基于示踪试验的水库渗漏检测应用研究

徐庆功

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110006)

近年来由岩体渗漏引发的水库工程地质问题频发[1]，由于水库在修建过程中无法完全规避岩体节理裂隙[2]，岩体中渗流各向异性突出，水库修建后，水压力增大，节理裂隙进一步扩张，局部发育完善成为优势渗流通道[3]。应用地下水示踪试验进行水库大坝渗漏检测分析，能较准确、及时查明渗漏部位，是一种高效的勘察手段[4]。地下水示踪试验，也称为地下水连通性试验，是在地下水上游投入一定量示踪剂(通常选择NaCl)，在预期能到达的部位进行取样检测，综合分析地下水径流方向，为防渗处理方案设计提供科学合理的依据[5- 6]。

1 工程概况

松茂水库位于云南省昆明市，为黏土心墙砂壳坝，坝顶长267.9m，最大坝高29.7m，正常库容859.08万m3，总库容1203.20万m3，是一座中型水库。该水库发挥着灌溉、防洪、生产、绿化等社会经济效益。

2 枢纽区工程地质条件

枢纽区沟谷总体呈“U”型，坝址左岸为NW方向突出的山脊地形，与右岸山体对比，较为单薄。两岸山坡较陡，坡度25°～30°。坝址处沟谷较开阔，下游侧逐渐狭窄。

枢纽区地表多为第四系松散堆积物覆盖，两岸坝肩有部分基岩出露，岩性为二叠系上统峨眉山玄武岩组(P2β)：灰绿-黄绿色，杏仁状、气孔状、块状构造玄武岩，主要为高原式大陆喷发，夹少量基性玄武质凝灰岩。

按地下水赋存条件及运移形式，可分为松散孔隙潜水、基岩裂隙水2种。裂隙水主要赋存于强-新鲜基岩节理裂隙中，强风化岩层多呈中等透水层，弱风化岩层多为中等透水-弱透水层。孔隙水主要分布在第四系堆积层及全风化玄武岩中。

3 渗漏现状分析

根据现有资料，施工期坝基清基不彻底，残留的冲洪积层或残坡积层与基岩接触带局部呈中等透水状态。下部基岩虽然风化强烈，但节理裂隙多闭合，浅层局部张开的也以泥质充填为主，阻水性一般。

目前坝前蓄水位为2007.20m，蓄水位较低且较稳定，下游排水棱体前部沟槽出现明流，出水点共4处，分别为D1、D2、D3及D4位置，每处均分布多个出水点。各钻孔位置布置如图1所示。勘察期(为丰水期)流量分别为57、8、5、48L/min，4处总流量为118L/min。坝体其它部位未发现浸散区。

图1 各钻孔位置布置

钻孔SZK2和钻孔SZK6钻探情况表明，两侧坝肩岩体破碎，节理裂隙发育，在高程1989m以上透水率介于15.6～83.2Lu之间，均为中等透水，钻孔孔内地下水水位基本与库水位一致，存在与库水连通的可能，即存在绕坝渗漏问题。

绕坝渗漏量计算中，根据《水利水电工程地质手册》中的相关内容，边界条件按无压流、层流考虑，采用的公式为：

Q=0.336·K·H·(H1+H2)·lg(B/r0)

(1)

式中，Q—渗漏量，m3/d；K—渗透系数，左岸取0.43m/d，右岸取0.46m/d；H—水头差，m；H1—坝址渗漏层厚度，左岸取15.6m，右岸取19.5m；H2—下游渗漏层厚度，左岸取10m，右岸取6.5m；B—绕渗带长度，左岸取250m，右岸取300m；r0—绕渗半径，左右岸均取100m。

D1渗漏点，现水位年渗漏量约为3.0万m3，而左岸绕坝渗漏年渗漏量约为1.32万m3。D4渗漏点，现水位年渗漏量为2.52万m3，而右岸绕坝渗漏量为1.16万m3。据此断定，D1、D4渗漏点渗出水量中有两侧山体地下水补充。

4 示踪试验

4.1 现场示踪试验布置

本次示踪试验渗漏分析是向大坝钻孔内投入适当示踪剂(本次试验选择工业盐NaCl)，对投盐前后坝脚渗水点进行取样，检测坝下渗漏水的电导率随时间变化情况，得到时间浓度变化曲线，分析确定渗漏通道。投源孔分布于坝顶，共7处，为SZK1～SZK7。本次试验取样点共计7处，分别为D1、D2、D3、D4、坝下排水汇总处及库区左右两侧库水。

4.2 示踪试验时间与电导率变化曲线关系特征研究

根据地下水动力学基本原理，瞬时投源，示踪剂浓度变化曲线理论上呈正态分布，单峰曲线[7]，如图2所示。单峰曲线表明投源点渗流路径单一，径流通畅，示踪剂浓度在达到峰值后被稀释而逐渐减小[8]。

图2 示踪剂浓度随时间呈单峰曲线

但由于地质条件复杂，土体中孔隙、基岩裂隙发育程度、延伸情况等不同，而导致双峰或多峰现象[9]，如图3所示。根据峰值高低、先后顺序分为“先高后低”与“先低后高”。“先高后低”表明有2条渗流路径，高峰值是主通道峰值，低峰值是支流峰值，由于受到主通道的稀释而导致浓度降低[10]；“先低后高”表明也是2条通道，主通道发育有地下湖形成的钝峰，直流通道流量小，但是浓度高，主、支汇合后形成高峰[11]。

图3 浓度随时间呈双峰或多峰

实际检测结果通常为双峰或多峰型，由于示踪剂通过多个渗流路径，到达取样点时间不同；在试验期间有其它人工流场干扰；试验期间工程区水位骤然变化，导致渗流路径变化，接收点示踪剂浓度也发生改变[12]。

试验时电导率随时间变化曲线出现明显变化即可视为检测到示踪剂，但仍需持续多次检测，方可保证结果的有效性[13]。

4.3 示踪试验过程

随钻探工作的进行，不定期开展示踪试验工作。期间对坝顶7个投源孔分别进行2～4次示踪试验，总计试验20次，钻探至设计孔深后采用直接投放NaCl盐水的方式，随即对坝下渗漏点取样检测。投示踪剂前对各检测孔取样电导率测试，以确保不受前几次试验残留示踪剂影响。

4.4 示踪试验结果分析

4.4.1绕坝渗漏示踪试验数据分析

通过对坝肩地质情况及异常现象的分析，选取重点部位进行示踪试验。选取钻孔SZK2、SZK6作为投源孔，坝脚溢出点D1、D2、D3、D4作为取样检测孔。

根据各检测孔电导率变化情况，选取代表性曲线分析，D4接收孔电导率-时间关系曲线如图4所示。SZK6钻孔投盐后，约12h后D4电导率缓慢上升，上升幅度较小，约40h后到达峰值，电导率最大上升50μg/L，58h后逐渐回落，呈单峰曲线变化。由此判断SZK6钻孔向D4方向存在一定渗流通道，为右岸绕坝渗漏，但渗漏量较小。

图4 D4接收孔电导率-时间关系曲线

D1接收孔电导率-时间关系曲线如图5所示。SZK2钻孔投盐水后，6h后D1电导率逐渐上升，上升速度较快，13h内出现峰值，电导率最大值升高100μg/L，且上升后较为稳定，测试时间内无回落迹象。说明SZK2钻孔向D1方向存在明显径流，为左岸绕坝渗漏，且渗漏量较右岸大。

图5 D1接收孔电导率-时间关系曲线

4.4.2坝基渗漏示踪试验数据分析

通过对坝基地质情况及个别异常地质现象分析，选取SCK3、SCK4、SCK5作为重点部位进行示踪试验投源孔，坝脚溢出点D1、D2、D3、D4作为取样接收孔。根据检测期间水样电导率变化情况，电导率未见明显异常变化，均在正常值范围，说明坝基渗漏量较小。

5 结语

(1)左右岸接收孔均检测到明显示踪剂变化，说明两岸均存在绕坝渗漏问题。左岸电导率上升速度快，且测试时间内无回落迹象，说明左岸绕坝渗漏问题较明显。坝基渗漏量较小，本次未检测到明显渗漏情况。

(2)地下水示踪试验是一项重要的水文地质技术，NaCl作为示踪剂，具有方便快捷高效等特点。

(3)分析总结出多种示踪试验时间与电导率变化曲线关系特征，对成果解译有指导作用。

(4)示踪试验应结合压水试验、地下水位观测、孔内水温观测及地下水流速测定等方法综合分析、验证。渗漏检测技术在方法、效率、准确性方面仍有待提高。