示踪试验测定大坝集中渗漏通道渗漏量的研究

第３２卷第１２期　２　０　０　６年６月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣ兀ＩＩ　Ｅ　Ｖｏ１．３２　Ｎｏ．１２　Ｊｕｎ　２００６　・１－　・专家专稿・　文章编号：１００９．６８２５（２００６）１２．０００１．０２　示踪试验测定大坝集中渗漏通道渗漏量的研究＊　车友明　陈建生　唐泉涌　摘要：介绍了一种通过示踪试验测定集中渗漏量的流量计算模型，推导了瞬时示踪剂投放下的流量计算公式。结合小　浪底大坝３０号排水洞中的渗漏来源及渗漏量测试的现场试验，对模型与公式进行了验证。　关键词：集中渗漏，人工示踪，流量计算，渗流模型　中图分类号：ＴＶ６９８．２３　文献标识码：Ａ　在纯天然流场的条件下，没有特殊情况时，一般可认为流量　全世界所修建的水库资料都表明：如何避免水量的损失是极　可以人为进行控制，以　其重要的，尽管在建坝前和修建时都对渗漏进行了深入的研究，　值基本恒定；而对于存在人工流场的情况，但由于往往不可能精确地预测坝体或者邻近坝体的地质岩层在　保证流量基本不变；由于集中渗漏通道条件下，流速很快，示踪剂　蓄水后的水压力情况，因此修建大坝前所作的渗漏和渗流的可能　在较短距离内基本可以达到均匀混合。故以上两个假定认为都　　性都是假设。同时水库蓄水运行以后，由于库区本身地质条件的　可以满足。复杂性、多变性，以及蓄水后水压力的变化，要进行地下水运动的　２．２流量计算公式推导　详细调查是一个极其困难的任务，当然地下水渗漏强度和渗漏路　示踪剂在沿着集中渗漏通道运动过程这一问题，可以视为一　径将很难判断，渗漏量的求解也就十分困难。然而对于大坝渗流　维流动情况下的地下水溶质运移问题。对于示踪剂在集中渗漏　问题，特另０是在堤坝渗漏问题研究方面，流量值却是直观而重要　通道中运动规律，满足一维流动一维对流弥散模型。瞬时投源条　的参数。现有的各种大坝渗漏测试技术中，示踪方法占有特殊的　件下其解析解ｌ２　Ｊ为：　地位，因为这种方法能够直接了解地下水运动的过程和分布。下　面提出一种基于示踪试验的渗流分析计算模型。并在此模型的基　础上推导出流量计算的公式。　其中，Ｃ（ｚ，ｔ）为示踪剂的浓度随时间空间的变化函数；Ｍ为　瞬时投入的示踪剂的质量；Ｓ表示通道的横截面面积；　为距离投　ｃ（　）　Ｍ／ｓ　ｅｘｐ［一　］（１）　１　人工示踪试验原理　在调查水库与湖泊渗漏的状况时采用人工示踪方法在孔中　源点的纵向坐标；ｔ为示踪剂运移历时；ＤＬ为纵向弥散系数；Ｕ为　　为有效孔隙率，　的取值范围为０～１，根　测定流场是一种基本方法。为了进行成功并有实际效果的修补工　地下水流的实际流速；　程，有必要先测定存在于水库和下游出水点之间相连通的地下水　据具体的工程地质条件和现场资料确定。对于方程（１），在已知Ｍ，Ｓ，ｚ，ｎ可以利用直线图解法ｌ２　求　渗漏通道或渗漏地层。最直接的探测方法是进行人工示踪试验。　得到Ｃ（ｚ，ｔ）表达式，然后代入方程（２）中。可以得到　人工示踪进行投源时，主要有瞬时投源法和连续注入法…，　出ＤＬ，“，　对于范围比较大的流场，一般选用瞬时投源法进行。常用示踪剂　Ｑｖ的表达式：有饱和食盐溶液、碘．１３１、苯胺黑的染料、荧光剂等。　Ｍ：ＶＣ。：Ｑｙ　ｃ（　）ｄ￡：Ｑｙ　Ｐ一　ｄｆ　（２）　２渗流模型的建立和流量计算公式推导　２．１　建立有集中渗漏通道的渗漏概念模型　当地下水渗流中存在集中渗漏通道时，由于通道内的渗流速　度比较大，水流相对比较稳定，故可以将渗流模型简化为如图１　所示。　Ｑｖ　Ｍ葡　ｆ０　２ｎ√　‘　（３）　但是，在现场试验的条件下，将不可避免地遇到地质资料不　全或是某些参数难以确定（例如ｓ值的确定），往往会限制上述方　程的求解。　Ｑ　为集中渗漏通道中的流量值；Ｑ　Ｉ．Ｑ　２，…，Ｑ　；Ｑｌ，Ｑ２，…．０．为各支流中的流量值　图１　一维简化模型　该一维简化模型的实现，要求满足以下两点基本假定：　１）假定在测流时间内，渗流通道内的流量是基本恒定的；　２）到达取样点处时，示踪剂已经充分均匀混合。　如果在存在现场资料不足或者难以确定某些参数的情况下，　收稿日期：２００５　１２　２１　＊：国家自然科学基金重点项目（项目编号：５０１３９０３０）；国家自然科学基金（项目编号：５０５７９０１７）　２１００９８　２１００９８　４５００００　作者简介：车友明（１９８０．），男，河海大学岩土工程专业硕士研究生，江苏南京陈建生（１９５５．），男，博导，教授，河海大学岩土工程研究所，江苏南京唐泉涌（１９７３），男．工程师，小浪底水利枢纽工程管理局，河南郑州维普资讯 http://www.cqvip.com

－　－２　　．　．　２ｇ　　０３　２，０　￣６　６鳘　曹　年　月　　山　西　建　筑根据本次试验的实际情况，由于通道内流速很快，故将该问　为了通过简单有效的计算得到流量值，并且能够充分利用现场数　据，还可以利用下面介绍的简单的方法得到流量值。该原理基于　题考虑为一维流动一维弥散，根据公式（３）和（４）可以分别计算出　公式（３）中分母项的物理含义为求解ｔ０～ｆ。时段内所求得的浓度　主通道中的流量值Ｑｖ。由于本次试验中已知工程资料有限，故　曲线Ｃ（ｘ，ｔ）的面积，那么可以直接利用现有的实测浓度曲线进　仅用公式（４）进行了流量值计算。流量值计算统计表见表１。　行流量值的求解。如图２中所示，阴影部分为实测浓度曲线的面　表中计算流量时，假定列出的所有孔都位于主渗漏通道上，　积，显然　实测＜ｔ　，由于拖尾部分比较长，可以通过最小二乘法拟　并已经充分混合均匀；该次试验虽然在投源点处投放了１　０００　ｇ　合曲线，即得到实测曲线的完整的拟合曲线，然后通过对拟合曲　的示踪剂，但是通过其他取样点处的取样浓度分析，从投源点处　线进行积分，得到拟合浓度曲线的面积，则Ｑ、，的解为：　ｎ一——————————　的示踪剂进入该集中渗漏通道的量为１００　ｇ；表中判断是否在主　　，　、　通道上的依据是根据流量值对比作出的。由于计算时并没有考虑示踪剂在运移过程中的分解、吸附作　用或者有示踪剂在通道中运移时被非主通道中的水流所稀释造　＿一一一　一拟合曲线的积分面积值　３现场试验　所以理论上，通过试验计算出来的流量值应该　小浪底水电站左岸坝基的防渗帷幕经补强加固后效果仍不　成的浓度值降低，明显，渗流十分复杂。当水位上升到２６５　ｍ以上时在左坝库区出　大于３０号排水洞出现示踪剂段孔的实测流量值。　以上计算结果表明，３０号排水洞的Ｄ１３９号、Ｄ１６９号计算流　现了集中漏水点，经过观察确认库水流人该集中漏水点，初步判　断的渗漏量达到２０　Ｌ／ｓ。通过应用示踪试验结合流量计算理论，　量值和实测值比较相近，证实从３０号排水洞Ｄ１３０号～Ｄ１６９号　分析小浪底左坝肩渗漏的情况。　等排水孔排出的水大部分来自于左坝库区集中漏水点渗漏的水，　该结论和陈建生等人在《示踪法对小浪底坝区绕坝渗漏通道的研　３．１　小浪底大坝水文地质概况　中的研究结果基本一致。　小浪底水库坝址区分布的地下水主要为第四系松散覆盖层　究》　Ｊ孑Ｌ隙潜水、基岩裂隙潜水及承压水、上层滞水等。总体而言，两岸　４结语　地下水均向黄河排泄。由于区内近东西向断裂带的阻隔作用，潜　通过流量分析得出的结果和陈建生等人在《示踪法对小浪底　水位呈阶梯状向岸边递减，且右岸地下水平均比降大于左岸。小　坝区绕坝渗漏通道的研究》　５］中的研究结果基本一致，可以认为　浪底枢纽区域的基岩地层主要由二迭系（Ｐ）和三迭系（Ｔ）组成，基　在小浪底渗漏研究过程中，利用示踪试验结合流量计算进行地下　岩地层可分为５个岩组：Ｐ２　岩组、Ｐ２　岩组、Ｐ２　岩组、Ｐ２　岩组及　水渗流分析取得了比较满意的结果。　Ｔ岩组。左坝肩的Ｔ１　，Ｔ１　为渗透层，Ｔ】　０为弱渗透层。　根据本次试验中的浓度曲线走势，发现由于集中渗漏通道中　研究的重点区域是Ｆ－船以东及Ｆ４６】以南至黄河岸边这一水文　的断裂带顶部、底岩块中微裂隙的存在对于示踪剂运移产生的明　地质区。本区分布的基岩地层主要为Ｔ　～Ｔ１　岩组表面大部分　显的降低峰值和拉长了示踪剂峰和尾的长度（即浓度曲线的拖尾　被黄土覆盖，加上大小冲沟的切割，地表径流通畅，降水补给地下　现象）。可见，弥散试验中断裂带顶、底部岩块的近乎不流动的水　水的条件较差。左岸坝肩自上而下开挖揭露Ｔ１　１～Ｔ１　岩组　对于地下水中的溶质运移作用的不可忽视的。　地层。左坝肩存在３条较大的顺河断层，Ｆ２３６，Ｆ２３８和Ｆ２４０，断层带　从小浪底工程的实践中可以得出只要在渗漏点投源，通过分　物质为泥夹角砾。左坝肩还存在１条与坝轴相交的Ｆ２８断层，该　析比较计算出的流量值，可以很好地判断出渗漏的强弱，进而判　断层为阻水构造，但试验发现断层带中存在较强的渗漏＿５］。　３．２投源以及数据的观测　断出各出水点和渗漏通道的关系。但是由于地下水渗漏和稳定　流的差异以及地下水运移通道的复杂性，流量计算法应用于地下　　为了调查清楚渗漏水的去向，采用荧光素Ｎａ示踪剂进行示　水渗漏问题还有待于进一步改进和完善。陈亮，董海洲，李军华，董德中，屈章彬也参与了本文的写作。　踪试验，同时查清渗漏通道以及渗漏的影响范围。　　示踪试验的投源点位于副坝前集中漏水点处，瞬时投入荧光　参考文献：素Ｎａ　１　０００　ｇ。同时在试验进行时，不断用水泵向集中漏水点内　［Ｉ］水文测验国际标准译文集第三册仪器设备、泥沙测验示踪剂　注水，以保持流量基本稳定。　裹１各孔流量值计算统计裹　孔号　Ｄ１０６号　稀释法和地下水［Ｍ］．北京：水利部水文局，２００５．２９１—３３０．　［２］陈崇希，李国敏．地下水溶质运移理论及模型［Ｍ］．北京：中国　地质大学出版社，１９９６．８—７３．　示踪剂质量　曲线积分面积　计算流量值　计算值实测值差值（实　ｇ　ｇ・ｄ／ｍ３×１０—３　ｍ３／ｄ　测流量值：４　９５７　Ｔｒ　／ｄ　１００　１０．４５　９　５６９　４　６１２　［３］周志芳，王锦国．裂隙介质水动力学［Ｍ］．北京：中国水利水电　出版社．２００４．２８０—２８４．　Ｄ１３９号　Ｄ１６９号　Ｄ１９３号　１００　１０ｏ　１ｏ０　１６．５　１７．６　１１．２　６　０６０　５　６８２　８　９２６　１　１０３　７２５　４　０６１　［４］刘光尧，陈建生．同位素示踪测井［Ｍ］．南京：江苏科学技术出　版社，１９９９．　［５］陈建生，董海洲，凡哲超，等．示踪法对小浪底坝区绕坝渗漏通　３．３流量计算　道的研究［Ｊ］．长江科学院报，２００４，２１（２）：５６—５７，　Ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｅｅｐａｇｅ　ｖａｌｕｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｖｅ　ｌｅａｋａｇｅ　ｐａｓｓａｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄａｍ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｔｒａｃｉｎｇ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ＣＩ－ＩＥ　Ｙｏｕ－ｍｉｎｇ・ＣＨＥＮ　Ｊｉａｎ－ｓｈｅｎｇ　ＴＡＮＧ　Ｑｕａｎ－ｙｏｎｇ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ　ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｑｕａｎｔｉｔｙ　ｖａｌｕｅ　ａｎｄ　ｄｅｒｉｖｅ　ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｇ　ｆｎｏｒｍｕｌａｓ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｔｒａｃｉｎｇ　ｅｘｐｅｒ　ｉｍｅｎｔ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｔｒａｃｅｒｓ　ｉｆｒｅ　ｉｎｊｅｃｔｅｄ　ｉｎｓｔａｎｔｌｙ．Ｔｈｅｎ，ｗｅ　ｖｅｒｉｆｙ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｏｆｍｕｌｒａｓ　ｂｙ　ｏｍｂｉｃｎｉｇ　ｎｔｈｅ　ｆｉｅｌｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｏｆ　ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｕｐｐｌｙ　ｓｏｕｒｃｅｓ　ｏｆ　ｌｅａｋａｇｅ　ｗａｔｅｒ　ａｎｄ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｓｅｅｐａｇｅ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｉｎ　Ｎｏ．３０　ｇａｌｌｅｒ　ａｔ　Ｘｉａｏｌａｎｇｄｉ　ｄａｍ　ａｒｅａ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｖｅ　ｓｅｅｐａｇｅ，ｔｒａｃｅ，ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｅｅｐａｇｅ　ｄｉ￣ｈｆｒｇｅ，ｓｅｅｐａｇｅ　ｍｏｕｌｄ　ｉ