CN114659734A - 一种高密度电法与综合示踪法联合探测堤坝渗漏的方法 - Google Patents

一种高密度电法与综合示踪法联合探测堤坝渗漏的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高密度电法与综合示踪法联合探测堤坝渗漏的方法，包括以下步骤：S1.施工准备：通过资料查阅、现场勘察了解坝区的水文地质条件；S2.高密度电法探测：对坝区进行高密度电法探测，确定可能存在渗漏通道的位置；S3.钻孔：在步骤S2中高密度电法探测得到的可能存在渗漏通道的位置进行钻孔；S4.综合示踪法探测：在步骤S3得到的孔内通过示踪法研究孔、库水、渗漏水之间的水力联系，同时定量计算出地下水的水平流速、垂向流速以及渗流量；S5.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。本发明具有操作简单，探测结果准确等优点，提高了施工效率，减少了施工盲目性。

Description

一种高密度电法与综合示踪法联合探测堤坝渗漏的方法
技术领域
本发明属于大坝渗漏的探测技术领域，具体涉及一种高密度电法与综合示踪法联合探测堤坝渗漏的方法。
背景技术
一部分大坝后期出现溃坝的现象，渗透破坏是溃坝的重要原因之一。渗透破坏会侵蚀坝体，造成堤坝内部细颗粒流失，在堤坝内部产生空洞，进而演变为集中渗漏通道。如果未能及时发现并采取有效措施对渗透破坏进行处理，就会对堤坝的使用寿命和安全性造成一定的威胁。因此，准确查明堤坝内部的渗漏通道，为堤坝防渗处理提供指导尤为重要，有利于提高经济效益和社会效益。
目前的堤坝渗漏探测方法一般分为地质钻探、地球物理勘探技术以及综合示踪技术。地质钻探只能探测出钻点以下的地质条件，对堤坝整体的探测需要的钻孔数量多，对堤坝破坏性较大，成本高，不具备经济效益，因此现在一般不采用。地球物理勘探中全部可用于堤坝渗漏探测的物理参数中，土体的电阻率最为敏感，因此多采用电法进行堤坝渗漏探测。而电法中数高密度电法应用最为广泛，且准确性较高。高密度电法具有抗干扰能力强、采集速度快、反演自动化等优点，能探测堤坝内部可能存在的导水通道，但是不能确定两点间的水力联系，因此难以准确判定渗漏通道位置。综合示踪技术能确定两点及多点间的水力联系，单孔示踪技术能在一个钻孔中测定地下水水平流速、垂直流速、流向等参数，据此推断地层中的渗漏情况，但得到的渗漏通道位置只是一种推断。
发明内容
为解决上述单一使用高密度电法探测堤坝渗漏难以准确判定渗漏通道位置，而单一使用综合示踪技术准确性不高的技术问题，本发明提供了一种高密度电法与综合示踪法联合探测堤坝渗漏的方法。
本发明通过以下技术方案得以实现：
一种高密度电法与综合示踪法联合探测堤坝渗漏的方法，包括以下步骤：
S1.施工准备：通过资料查阅、现场勘察了解坝区的水文地质条件；
S2.高密度电法探测：对坝区进行高密度电法探测，确定可能存在渗漏通道的位置；
S3.钻孔：在步骤S2中高密度电法探测得到的可能存在渗漏通道的位置进行钻孔；
S4.综合示踪法探测：在步骤S3得到的孔内通过示踪法研究孔、库水、渗漏水之间的水力联系，同时定量计算出地下水的水平流速、垂向流速以及渗流量；
S5.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S2中高密度电法探测的具体步骤如下：
S21.探测参数选择，电极布设安排：包括电极间距、电极个数、排列方式，根据堤坝长度选择合适的电极间距以及电极个数，以保证对堤坝内部电阻率的整体探测，根据多种排列方式对坝区的初步探测结果，对比坝区实际地质条件，选择合适的排列方式并确定电极布设安排；
S22.测线布置：根据步骤S21的电极布设安排布置电极，保证电极与土体接触良好，并通过电缆连接电极；
S23.资料分析与解释：根据测试要求采集数据，并将数据导入计算机，进行数据预处理，最终通过正反演软件反演成像，根据成像结果，分析电阻率异常区域，初步确定可能存在的导水通道。
进一步地，步骤S21所述排列方式为温纳排列或施伦贝谢尔排列，具体排列方式根据对地形的初步探测与坝区的实际地质条件的对比验证选择，根据坝区岩层的实际电阻率差异，对比探测结果的电阻率差异，选择一致性好、分辨率高、同时满足探测深度要求、能够准确反映坝区岩层电阻率分布情况的排列方式。
进一步地，步骤S22中根据电极布设安排布置电极时，电极布设位置如无土体，可用布袋装土放置于测点，将电极插在布袋的土体中，并用盐水浇灌，以保证电极接地。
进一步地，步骤S23所述数据预处理包括坏点剔除、地形修正、数据拼接和数据转换。
进一步地，所述步骤S4中综合示踪法探测包括天然示踪和人工示踪。
进一步地，所述天然示踪包括温度示踪、电导示踪、环境同位素示踪和水化学示踪；
其中，温度示踪：在钻孔内探测水的温度随深度的变化，探测库水、边坡水水的温度，初步判断钻孔内水的来源；
电导示踪：在钻孔内探测水的电导率随深度的变化，探测库水、边坡水水的电导值，初步判断钻孔内水的来源；
环境同位素示踪：对采集的水样进行氢氧同位素含量测试，判断水的来源；
水化学示踪：对采集的水样进行Cl-、NO3 -或SO4 2-离子浓度测试，调查地下水渗流场分布。
进一步地，所述人工示踪包括：钻孔流速测试和连通试验；
其中，钻孔流速测试：采用单孔稀释法，通过在孔内点投示踪剂，在孔内对地下水的水平流速和垂直流速进行定量测量；
连通试验：在库水、边坡水或钻孔内投入示踪剂，在另一点进行示踪剂探测，确定两点或多点之间的连通性。
进一步地，所述钻孔流速测试示踪剂采用饱和食盐溶液，采用的仪器为电导仪。
进一步地，所述连通试验采用荧光素钠或罗丹明荧光剂，采用的仪器为地下水荧光示踪仪。
本发明提出的探测水库大坝集中渗漏通道的方法，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、在高密度电法对可能的堤坝隐患进行探测的基础上进一步采用综合示踪法，对高密度电法探测信息进行验证，显著提高了探测信息的准确性；
2、本发明在保证探测准确性的基础上，仅需少量钻孔，成本低，对堤坝破坏性可忽略不计；
3、本发明在保证探测准确性的同时，定量计算出了地下水的流速等参量得到更为全面的渗漏数据。
附图说明
图1是本发明探测方法的操作步骤流程图。
图2是本发明探测方法的一个实施例采用的高密度电法（a）温纳排列和（b）施伦贝谢尔排列图。
图3是本发明探测方法的一个实施例的高密度电法探测剖面图，图中三个电阻率分布图分别是（a）测量数据、（b）正演数据和（c）反演数据。
图4是本发明探测方法的一个实施例的综合示踪法温度电导图，（a）温度-深度图（b）电导-深度图。
图5是本发明探测方法的一个实施例的综合示踪法环境同位素图。
图6是本发明探测方法的一个实施例的综合示踪法水化学Piper三线图。
图7是本发明探测方法的一个实施例的综合示踪法流速图。
图8是本发明探测方法的一个实施例的渗漏通道位置图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例作进一步详细说明：
本发明的一个实施例是对某抽水蓄能电站上水库右岸进行高密度电法和综合示踪法联合探测原位试验，右岸横岭山体布置有排水观测洞和上水库进/出水口。
本探测堤坝渗漏的方法，将高密度电法和综合示踪法结合，其步骤是：首先通过高密度电法分析电阻率异常区域，再通过综合示踪法对电阻率异常区域进行示踪试验，对这些区域进行识别。其操作流程如图1，包括步骤：
步骤S1、施工准备：通过资料查阅、现场勘察了解坝区的水文地质条件。
步骤S2、通过高密度电法探测坝区电阻率分布，查找电阻率异常区域，确定可能存在渗漏通道的位置，本实施例采用的仪器为重庆地质仪器有限公司生产的DZD-8多功能全波形直流电法仪，其具体操作步骤如下：
S21、探测参数选择：为研究右岸的电阻率分布情况，以找出右岸渗漏通道的位置，沿右岸根据合理的电极间距布置电极，共布置三条测线,分别为测线I、II、III。每条测线布置110个电极，电极间距为5米，长度550米。本实施例中电极排列方式拟采用温纳排列或施伦贝谢尔排列，两种排列方式的示意图如图2所示，其中图2（a）为温纳排列方式，图2（b）为施伦贝谢尔排列方式。根据坝区岩层的实际电阻率差异，对比两种排列方式初步探测得到的电阻率差异，综合考虑探测的深度因素，在本实施例中采用温纳排列方式，如图2中（a）所示。
S22、测线布置：在预设位置布置电极，在保证电极与土体接触良好的情况下，将导线与电极连接，并通过电缆连接电极，根据电极布设安排布置电极时，电极布设位置如无土体，可用布袋装土放置于测点，将电极插在布袋的土体中，并用盐水浇灌，以保证电极接地。
S23、资料分析与解释：根据测试要求采集数据，并将数据导入计算机，进行数据预处理，剔除电阻率为0或负数的坏点，最终通过瑞典高密度软件Res2dinv反演成像，得到三条测线的电阻率分布情况如图3（a）、（b）、（c）所示，图中三个电阻率分布图自上而下分别是测量数据、正演数据和反演数据。根据反演成像结果，分析图中电阻率异常区域，初步确定可能存在的导水通道。由图3（a）可知，测线I所示剖面350m处，深度15~45m处有一处低阻区域。由图3（b）可知，测线II所示剖面300m处，深度30m以下低阻区域为进出水口；190m处，深度65m处有一处低阻区域；420m处，深度50m处有一处低阻区域。由图3（c）可知，测线III所示剖面300m和370m处，深度30~50m处有两处低阻区域。
步骤S3、根据高密度电法探测的渗漏区地下电阻率分布情况，初步推断地下水可能的渗漏部位和区域，选定合适位置布设钻孔。其具体操作步骤如下：
布置钻孔：在上述六处低阻区域布置钻孔，分别为ZK1~ZK6，采用工程钻机进行钻孔，钻孔口径及钻具规格保证成孔后钻孔符合规范要求（误差在1%以内），钻孔内下套管来护壁，孔内净尺寸最小不小于60mm，有效深度必须达到设计要求，不能存在塌孔淤堵情况。
布置滤管：各钻孔水位以下所有测试段采用透水滤管，滤管采用φ75的PVC管。滤管均匀呈梅花型开孔，上下两排孔交错布置。滤管外包2层渗透系数大于1×10-1cm/s的滤网防止泥沙进入钻孔。地下水水位以上的套管部分不打眼钻孔，保持原状不透水。套管高出地面20cm左右，防止地面上的杂物掉入钻孔内。
步骤S4、在上述六处钻孔内进行综合示踪试验，包括天然失踪和人工示踪，其具体操作步骤如下：
温度、电导示踪：通过对各个钻孔内温度、电导随深度的变化情况进行分析，得知各孔内水的来源。采用的仪器为温度电导仪以及多参数仪，对各个钻孔内的温度、电导进行探测，得到温度-深度曲线以及电导-深度曲线，如图4（a）和（b）所示。渗漏水一般有两个来源，分别为库水和边坡渗水。钻孔温度探测在冬季进行，当时库水温度低于边坡渗水温度，根据此特点可以对各钻孔地下水来源进行分析判断。经过探测，库水电导率平均值在768μs/cm，边坡渗水电导率为200-300μs/cm，库水电导率高于边坡水电导率。而右岸排水廊道渗漏水电导率为615μs/cm，因此，渗漏水应该为库水与边坡渗水的结合。综合温度电导分析可知，ZK1主要来源于边坡渗水，但周围有低温库水渗流，因此整孔温度较低。ZK2和ZK4在高程370m左右以上受边坡渗水影响，以下受库水影响。ZK3主要受库水影响，但高程380m处电导发生突变，推测为该处面板存在库水渗漏。ZK5和ZK6上部受边坡渗水影响，高程387m以下受库水影响。
环境同位素示踪：对上述六个钻孔以及库水、排水廊道等位置采集水样，进行环境同位素示踪。环境同位素示踪采用同位素质谱仪，最终得到各个钻孔氢氧同位素组成分布特征图，如图5所示。图中直线为全球降水线（GMWL），反映全球大气降水氢-氧稳定同位素之间的线性关系。图中各点为各个位置的氢氧同位素组成，三角形区域为当地降水的氢氧同位素组成分布区。由图可知，库水与右岸排水廊道的渗漏水的氢氧同位素组成即为接近，渗漏水主要是库水。同时，ZK3的氢氧同位素组成分布也在两者附近，说明ZK3处主要受库水影响，渗漏通道经过ZK3处。而其余孔的氢氧同位素分布距离这三点都较远。
水化学示踪：对上述采集的水样进行水化学示踪，水化学示踪采用离子色谱仪，最终得到各个位置水化学离子Piper三线图，如图6所示。图中揭示了各点2009年至2020年的水化学离子浓度变化。其中，廊道水、施工支洞水以及量水堰水这三大类型水体在三线图上所在位置与库水集中分布，水化学类型相似，表明了三种类型水体的水化学形成存在一定的联系。
钻孔流速测试：在ZK1~ZK6中通过示踪剂进行钻孔流速测试，所用示踪剂为饱和食盐溶液，仪器为温度电导仪和多参数仪，通过孔内水的电导率变化，采用公式对孔中地下水水平流速进行计算，得到各孔水平流速如下图7所示。ZK3水位以下至高程380m之间，流速较大且逐渐降低，对应于边坡渗水；而高程376~372m之间存在流速相对较大的区域，最大值接近0.01m/d，对应库水渗漏。
连通实验：通过荧光素钠或罗丹明荧光剂检验地层中不同点的连通性，采用的仪器为地下水荧光示踪仪。
步骤S5、经过高密度电法和综合示踪法联合探测，最终得出结论：
（1）水体天然同位素监测右岸廊道为库水渗漏补给为主，库底廊道排水孔水受区域地下水补给影响较大，受库水影响较小。钻孔水受渗漏库水和地下水双重补给影响。
（2）从ZK3孔冬季天然状态下的高电导率和流速特征反映出目前库水的主要渗流在启闭机房对应高程EL378以下，同时ZK3孔流速相对较大，达到0.01m/d，判断从前池到引水涵洞流道区域存在渗漏通道可能性较大，如图8所示。启闭机房两侧ZK2和ZK4都受到库水渗漏的影响，ZK2流速较大，其对应的渗漏较强。

Claims (10)

1.一种高密度电法与综合示踪法联合探测堤坝渗漏的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.施工准备：通过资料查阅、现场勘察了解坝区的水文地质条件；
S2.高密度电法探测：对坝区进行高密度电法探测，确定可能存在渗漏通道的位置；
S3.钻孔：在步骤S2中高密度电法探测得到的可能存在渗漏通道的位置进行钻孔；
S4.综合示踪法探测：在步骤S3得到的孔内通过示踪法研究孔、库水、渗漏水之间的水力联系，同时定量计算出地下水的水平流速、垂向流速以及渗流量；
S5.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。
2.如权利要求1所述的高密度电法与综合示踪法联合探测堤坝渗漏的方法，其特征在于：所述步骤S2中高密度电法探测的具体步骤如下：
S21.探测参数选择，电极布设安排：包括电极间距、电极个数、排列方式，根据堤坝长度选择合适的电极间距以及电极个数，以保证对堤坝内部电阻率的整体探测，根据多种排列方式对坝区的初步探测结果，对比坝区实际地质条件，选择合适的排列方式并确定电极布设安排；
S22.测线布置：根据步骤S21的电极布设安排布置电极，保证电极与土体接触良好，并通过电缆连接电极；
S23.资料分析与解释：根据测试要求采集数据，并将数据导入计算机，进行数据预处理，最终通过正反演软件反演成像，根据成像结果，分析电阻率异常区域，初步确定可能存在的导水通道。
3.如权利要求2所述的高密度电法与综合示踪法联合探测堤坝渗漏的方法，其特征在于：步骤S21所述排列方式为温纳排列或施伦贝谢尔排列，具体排列方式根据对地形的初步探测与坝区的实际地质条件的对比验证选择，根据坝区岩层的实际电阻率差异，对比探测结果的电阻率差异，选择一致性好、分辨率高、同时满足探测深度要求、能够准确反映坝区岩层电阻率分布情况的排列方式。
4.如权利要求2所述的高密度电法与综合示踪法联合探测堤坝渗漏的方法，其特征在于：步骤S22中根据电极布设安排布置电极时，电极布设位置如无土体，可用布袋装土放置于测点，将电极插在布袋的土体中，并用盐水浇灌，以保证电极接地。
5.如权利要求2所述的高密度电法与综合示踪法联合探测堤坝渗漏的方法，其特征在于：步骤S23所述数据预处理包括坏点剔除、地形修正、数据拼接和数据转换。
6.如权利要求1所述的高密度电法与综合示踪法联合探测堤坝渗漏的方法，其特征在于：所述步骤S4中综合示踪法探测包括天然示踪和人工示踪。
7.如权利要求6所述的高密度电法与综合示踪法联合探测堤坝渗漏的方法，其特征在于：所述天然示踪包括温度示踪、电导示踪、环境同位素示踪和水化学示踪；
其中，温度示踪：在钻孔内探测水的温度随深度的变化，探测库水、边坡水水的温度，初步判断钻孔内水的来源；
电导示踪：在钻孔内探测水的电导率随深度的变化，探测库水、边坡水水的电导值，初步判断钻孔内水的来源；
环境同位素示踪：对采集的水样进行氢氧同位素含量测试，判断水的来源；
水化学示踪：对采集的水样进行Cl-、NO3 -或SO4 2-离子浓度测试，调查地下水渗流场分布。
8.如权利要求6所述的高密度电法与综合示踪法联合探测堤坝渗漏的方法，其特征在于：所述人工示踪包括：钻孔流速测试和连通试验；
其中，钻孔流速测试：采用单孔稀释法，通过在孔内点投示踪剂，在孔内对地下水的水平流速和垂直流速进行定量测量；
连通试验：在库水、边坡水或钻孔内投入示踪剂，在另一点进行示踪剂探测，确定两点或多点之间的连通性。
9.如权利要求8所述的高密度电法与综合示踪法联合探测堤坝渗漏的方法，其特征在于：所述钻孔流速测试示踪剂采用饱和食盐溶液，采用的仪器为电导仪。
10.如权利要求8所述的高密度电法与综合示踪法联合探测堤坝渗漏的方法，其特征在于：所述连通试验采用荧光素钠或罗丹明荧光剂，采用的仪器为地下水荧光示踪仪。
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