗漏探测精度方面比传统示踪剂方法具有更好的性能。Dong等［14］利用多元技术探测土石坝渗漏路径，其通过单孔人工同位素稀释试验测定高、低水库水位下钻孔中垂直和水平流速判断渗漏可能性，并利用盐水示踪剂在钻孔和渗漏点之间进行了连通性测试。

但上述单孔稀释试验都是在物探或示踪试验的基础上或三者联合起来开展的，以对水工结构某一区域进行渗漏探测，单一使用该方法是否能探测出渗漏通道位置，以及在较大尺度上的渗漏探测可行性如何，尚未有相关表述。而且值得注意的是，上述试验都侧重定性分析钻孔区域渗漏情况，最终并未量化渗漏的大小及规模。

基于此，本文采用单孔稀释试验对四川省仁寿县某人工湖渗漏问题进行研究，根据流速数据分析判断人工湖渗漏情况，定性分析其渗漏通道的空间位置，量化渗漏区域渗流量大小，验证单孔稀释试验在湖库渗漏探测上的可行性。

1试验方法及原理

1.1单孔稀释法

单孔稀释法是通过各种天然、人工示踪剂对地下水渗流问题进行定性和定量研究的方法。将一定量的示踪剂投放到钻孔中，示踪剂随地下水一起运动，随着地下水的渗透，示踪剂被补给到钻孔的“新鲜水”中而得到稀释进而浓度降低，示踪剂浓度降低速率与地下水运动速率存在函数关系。测量出示踪剂浓度的变化，根据一定关系求出渗流速度，从而计算出渗漏区域的渗漏量大小。

1.2流速计算公式

钻孔中示踪剂浓度的降低与地下水渗流速度Vf变化关系服从稀释定理［15］：

对于示踪剂的选择，NaCl作为一种人工示踪剂价格便宜，易于获得，对人类和环境无毒无污染，其浓度可以通过钻孔水的电导率监测出。在低浓度下溶液电导率与浓度呈正比关系［17］，因此，示踪剂浓度之比可以通过其电导率之比来表示。选用NaCl作为示踪剂，如图1所示，现场环境下NaCl溶液浓度与其电导率大致呈正比关系，其中截距表明湖水存在本底值。此时必须考虑钻孔中水的电导率本底值的影响，则式（1）、（2）分别表示为

1.3均匀注入方法

单孔稀释法有两种常见的示踪剂注入方式，即点注入和均匀注入。点注入主要测定某深度下的速度，主要应用在识别垂直流上；而均匀注入的目的在于使示踪剂均匀充满整个饱和孔中，以获得地下水流动信息，从而在一次测试中探测不同深度的渗漏效应［11］。本文研究选择均匀注入作为示踪剂的注入方式。

图2为在只考虑水平流或垂直流影响极小的情况下，钻孔均匀注入示踪剂后示踪剂浓度减小并随深度变化的3种典型曲线（根据 Maurice等［11］修改，更具一般性）。图2 （a）表示水平均匀流贯穿整个钻孔，表明地下水均匀流动；图2 （b）钻孔上部示踪剂浓度降低较快，下部示踪剂浓度降低较慢，这表明上部水平流动快于下方，这种变化往往揭露了岩性变化，例如渗透系数较低的黏性砂石被渗透率较大的粗砂砾石覆盖；图2 （c）曲线出现两个波动区，说明该深度下的流速与其上下层位流速存在较大的差异，此情况常出现在岩溶裂隙含水层或存在渗漏隐患的工程结构中。这3种曲线适用于解释钻孔中电导率变化情况，判断渗漏通道和裂隙位置。

注：t代表注入后增加的时间，t1曲线代表初始注入的浓度变化，t2，t3表示后续时刻浓度变化圆柱体为孔中水流流动的示意图，箭头指向表示流入（指向钻孔）、流出（指向远离钻孔），箭头越大表示流速越大。

2单孔稀释现场试验

2.1工程概况

所研究人工湖（图 3）位于四川省仁寿县，境内地质构造单元处于川西台陷龙泉褶皱车与川中台拱、威远穹隆的接合部位，境内地貌以丘陵为主，地势西高东低，境内河流分属沱江和岷江流域。该人工湖设计水位高程约499.20 m，平均水深为3.5 m，附近土层渗透系数为2×10-6～2×10-7cm/s。经人工回填，防水毯防渗，建成一月后出现渗漏问题，导致湖水位始终上升不到设计水位，湖泊左侧部分土体出现变形开裂，存在较大渗漏隐患。

2.2试验步骤

根据现场勘查情况设定钻孔方案如下，沿湖体周边进行钻孔选点，从人工湖上游沿湖体左侧依次布置25个钻孔点位，点位间距2～8 m。定点后先用探杆初步确定钻孔位置，再利用钻头进行浅层手动打孔以清除表层泥土。将钻机安装到钻杆上后，启动抽水泵对钻机注水，进行钻孔工作。每钻完一点，将钻杆垂直地从孔中提出，清理钻头内取出的岩石并做好每个钻孔的岩性记录，同时对孔口使用打孔的PVC管材进行保护，防止后续的测量过程中孔内坍塌导致测量受到干扰，PVC管外用尼龙纱布包裹以防止泥浆进入管道。如图3所示，完成了25个5 m的钻孔ZK1～ZK25的安装和布置。湖水位与钻孔水位高程如表1所列。

钻孔工作完成后，采用均匀注入方法对25个钻孔分别进行稀释测试。首先使用水质综合监测仪测量钻孔中水的电导率本底值，加附重物的软管深入钻孔底部并被地下水流充满，将配置好的NaCl溶液（浓度小于30 g/L）通过漏斗注入管径25 mm软管中。注入时应缓慢匀速地将软管拉出钻孔，使NaCl溶液与孔水混合产生初始浓度并均匀分布在钻孔监测范围内，均匀注入过程见图4。接着将传感器探头放入钻孔中，每隔20 cm深度测量并记录每一层的电导率值，间隔一定时间后，测量并记录下一组电导率值。时间间隔选取与孔内流速有关，若电导率变化不明显，适当增大间隔时间；配置NaCl溶液浓度要求低于120 g/L，否则会产生密度流，影响自然流动的解释［13］。

2.3试验结果及分析

2.3.1电导率曲线分析

使用单孔稀释法在不同深度范围、不同条件下（每个钻孔间隔时间与注入NaCl溶液浓度不同）完成了25次稀释测试，记录了各钻孔的电导率数据并得到每个钻孔不同深度的流速值。如图5所示，对电导率变化曲线具有代表性的钻孔ZK16、ZK22、ZK6、ZK2进行简要分析。

ZK16孔中，随着试验时间变长，曲线逐渐向本底值曲线靠近，说明钻孔中存在水流运动，使NaCl溶液浓度减小，水流运动越快，同一深度曲线间隔越大。说明相同时间间隔下NaCl溶液浓度降低得更多，所以ZK16中、上层流速低于下层流速。ZK16电导率曲线中260 cm和420 cm深度存在两个波动区且相同时间内其电导率降低更快，说明这两个深度的流速大于其附近层位流速。而第一个观测时刻t1中，曲线有两个明显波动点，下一时刻t2中，只有一个波动点，说明ZK16在260，420 cm深度范围内有两个渗漏区且420 cm的渗漏更严重（图6中ZK16区域260，420 cm深度的流速均大于0.03 cm/s）。

对于ZK22，340 cm深度至孔水位线范围内存在一个低电导区，投源软管每次都会从孔口拉出且整个孔段内NaCl溶液均匀注入，因此很难在浅层出现低电导聚集的情况。可能的原因是ZK22浅区水流流动快流量大，孔内NaCl溶液及时被 “新鲜水”补充稀释，因此测试时错过了短暂的变化，所以试验中曲线的低电导区域一般表明该区域流速高于孔内其他区域流速。

对于ZK6，在30多s时间内420 cm深度以上都为低电导区，420 cm时流速高达0.1385 cm/s，大于0.03 cm/s流速段占鉆孔测量段流速的50%以上（见图 6中ZK6流速曲线），因此ZK6处存在严重渗漏情况。从ZK16中420 cm深度、ZK22中500 cm深度、ZK6中460 cm深度的电导率变化曲线不难发现，曲线簇的凸点总保持在同一水平方向上，这说明在没有垂直流的情况下，示踪剂的浓度值只随着流入钻孔中的地下水降低，不会得到垂直方向水流运动的补充，凸点总保持在同一深度，Maurice等［11］同样在其数值模拟中发现了这一规律。

而ZK2是25个稀释试验中唯一存在垂直流的钻孔。图5（d）中，t2曲线电导率分别在140，320，360 cm深度大于t1曲线电导率况，t3曲线电导率分别在140，160，180，320 cm和360 cm深度大于t2曲线电导率，电导率值在没有额外补充示踪剂的情况下增大，且3条曲线的凸点趋势向上方移动，说明垂直方向的水流将下层少量示踪剂补充到上层，导致电导率值增大，上层点位浓度突增且浅口处（140～160 cm）电导率升高，因此判断ZK2中存在垂直向上水流。图5中ZK2孔内电导率增大值较小，其影响较小，仍采用式（3）计算孔内流速，而ZK12钻孔本身流速很小，基本不存在渗漏情况。由于流速极低，示踪剂扩散作用大于平流作用，且在上提软管的过程中对孔内本身相对静止的水流产生了向上移动的趋势，因此产生了垂直向上的水流运动。

如图7所示，根据电导率数据计算出25个钻孔的平均流速，其中最大平均流速出现在ZK6处，为0.050 05 cm/s，最小平均流速出现在ZK1处，为0.000 22 cm/s，两者相差两个数量级，流速越大数量级越高，渗漏可能性越大情况越严重。不难发现，湖体左侧ZK5～ZK16区域渗漏明显。因此，根据平均流速大小及数量级不同，将钻孔分为以下3个区：① 高渗漏区域Ⅰ在ZK5～ZK16，流速区间主要在0.01～0.1 cm/s；② 低渗漏区域Ⅱ在ZK3～ZK4和ZK17～ZK22，流速区间主要在0.001～0.01 cm/s；③ 不渗漏区域Ⅲ在ZK1～ZK2和ZK23～ZK25，流速区间小于0.001 cm/s。当然，判定渗漏情况不仅与流速有关，还与渗漏范围、渗漏规模有关，因此还需继续通过水平流速分布判断渗漏通道的位置并计算渗漏量大小。

2.3.2渗漏通道位置及渗流量大小

图8蓝色区域表示对应钻孔区域的流速大小，高渗漏区ZK5～ZK16孔流速整体上远远大于其他区域流速，渗漏严重，其中ZK5～ZK9区域流速大于ZK10～ZK16区域流速，ZK6处流速最大，表明人工湖主要渗漏范围在湖体左侧，最大渗漏通道位于ZK5～ZK9区域。局部上，320 cm和460 cm深度的ZK11和420 cm深度的ZK16流速突增，表明这一深度附近该点位可能存在渗漏通道；深度300～400 cm时，ZK8流速一直处于高速流状态，表明ZK8处该深度存在一个较大渗漏通道；深度420～440 cm时，ZK6～ZK7的流速一直处于高流速状态，其中ZK6流速最高为0.14 cm/s，说明在420～440 cm附近存在一个较大的渗漏通道。低渗区流速波动也表明其存在不同程度的渗漏，如ZK22从280 cm开始流速先增大后减小至360 cm后降低更小，但流速突增不明显表明其未形成集中渗漏。ZK1～ZK2、ZK23～ZK25区域流速低变化小，基本不存在渗漏，该结果也与前文流速分区结果一致。

为了更好计算滲漏量大小，将ZK1～ZK25钻孔剖面格网化10 cm（X方向）×20 cm（Y方向）为2 000个单元格，在已有的钻孔流速数据基础上采用普通克里金插值法（运算函数为线性函数）得到钻孔剖面流速分布，通过点位流速乘以单元格面积得到钻孔剖面的渗流量大小。图 9为ZK1～ZK25钻孔剖面渗流量分布情况，其中Ⅰ区剖面渗流量为3.746 cm3/s，Ⅱ区为0.436 cm3/s，Ⅲ区为0.058 cm3/s，钻孔区域总剖面渗漏量为4.24 cm3/s。图9中区域颜色越鲜明代表该深度区域渗漏越严重，渗流量的峰值出现在ZK5～ZK9、ZK10～ZK12、ZK16这3块区域，同样证明这些区域属于高渗漏区。其中ZK6～ZK7区域420～440 cm深度范围和ZK8区域300～400 cm范围渗漏量大于0.078 cm3/s，颜色为深红色范围，同样表明这些位置存在主要的渗漏通道。

2.3.3现场试验结论

采用单孔稀释试验对西南地区存在渗漏隐患的湖区进行探测。根据钻孔平均流速大小，将人工湖分为：（Ⅰ）高渗漏区（ZK5～ZK16）、（Ⅱ）低渗漏区（ZK3～ZK4，ZK17～ZK22）、（Ⅲ）不渗漏区（ZK1～ZK2，ZK23～ZK25）3个区域。

通过分层流速对比分析，得到人工湖最大渗漏通道位于ZK6～ZK7区域420～440 cm深度范围和ZK8区域300～400 cm深度范围内，同时ZK11区域的320，460 cm深度，ZK16区域的420 cm深度也存在集中渗漏通道。

通过计算渗流量，得到Ⅰ区剖面渗流量为3.746 cm3/s，Ⅱ区为0.436 cm3/s，Ⅲ区为0.058 cm3/s，钻孔区域总剖面渗漏量为4.24 cm3/s。

3结 论

单孔稀释法具有探测结果准确、操作过程高效、流场数据丰富等特点，可以在一次试验中直接获取到地下水位流速信息，判断裂隙或渗漏通道位置，表征钻孔及钻孔附近区域的流场特征，进而量化渗漏区域渗流量大小，其相较物理地球探测方法，可以直接得到流场数据。人工湖渗漏探测现场试验结果表明，在较大尺度区域中，单一使用单孔稀释法不仅可以定性分析出渗漏通道的空间位置，还能定量量化区域渗流量，其效率高，准确性强。因此，在可行的条件下，可以将单孔稀释方法应用到湖库的渗漏探测中。

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（编辑：郑 毅）