小型水庫堤壩防滲漏監測研究

庫爾班·艾克木，阿斯古麗·吐尼亞孜

(塔里木河流域阿克蘇管理局，新疆 阿克蘇843000)

0 引 言

大壩是水庫的重要組成部分，隨著水庫運行時間的增加，受施工因素和地質因素影響，水庫堤壩開始出現安全隱患。堤壩滲漏和管涌是水利工程中破壞強度最大的地質災害，此災害的產生主要受壩體和壩基所處的地質條件和水動力條件影響［1］。目前，我國一般采用鉆孔取樣、人工巡查、地球物理探測的方式來測量滲漏情況，并不能準確測量堤壩滲漏的發展情況。綜合國內研究情況，學者們提出的水庫堤壩滲漏測量方法主要有:滲漏部位電導率法、高密度電阻率法、流場法、瞬變電磁法等。這些方法雖然在一定程度上可以監測壩堤隱患的動態變化，但是探測結果僅能用于堤壩防治。地下磁流體探測法是一種新型監測方法，其場源為天然電磁場，無需人工電源，以天然電磁波為信號載體，穿透力較強。較電阻法相比有很強的抗干擾能力，可以迅速地劃分巖層界面，確定滲漏點位置。本文基于新疆帕滿水庫的運行情況，從堤壩滲漏特征出發，討論了導致小型水庫滲漏的原因，并提出了基于地下磁流體的滲漏監測方法。

1 工程概況

帕滿水庫位于我國新疆塔里木河流域，行政區劃屬于阿克蘇地區沙雅縣，西側為牧場，南側為塔里木河，供給沙雅縣和庫車縣的7個農牧場灌溉用水，總灌溉面積為5 700 hm2。帕滿水庫建設于1972年，施工質量較差，壩體和壩基等部位存在眾多安全隱患。水庫原設計容量為4 800 萬m3，安全運營額定容量為4 000 萬m3，設計水位為959.4 m，淹沒面積為35 km2，主大壩長度11.1 km，南側副壩長度6.2 km。該水庫通過渠道從塔里木河引水，渠道引最小流量4.37 m3/s、設計流量21.39m3/s、加大流量25.56 m3/s，3 種流量分別對應的塔里木河水位分別為962.38 m、963.54 m和963.66 m。帕滿水庫1 號閘修筑于1993年，其由兩孔引水閘、三孔泄洪閘、兩孔分水閘共同組成，當塔里木河水位較大時，出現閘上翻水。2010年，洪水沖毀帕滿水庫的泄洪渠與塔里木河交匯處右堤2 km。主汛期將出現漫灘水，沖刷引水渠堤和泄洪渠堤。水庫安全超高水位確定為965 m。

1999年帕滿水庫出現50 a一遇的大洪水，在大壩東側人工開口5 處，合計長度250 m，便于泄洪。目前大壩存在的問題有:迎水面護坡均已損壞，無法防護風浪;邊坡水蝕損害嚴重，變成陡坎;壩體浸潤線溢出點較高;主壩出現嚴重滲漏;壩后出現管涌。根據水庫大壩相關安全規范，帕滿水庫為病險水庫，塔里木河洪水對其有嚴重威脅，并影響大壩安全運行。

2 堤壩滲漏特征及原因

滲漏主要出現在壩址的特殊部位，這些地方一般存在導水性斷層和巖溶通道。巖溶是指水對巖石化學溶解并伴隨重力坍塌，在地下形成大小不同的空腔。深究帕滿水庫發生滲漏的原因，發生滲漏應該具備以下4個因素:①地形上存在山谷、洼地其海拔低于正常蓄水水位，分水嶺厚度較小;②水庫底部存在巖溶發育，并貫穿水庫內外形成巖溶通道;③山谷與水庫間沒有地下水分水嶺，或者其分水嶺明顯低于水庫正常水位;④地表分水嶺隔水層受到破壞，不能起到隔水作用。

管涌是指壩體巖土中較小的顆粒在水流的作用下嚴重大顆粒空隙移動或者流出壩體的現象。壩體出現管涌主要是由于本身介質特性和施工中監管不力，其主要與滲透力、水庫水位、介質特性等因素有關。管涌一般出現在松軟夾層、軟弱巖石、非黏性土質等部位，病害處的土質顆粒直徑相差懸殊，主要包括以下4 種情形:①粗大顆粒的平均直徑是細小顆粒平均直徑的10 倍以上;②大壩建筑巖體不均勻系數d60/d10≥10;③相鄰的兩種壩體建筑材料滲透系數比例K1/K2＞2 ;④滲透水流的水利梯度大于巖土臨界水利梯度。

水庫堤壩滲漏量估算一般采用解析法，對于帕滿水庫壩基滲漏量計算，認為其含有水層單一，水平厚度較小，其單寬滲漏量為:

式中:K1為第1 含水層的滲透系數;M1為第1 含水層的厚度;H 為大壩水頭差;b 為壩基寬度一半。

經計算水庫壩基每天的滲漏量為16 186 m3，年滲漏量可達590.81 萬m3，此計算包含地下水的天然徑流量。此處的天然徑流量約為每年6.18 萬m3，因此實際水庫壩基年滲漏量為584.63 萬m3。

3 地下磁流體滲漏監測方法

地下磁流體探測法是一種新型監測方法，其場源為天然電磁場，無需人工電源，以天然電磁波為信號載體，穿透力較強。其發射的電磁波遇到密度較大的裂縫或者溶洞就會發射反射，反射信號穿透地殼巖層傳輸到地表。與電阻法相比地下磁流體探測法有很強的抗干擾能力，可以迅速地劃分巖層界面，確定滲漏點位置，其測量原理見圖1。此技術是在三維物探技術的基礎上增加時間尺度，完成四維測量。其根據麥克斯韋方程和電磁通量原理設計而成，探測頻率已知，但是底層電阻率與水位地質結構相關。

圖1 地下磁流體探測原理

針對帕滿水庫堤壩隱患問題，將該方法應用到水庫堤壩防滲漏研究中，此方法可以可靠地獲得堤壩附近的水活動情況，并能對地質發育做出預測。圖2 為地下磁流體探測測量儀器連接示意圖。

圖2 地下磁流體探測測量儀器連接示意

測量儀器采取智能化信息采集手段，對靜態信息定時采集，對動態信息進行高速采集，保證數據的實時性。利用軟件對采集數據進行分析，并得出監測結果，指導水庫防滲漏工作的開展。

4 結 語

隨著水庫運行時間的增加，受施工因素和地質因素影響，水庫堤壩開始出現安全隱患。基于新疆帕滿水庫的運行情況，從堤壩滲漏特征和引起滲漏的原因出發，首先分析了管涌出現的原因，隨后計算出帕滿水庫的實際年滲漏量為584.63 萬m3。最后提出了一種基于地下磁流體的滲漏監測方法。希望為今后小型水庫堤壩防滲漏監測提供幫助。

［1］范素芳. 壩堤滲漏監測關鍵技術及方法研究［D］. 長沙:湖南科技大學，2012.