一种联合探测水库大坝渗漏通道的方法

技术领域

本发明涉及水库大坝渗漏探测领域，具体涉及一种直流充电法与综合示踪法联合探测水库大坝渗漏通道的方法。

背景技术

大坝渗漏是导致水利水电工程遭受损坏的主要因素之一，准确查明水库大坝内部的渗漏通道，正确分析渗漏原因，为水库大坝堵漏处理方案设计、施工提供指导尤为重要，对保证水库的蓄供水效益和大坝安全具有重要意义。

目前的水库大坝渗漏探测方法主要为钻探、物探和示踪技术。钻探只能揭露大坝局部的地质情况，仅为“一孔之见”，若要大坝进行整体探测，则需要布置钻孔数量多、工作量较大、成本高、效率低且钻探对大坝有一定破坏性，因此钻探不适合大面积开展，仅对有争议地段进行验证或补充勘察。而物探方法中适用于水库大坝渗漏探测的物理参数中，电性参数最为敏感，因此多采用电性、电磁类的方法(包括高密度电法、瞬变电磁法、自然电场法、直流充电法等)对水库大坝渗漏进行探测。高密度电法最为常用，其具有准确性高、抗干扰能力强、效率高等优点，能探测大坝内部可能存在的渗漏通道，但是因其探测深度仅为排列长度的1/6，而水库大坝多建于高山峡谷地段，测试排列的展布长度往往不能满足探测深度的要求。瞬变电磁法探测深度可以达到要求，但是其有抗干扰能力差、探测深度不准确、不能确定渗漏入水口和出水点间的水力联系，因此难以准确判定渗漏通道位置。综合示踪技术能确定渗漏入水口和出水点间水体的连通性、渗漏水体的大致流向和估算流速，但不能反映出渗漏通道具体的平面位置和分布高程，对水库大坝堵漏处理方案设计、施工的指导意义是有限的。

综上，单独一个方法均有一定的局限性，难以同时解决准确探测水库大坝渗漏通道和确定渗漏入水口和出水点间水体的连通性、渗漏水体的大致流向和估算流速，已经存在的技术难题亟需解决。

发明内容

本发明正是为了解决上述问题缺陷，提供了一种直流充电法与综合示踪法联合探测水库大坝渗漏通道的方法。本发明通过以下技术方案得以实现：

一种直流充电法与综合示踪法联合探测水库大坝渗漏通道的方法，包括以下步骤：

S1.探测前准备：通过资料查阅、现场调查了解水库大坝渗漏的情况，确立水库大坝渗漏的因素，包括：渗漏出水点的位置、渗漏量、渗漏量与库水位之间的变化关系、库区及坝区地层岩性、地质构造分布情况、水文地质资料、工程设计和大坝监测资料等；

S2.采用合适的物探方法在库区查明渗漏入水口区域或疑似渗漏入水口的区域平面位置和分布高程情况；

S3.钻孔：在S2中所述的库区渗漏入水口区域或疑似渗漏入水口的区域附近的库岸或大坝坝体位置合理布置钻孔，若水库大坝坝后有明显渗漏出水点，钻孔钻进至渗漏出水点的高程，若水库大坝坝后无明显渗漏出水点，钻孔深度以钻孔连续3段压水试验结果小于5Lu的高程进行控制；

S4.直流充电法探测：在步骤S3得到的钻孔水体作为充电点，开展直流充电法探测，查明水库大坝渗漏通道的具体位置和分布高程；

S5.综合示踪法探测：在步骤S3得到的孔内通过示踪法研究库水、钻孔、渗漏出水点之间连通性、估算渗漏水体流速及渗流量；

S6.渗漏通道联合判定：将两种方法结合，对渗漏通道进行联合判定。

进一步地，所述步骤S4中直流充电法探测的具体步骤如下：

S41.探测参数选择：包括充电点电极(A)布设、充电点距步长、“无穷远”电极(B)布设位置及距离、电位测试基点(N)电极和移动电极(M)的极差、充电电源、充电电流(I)和观测装置。

S42.测线、测点布置：应根据拟测试的区域的形状、范围、现场地形地质情况进行布设，尽可能将测线、测点均匀布置于测试区域。

S43.现场测试：在S41和S42步骤完成后，即可开始测量，测量时N极固定，M极沿布置的测线或测点逐一进行测量，记录测试数据。

S44.数据处理与资料分析：在S43步骤完成后，将现场测试数据输入计算机进行预处理、数据归一化处理、采用专业软件绘制最终测区电位等值线成果图像，根据测区电位值的高低、等值线变化形态，初步确定可能的渗漏通道。

进一步地，所述步骤S41中充电点电极(A)和“无穷远”电极(B)可选择不锈钢或铜电极，充电点(A)极按照一定的步长放置于钻孔水体中，“无穷远”电极(B)应布设在垂直渗漏水体流向的走向方向上，到充电点(A)极的距离取2～3倍测区长轴的长度或大于1000m；N和M电极应采用不极化电极，极差须小于2mV；充电电源根据预估测试深度可选用蓄电池、干电池组直接供电；充电电流保证在测试过程测量值中不小于20mV即可；观测装置为电位观测装置或电位梯度观测装置。

进一步地，所述步骤S42中布设测线走向应与渗漏水体流向垂直或大角度相交，分为普查阶段和详查两个阶段，普查阶段测线距一般为5m～10m，测点距为2m～5m；详查阶段根据普查探测的成果进行布设，测线距通常为2m，测点距为1m～2m，所有测线和测点均应进行测量放样。

进一步地，所述步骤S43中，现场测试时N极固定，M极沿布置的测线或测点逐一进行测量，为保证测量时接地良好，每个测点在放置M电极前，应挖坑，坑内浇盐水后再埋电极；每个测点至少测量3次，发现异常重复观测，现场记录包含测量电流(I)、供电电压(U)和电位值(U

进一步地，所述步骤S44中，现将测试数据输入计算机，进行剔除飞点等预处理，然后采用下列公式进行归一化处理，得出归一化电位U′(mV/mA)，最后根据各测点的坐标绘制各充电点位深度或高程对应的归一化电位等值线图。

式中：U′为归一化电位，单位为mV/mA；

U为供电观测时，M极、固定N极之间的电位差，单位为mV；

I为供电电流，单位为mA。

进一步地，所述步骤S3中综合示踪法探测包括伪随机电流示踪和渗流水体电阻率示踪；

其中，伪随机电流示踪：在水库库区上游水体中布置一个“无穷远”电极(B)，以保证测量区域的电流场不受其影响，另外一个供电电极(A)布置于大坝坝后渗漏出水点位置，用导线将AB两极与伪随机信号发射机相连接，向测试区域发射伪随机电流信号，用伪随机信号接收探头在钻孔观测电流密度随孔深的变化情况，进而判断渗漏水的来源以及库区渗漏入水口水体与钻孔及出水口的连通关系。

渗流水体电阻率示踪：通过在库区渗漏入水口投示踪剂，在孔内和坝后渗漏出水点对地下水的流速进行定量测量；

进一步地，所述渗流水体电阻率示踪剂采用食用氯化钠，仪器采用直流电法仪，测试首先在钻孔和坝后渗漏出水点测试水体电阻率的本底值，其次在库区渗漏入水口投入大量食用氯化钠，并记录初始时间T

式中：V

V

L

L

T

T

T

本发明提出的水库大坝渗漏通道的方法，克服了单一方法的局限性，将两种方法实现优势互补保证探测结果的准确性，具有操作简单、结果准确等优点，对比已有技术具有以下技术效果：

1、采用直流充电法在钻孔内不同深度或高程进行充电，对不同深度或高程的电位等值线图像进行分析，探明了水库大坝渗漏通道的平面位置、规模和高程分布情况，同时采用综合示踪法，对直流充电法探测成果进行验证，显著提高了探测成果的准确性；

2、本发明在保证探测准确性的基础上，仅需少量钻孔，减小了对大坝破损，降低了成本低，提高了效率；

3、通过本发明提出的方法，定量计算出了地下水的流速、渗流量等参数，更为全面的反映了水库大坝渗漏的情况，为水库大坝渗漏的后期堵漏方案设计和施工提供了强有力的支撑依据。

附图说明

图1是本发明探测方法的操作步骤流程图。

图2是本发明实施案例库区渗漏入水分布及钻孔布置图。

图3是本发明探测方法的一个实例的充电法现场观测装置图(a电位观测装置，b电位梯度观测装置)。

图4是本发明探测方法的一个实例的充电法现场工作布置图。

图5是本发明探测方法的一个实例的充电法探测成果图(a～f分别为深度10m、15m、18m、20m、25m和30m归一化电位等值线图)。

图6是本发明探测方法的一个实例的伪随机电流示踪电流密度分布曲线图(a～c为JCK1～JCK3电流密度随孔深变化曲线图)。

图7是本发明探测方法的一个实例的水体电阻率与测试时间关系曲线图(a为库区渗漏入水口至JCK2钻孔，b为库区渗漏入水口至坝后渗漏点)。

图8是本发明探测方法的一个实例的渗漏通道位置图。

具体实施方案

下面结合附图和实施案例作详细说明：

本发明的一个实施例是对某水电站右坝肩及坝后直流充电法和综合示踪法联合探测，该水电站拦河坝由建在河床覆盖层上的混凝土闸坝和两岸混凝土重力坝段组成，最大坝高为29m，防渗体系主要由坝体、防渗墙和防渗帷幕组成。在右岸下游岸坡，距大坝坝轴线100m，发现一个渗漏出水点，渗水量约100L/s，渗水流速较大，水质清澈透明，未见浑浊现象。

本水库大坝渗漏通道探测坝渗漏探测的方法，将直流充电法和综合示踪法进行组合，其步骤是：首先收集分析和现场调查初步了解该水电站渗漏情况，其次采用合适的物探方法初步查明库区渗漏入水口的位置，布置钻孔，通过直流充电法初步探测可能的渗漏通道，再采用综合示踪法进一步确定渗漏通道。其操作流程如图1，包括步骤：

步骤S1.探测前准备：通过资料查阅、现场调查了解水库大坝渗漏的情况，包括渗漏出水点的位置、渗漏量、渗漏量与库水位之间的变化关系、库区及坝区地层岩性、地质构造分布情况、水文地质资料、工程设计和大坝监测等资料，初步分析渗漏通道可能分布的区域；

步骤S2采用合适的物探方法在库区查明渗漏入水口区域或疑似渗漏入水口的区域平面位置和分布高程情况，如图2所示；

步骤S3.钻孔布置：在S2中所述的库区渗漏入水口区域或疑似渗漏入水口的区域附近大坝防渗墙及防渗帷幕线位置布置了3个钻孔JCK1～JCK3，孔径为90mm，孔深为35m～47m，如图2所示。

步骤S4.直流充电法探测：在步骤S3得到钻孔JCK1～JCK3，其中JCK2水位最高(位于孔深9m处)，JCK3其次(位于孔深15m处)，JCK1最低(位于孔深15m处)，且钻孔JCK2在钻进过程中可听见水流声，初步判断钻孔JCK2附近位置为主要过水区域，故本次直流充电法探测选定钻孔JCK2为充电钻孔，开展工作初步查明水库大坝渗漏通道的具体位置和分布高程，本实例采用仪器为重庆奔腾数控研究所的WDGD-6型多功能直流电法仪，具体操作步骤如下：

S41.探测参数选择：充电点电极(A)布置于钻孔JCK2内地下以下、充电点距步长度为5m、“无穷远”电极(B)布设于电站上游库区，距离大坝1100m、基点(N)电极和移动电极(M)的极差经现场试验选定了一对极差为0.5mV的固体不极化电极、基点(N)电极布设近坝库区库水位平稳，地形开阔完整的位置，充电电源采用了500V的干电池组、充电电流(I)经现场试验均大于30mA和观测装置选择了电位观测装置(如图3(a)所示)。

步骤S42.测线、测点布置：本次探测区域主要位于大坝右坝肩和坝后至渗漏出水点之间的河岸阶地，测线走向与渗水流向成大角度相交，共布置了16条测线，编号为Z1～Z16，测试点距为2m～5m，(如图4所示)。

步骤S43.现场测试：在S41和S42步骤完成后，首先将充电点放置钻孔JCK2孔深10m位置，仪器连线，确认仪器及连线仪器正常后开始现场测试工作，测试时N极固定，M极沿布置的测线或测点逐一进行测量，为保证测量时接地良好，每个测点在放置M电极前，均挖坑，坑内浇盐水后再埋电极，每个测点均测量了3次，现场记录了包含测量电流(I)、供电电压(U)和电位值(U

步骤S44.数据处理与资料分析：在步骤S43.现场测试完成后，可到的6组不同深度的现场测试数据，原始记录数包含了测量电流(I)、供电电压(U)和电位值(U

图5(b)、(c)和(d)可知在深度15m～20m段低电位异常带反映最为明显，推测该深度段为渗漏通道的位置所在；图5(d)和(e)中低电位异常带反映有逐渐减弱的趋势，说明已经穿越了渗漏通道的底界。

步骤S5.综合示踪法探测：在步骤S3得到的JCK1～JCK3孔内通过示踪法研究库水、钻孔、渗漏出水点之间连通性、估算渗漏水体流速及渗流量，具体操作步骤如下：

伪随机电流示踪：在水库库区上游水体中布置一个“无穷远”电极(B)，以保证测量区域的电流场不受其影响，另外一个供电电极(A)布置于大坝坝后渗漏出水点位置，用导线将AB两极与伪随机信号发射机相连接，向测试区域发射伪随机电流信号，用伪随机信号接收探头在JCK1～JCK3钻孔观测电流密度随孔深的变化情况，得到电流密度随孔深的变化关系曲线图，如图6(a)、(b)和(c),从3个成果图像可以看出，图6(a)电流密度随孔深无明显异常变化；图6(b)和(c)在孔深15m～24m段均出现明显的高电流密度异常区，尤其是JCK2钻孔最为明显，说明库水、JCK1、JCK2和坝后渗漏点具有连通性，且JCK2为渗漏通道中心位置。

水体电阻率示踪法：示踪剂采用食用氯化钠，仪器采用直流电法仪，测试首先在钻孔和坝后渗漏出水点测试水体电阻率的本底值，其次在库区渗漏入水口投入大量食用氯化钠，并记录初始时间，并按照一定的时间间隔在钻孔JCK2和坝后出水点水体进行电阻率测试，得到库区渗漏入水口至JCK2和库区渗漏入水口至坝后渗漏出水点水体电阻率随时间变化曲线图，如图7(a)和(b)。由7(a)图可以看出，在库区渗漏入水口投入食用氯化钠1.5小时后，JCK2钻孔内水体电阻率出现陡降的趋势，说明库区渗漏入水口与JCK2钻孔水体是连通的，库区渗漏入水口与JCK2钻孔之间的距离约为13.5m，估算出渗水的流速约为13.5/(1.5*3600)＝0.0025m/s。由7(b)图可以看出，在库区渗漏入水口投入食用氯化钠7.5小时后，坝后渗漏出水点水体电阻率出现陡降的趋势，说明库区渗漏入水口与坝后渗漏出水点水体是连通的，库区渗漏入水口与坝后渗漏出水点孔之间的距离约为114.5m，估算出渗水的流速约为114.5/(7.5*3600)＝0.0042m/s。

步骤S6.渗漏通道联合判定：通过将直流充电法和综合示踪法联合探测，最终得出结论：

(1)库水→库区渗漏入水口→JCK2和JCK3位置(JCK2为主)→坝后渗漏出水点(如图8所示)，渗漏通道埋深为15m～20m，高度约为5m，宽度约10m；

(2)库区渗漏入水口→JCK2钻孔段，渗水流速约为0.0025m/s，库区渗漏入水口→坝后渗漏出水点段，渗水流速约为0.0042m/s，渗漏流量约为105L/s，所述前者的流速值明显小于后者，因钻布置于防渗墙和帷幕灌浆线后，说明防渗墙和防渗帷幕起到了一定的防渗作用，但仍然存在局部的破碎，导致该水电大坝渗漏。

以上所述的仅是本发明的部分具体实施例，方案中公知的具体内容或常识在此未作过多描述(包括但不仅限于简写、缩写、本领域惯用的单位)。应当指出，上述实施例不以任何方式限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡是采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案均落在本发明的保护范围内。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。