CN113820078A - 一种示踪法与稀释浓度法联合检测堤坝渗漏的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种示踪法与稀释浓度法联合检测堤坝渗漏的方法，首先通过现场调研情况确定钻孔的布设位置，通过水位变化相关性分析确定各钻孔与库水位之间的连通性，再通过示踪试验初步确定钻孔间的渗透通道，进一步采用单孔稀释地下水流速法测定各钻孔内不同高程点对应流速，并绘制流速‑高程曲线，最后选取由示踪试验确定的存在渗透通道的两钻孔，对比其流速‑高程曲线，最终得出堤坝具体渗漏部位及其渗漏强度。本发明通过将示踪法及单孔稀释地下水流速法结合，均使用同种示踪剂进行试验，大大减少了钻孔数量及试验成本，同时提高了渗流检测的效率及精度。

Description

一种示踪法与稀释浓度法联合检测堤坝渗漏的方法

技术领域

本发明涉及水利工程的地球物理探测领域，尤其是示踪技术与单孔稀释浓度测速技术实现的堤坝渗漏检测方法。

背景技术

20世纪50年代，国外学者Moser提出采用放射性同位素单孔稀释示踪的方法测定地下水流速，经过Drost等人的努力，初步建立了较为系统的理论基础，并投入工程实践中。我国于上世纪80年代引进该方法，目前已广泛应用于水利、采矿、地下水勘察等领域。

对于堤坝渗漏检测来说，示踪试验是常用的检测手段之一，即在含水层渗透段的上游投入适当的示踪剂，在被检测部位下游的检测点采取地下水进行示踪剂成分连续检测，根据检测数据分析确定被检测部位地下水的连通性。单孔稀释法则是通过检测钻孔内部不同深度的示踪剂浓度变化的情况来推算地下水流速，整个检测过程都在同一钻孔中进行。

经过不断的工程实践，通过示踪及单孔稀释进行地下水检测的方法已经得到不断改进，例如从最初示踪剂的选择大多具有较强放射性改进为用电解质溶液替代，如NaCl溶液，安全无害。也有许多学者从计算原理上进行改进，比如通过所测溶液浓度转化为流速时，流场畸变校正系数α值的选取根据现场条件的不同而有所改变等。

示踪法检测渗漏的主要优点在于实施简单、实用性强，可应用于研究范围较大的探测，确定渗流方向，但该方法只能初步定位渗漏通道，难以进一步确定渗漏的具体部位。单孔稀释法由于在试验时会受到多种因素干扰，如孔内垂向流、弥散现象等，对于试验条件具有较多要求，否则检测结果将存在较大误差。因此，本发明针对两种方法存在的不足，提出了联合检测堤坝渗漏的方法，目的在于提高检测精度及效率，同时降低试验成本。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提高堤坝渗透隐患检测信息的准确性，将示踪法与单孔稀释浓度法相结合，通过示踪法初步确定渗漏通道，再通过稀释浓度法进一步确定渗漏部位及高程，两次试验均使用同种示踪剂进行试验，大大减少了钻孔数量及试验成本，同时提高了渗流探测的效率及精度。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术手段：

本发明提出一种示踪法与单孔稀释法检测堤坝渗漏的方法，包括：

步骤（1）、确定钻孔的布设位置并观测孔内水位，判断钻孔与库水之间的连通性；步骤（2）、通过示踪试验方法初步确定钻孔之间的渗漏通道；步骤（3）、通过单孔稀释地下水流速法测定各钻孔不同深度地下水流速；步骤（4）、通过对比不同钻孔测得的流速-高程曲线，进一步确定坝体渗漏部位及渗透强度。

进一步的，本发明所提出的检测堤坝渗漏的方法，所述步骤（1）的具体步骤如下：

101）根据钻孔周围地层岩性确定钻孔内部是否需要设置花管；

102）观测各孔内水位变化情况，同对应时刻库水位变化情况绘制过程线图，通过水位差及水位变化相关性评判各钻孔与库水之间连通性强弱情况。

进一步的，本发明所提出的检测堤坝渗漏的方法，所述步骤（2）的具体步骤如下：

201）确定投源孔与检测孔并选择示踪剂，采取适当投源方式；

202）采用定深度取样器采取检测孔水样，并根据检测孔与投源孔之间的距离确定取样时间及间隔；

203）对应取样时间将示踪剂的检测结果绘制在电导率-时间关系曲线上；

204）对检测孔水样示踪剂变化曲线进行分析，判断投源孔与检测孔之间的连通性强弱，初步确定渗流通道。

进一步的，本发明所提出的检测堤坝渗漏的方法，在步骤101）中，为同时满足示踪试验及单孔稀释地下水流速法的试验需要，且考虑到经济环保等方面，选择NaCl作为两次试验的示踪剂，并以钻孔内水体电导率作为反映NaCl浓度的物理量进行测定。

进一步的，本发明所提出的检测堤坝渗漏的方法，所述步骤（3）的具体步骤如下：

301）向钻孔内投入所选示踪剂并混合均匀；

302）对所投放示踪剂的钻孔内不同高程溶液浓度变化情况进行量测；

303）利用测得的浓度变化率计算对应高程流速，并绘制钻孔流速-高程曲线。

进一步的，本发明所提出的检测堤坝渗漏的方法，在步骤303）中由测得的浓度变化率计算流速的基本原理为：

假设试验期间钻孔内示踪剂与水体均匀混合，钻孔轴线与孔内水流正交，水流流线均匀稳定，且无垂直水流的干扰，则示踪剂浓度的递减可用下述基本方程式表示：

C _t = C ₀ e ^-Bt

B=2αV _f /πr ₁

式中，C ₀ ——时间t=0时示踪剂浓度，此处为电导率；

C _t ——时间t时示踪剂浓度，此处为电导率；

V _f ——渗透速度，即含水层中达西渗透速度;

r ₁ ——钻孔半径，若有花管，则为花管内半径；

α——因滤水管在含水层中的存在引起的流场畸变的校正系数；

因此，由测得示踪剂浓度计算对应点水流速度的基本公式为V _f =πr ₁ /2αt(ln C ₀ / C _t )。

进一步的，本发明所提出的检测堤坝渗漏的方法，在步骤（4）中主要通过两孔间对应高程流速变化的一致性及流速大小判定渗漏严重程度。具体步骤如下：

401）由于不同土石坝上游作用水头不同，对于坝体内部渗流速度快慢的界定需要根据实际情况而定，假设对所测工程来说，当流速达到x ₁ 时，可认为孔内流速较大，应当引起注意；

402）确定流速达到x ₁ 的钻孔及对应高程后，在示踪法初步确定的渗漏通道基础上，需要进一步精准定位渗漏部位，具体判定条件包括：

①当钻孔内部超过90%以上的部位流速超过x ₁ 时，应当首先排除地质水文条件的影响，例如是否存在潜在含水层的影响；

②当排除地质水文条件影响后，应根据初步确定的渗漏通道选取两个钻孔曲线进行比对：

当同一高程范围内，两个钻孔曲线变化趋势一致，且流速大于x ₁ 时，说明该高程范围内两钻孔之间连通性好，径流量大，存在渗漏问题；

当同一高程范围内，两个钻孔曲线变化趋势一致，但流速不大于x ₁ 时，说明该高程范围内两钻孔之间连通性好，径流量较小，可能存在渗漏隐患；

当同一高程范围内，两个钻孔曲线变化趋势不一致，但存在流速大于x ₁ 的情况，说明该高程范围内两钻孔之间连通性一般，两孔之间不存在渗漏通道，渗漏水源来自别处。

附图说明

图1是本发明方法的操作步骤流程框图。

图2是本申请检测方法的一个实施例的钻孔布设示意图。

图3是本申请检测方法的一个实施例的各钻孔水位与库水位变化关系过程线。

图4是本申请检测方法的一个实施例的典型检测孔K2孔第1、2次试验的电导率-时间关系曲线。

图5是本申请检测方法的一个实施例的典型检测孔K4孔第1、2次试验的电导率-时间关系曲线。

图6是本申请检测方法的一个实施例的K3、K4孔的流速-高程曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例作进一步详细说明：

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明的一个实施例是对某水库沥青混凝土心墙堆石坝进行渗漏检测，坝体顶宽8.00m，坝顶长614.40m，坝顶高程为730.80m，最大坝高52.40m，上下游坝坡坡比均为1:1.5。当水库蓄水至692.00m高程时，水库管理人员在上游巡查时发现主坝左坝端与岸坡连接处692.00m高程有一明显渗漏通道，在库区对应位置形成漩涡，水流直接流向山体内部，同时伴有小型漂浮物被漩涡吸入。为获取左坝肩岩体内真实的渗漏情况，采用本发明所述的方法进行原位试验，其步骤是：首先根据现场情况确定钻孔位置，通过水位变化相关性分析确定各钻孔与库水位之间的连通性，再通过示踪试验初步确定钻孔间的渗透通道，进一步采用单孔稀释地下水流速法测定各钻孔内不同高程点对应流速，并绘制流速-高程曲线，最后选取由示踪试验确定的存在渗透通道的两钻孔，对比其流速-高程曲线，最终得出大坝具体渗漏部位及其渗漏强度。包括步骤：

步骤1、确定钻孔的布设位置并观测孔内水位，判断钻孔与库水之间的连通性，其具体操作步骤如下：

（101）根据现场渗漏情况初步确定待检测部位位于左岸坝肩心墙上下游附近，图2示出了本申请的检测方法中钻孔布设示意图，如表1所示，是本申请的探测方法中各钻孔位置、尺寸及地下水类型的详细信息，根据钻孔外围地层岩性确定钻孔周围是否需要设置花管。

表1

（102）对2014年11月~2016年5月内库水位及各钻孔水位进行观测，根据钻孔位置将其分为上游钻孔（K1、K3、K5）、下游钻孔（K2、K4、K6、K7、K8），图3示出了本申请的检测方法中各钻孔水位与库水位变化关系过程线。根据水位观测成果，上游钻孔水位与库水位相关性较强且不存在滞后，即表明上游钻孔水与库水之间连通性较好。下游钻孔水位变化趋势与库水位一致且呈正相关，滞后现象不明显，说明下游钻孔所在位置地下水补给来源为水库水且径流较强。

步骤2、通过示踪试验方法初步确定上下游钻孔之间的渗漏通道。其具体操作步骤如下：

（201）根据水位观测结果，确定上游K1、K3、K5作为投源孔，K2、K4、K6、K7、K8作为检测孔。以NaCl作为示踪剂，本实施例中主要说明以K3作为投源孔进行5次试验的检测结果。

（202）采用定深度取样器采取检测孔水样，并根据检测孔与投源孔之间的距离确定取样时间及间隔。本实施例采用的是使用上海仪电科学仪器有限公司生产的雷磁DDSJ-308F型电层率仪进行电导率测定，电极选取DJS-1T型电导电极（铂黑），测量范围2~20000us/cm，测量精度11us/cm。如表2所示，是本申请的检测方法中K3投源孔的试验参数。

表2

（203）对应取样时间将电导率检测结果绘制在电导率-时间关系曲线上。

（204）分析检测孔示踪剂含量变化曲线，判断投源孔与检测孔之间的连通性强弱，初步确定渗流通道。从K3孔各试验段不同检测孔电导率变化、达到峰值时间及钻孔相对位置分析，在下游5个检测孔中，K2、K4孔与K3孔的连通性较好，可能存在渗透通道。图4、图5分别示出了典型检测孔K2、K4孔的电导率-时间关系曲线。

步骤3、通过单孔稀释地下水流速法测定各钻孔不同深度地下水流速，其具体操作步骤如下：

301）向上游钻孔K3及下游钻孔K2、K4内投入NaCl并混合均匀；

302）对各钻孔内不同高程溶液浓度变化情况进行量测；

303）利用测得的NaCl浓度变化率计算对应高程流速，并绘制钻孔流速-高程曲线。流速计算过程如下：

假设试验期间钻孔内示踪剂与水体均匀混合，钻孔轴线与孔内水流正交，水流流线均匀稳定，且无垂直水流的干扰，则示踪剂浓度的递减可用下述基本方程式表示：

C _t = C ₀ e ^-Bt

B=2αV _f /πr ₁

式中，C ₀ ——时间t=0时示踪剂浓度，此处为电导率；

C _t ——时间t时示踪剂浓度，此处为电导率；

V _f ——渗透速度，即含水层中达西渗透速度;

r ₁ ——钻孔半径，若有花管，则为花管内半径；

α——因滤水管在含水层中的存在引起的流场畸变的校正系数；

因此，由测得示踪剂浓度计算对应点水流速度的基本公式为V _f =πr ₁ /2αt(ln C ₀ / C _t )。

步骤4、通过对比不同钻孔测得的流速-高程曲线，进一步确定坝体渗漏部位及渗透强度。

401）对各钻孔内流介于0.05~0.1cm/s之间、大于等于0.1cm/s的部位进行统计，如表3所示，是本申请的探测方法中各钻孔的具体流速统计情况。

表3

402）在示踪法初步确定的K3-K2、K3-K4的渗漏通道基础上，进一步精准定位渗漏部位，具体判定条件包括：

①K2全孔流速均大于0.05cm/s，但K2孔受深部承压水影响，流速结果不能反映浅部基岩裂隙水的实际情况，只能确定玄武岩深部及第三系承压含水层流速较大;

②当排除地质水文条件影响后，重点比对K3孔、K4孔的流速变化情况，如图6所示，是本申请的探测方法中K3、K4孔的流速-高程曲线。经对比，K3与K4孔在高程670~680m段和651.5~662m段曲线变化趋势一致，流速值介于0.05~0.07cm/s，说明上下游连通性较好，透水性基本相同，推测该部位存在渗漏。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种示踪法与稀释浓度法联合检测堤坝渗漏的方法，其特征在于，包括：

步骤（1）、确定钻孔的布设位置并观测孔内水位，判断钻孔与库水之间的连通性；

步骤（2）、通过示踪试验方法初步确定钻孔之间的渗漏通道；

步骤（3）、通过单孔稀释地下水流速法测定各钻孔不同深度地下水流速；

步骤（4）、通过对比不同钻孔测得的流速-高程曲线，进一步确定坝体渗漏部位及渗透强度。

2.根据权利要求1所述的检测堤坝渗漏的方法，其特征在于，所述步骤（1）的具体步骤如下：

101）根据钻孔周围地层岩性确定钻孔内部是否需要设置花管；

102）观测各孔内水位变化情况，同对应时刻库水位变化情况绘制过程线图，通过水位差及水位变化相关性评判各钻孔与库水之间连通性强弱情况。

3.根据权利要求1所述的检测堤坝渗漏的方法，其特征在于，所述步骤（2）的具体步骤如下：

201）确定投源孔与检测孔并选择示踪剂，采取适当投源方式；

202）采用定深度取样器采取检测孔水样，并根据检测孔与投源孔之间的距离确定取样时间及间隔；

203）对应取样时间将示踪剂的检测结果绘制在电导率-时间关系曲线上；

204）对检测孔水样示踪剂变化曲线进行分析，判断投源孔与检测孔之间的连通性强弱，初步确定渗流通道。

4.根据权利要求3所述的检测堤坝渗漏的方法，其特征在于，在步骤203）中，为同时满足示踪试验及单孔稀释地下水流速法的试验需要，且考虑到经济环保等方面，选择NaCl作为两次试验的示踪剂，并以钻孔内水体电导率作为反映NaCl浓度的物理量进行测定。

5.根据权利要求1所述的检测堤坝渗漏的方法，其特征在于，所述步骤（3）的具体步骤为：

301）向钻孔内投入所选示踪剂并混合均匀；

302）对所投放示踪剂的钻孔内不同高程溶液浓度变化情况进行量测；

303）利用测得的浓度变化率计算对应高程流速，并绘制钻孔流速-高程曲线。

6.根据权利要求5所述的检测堤坝渗漏的方法，其特征在于，所述步骤303）中由测得的浓度变化率计算流速的基本原理为：

假设试验期间钻孔内示踪剂与水体均匀混合，钻孔轴线与孔内水流正交，水流流线均匀稳定，且无垂直水流的干扰，则示踪剂浓度的递减可用下述基本方程式表示：

C _t = C ₀ e ^-Bt

B=2αV _f /πr ₁

式中，C ₀ ——时间t=0时示踪剂浓度，此处为电导率；

C _t ——时间t时示踪剂浓度，此处为电导率；

V _f ——渗透速度，即含水层中达西渗透速度;

r ₁ ——钻孔半径，若有花管，则为花管内半径；

α——因滤水管在含水层中的存在引起的流场畸变的校正系数；

因此，由测得示踪剂浓度计算对应点水流速度的基本公式为V _f =πr ₁ /2αt(ln C ₀ / C _t )。

7.根据权利要求1所述的检测堤坝渗漏的方法，其特征在于，在步骤（4）中主要通过两孔间对应高程流速变化的一致性及流速大小判定渗漏严重程度，具体步骤为：

401）由于不同土石坝上游作用水头不同，对于坝体内部渗流速度快慢的界定需要根据实际情况而定，假设对所测工程来说，当流速达到x ₁ 时，可认为孔内流速较大，应当引起注意；

402）确定流速达到x ₁ 的钻孔及对应高程后，在示踪法初步确定的渗漏通道基础上，需要进一步精准定位渗漏部位，具体判定条件包括：

①当钻孔内部超过90%以上的部位流速超过x ₁ 时，应当首先排除地质水文条件的影响，例如是否存在潜在含水层的影响；

②当排除地质水文条件影响后，应根据初步确定的渗漏通道选取两个钻孔曲线进行比对：

当同一高程范围内，两个钻孔曲线变化趋势一致，且流速大于x ₁ 时，说明该高程范围内两钻孔之间连通性好，径流量大，存在渗漏问题；

当同一高程范围内，两个钻孔曲线变化趋势一致，但流速不大于x ₁ 时，说明该高程范围内两钻孔之间连通性好，径流量较小，可能存在渗漏隐患；

当同一高程范围内，两个钻孔曲线变化趋势不一致，但存在流速大于x ₁ 的情况，说明该高程范围内两钻孔之间连通性一般，两孔之间不存在渗漏通道，渗漏水源来自别处。

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