第3卷第11期 2017年11月 黑龙江水利 V0L 3。No.11 Nov.,2017 Heilongj iang Water Resources DB一4型堤坝管涌渗漏检测仪 在水库渗漏探查中的首次应用 白广明,孙 震,张耘菡,孙光年 (黑龙江省水利科学研究院,黑龙江哈尔滨150080) 摘要:为检验新研制的DB-4型堤坝管涌渗漏检测仪的有效性,项目研究组在水库工程中进行了首次实际应用。 结果表明:新设备可以探查到堤坝渗漏人口位置;设备由模拟量测试改变为数值量测试后,检测成果实现了定量 数据化;增加的GPS定位功能,可以将检测出的渗漏人口位置标记在工程图纸上,精度达到厘米级;该仪器在堤 坝渗漏探查领域有推广价值。 关键词:水库大坝;管涌;渗漏;探查;拟流场 中图分类号:TV698.1 2 文献标志码:A 文章编号:2096—0506(2017)11—0019—07 堤坝是挡水建筑物,当堤坝内出现了渗漏通 道,堤坝后就会出现管涌现象,如不采取工程措 施及时除险,管涌会带走颗粒土使渗漏通道不断 扩大,直至堤坝溃决。水利技术人员知道:及时、 准确封堵渗漏通道在水下的入口,或截断堤坝内 渗漏通道路径,是遏制险情发展、根除堤坝发生 溃决灾害的有效方法。但采用这些工程措施的前 高科技有限公司合作,共同承担了以深入进行拟 流场法理论研究、仪器升级改造为内容的科研项 目,创新研制出了DB-4型堤坝管涌渗漏检测仪, 将模拟测试转换为数值测试,并增加了GPS高精 度定位功能。为了检验新设备工作效果和性能, 在坝后有渗漏出水的水库进行了首次实际应用。 提是需要掌握渗漏通道人口或路径的位置。 由于渗漏人口在水下,渗漏通道路径在堤坝 内部,靠肉眼仅能检查出堤坝后出现的管涌险情。 何继善院士2000年提出了拟流场法探测技 1应用工程概况 应用工程位于黑龙江省三江平原,是一座以 下游防洪、城镇工业供水为主,兼顾环境用水、 旅游和养鱼等功能的中型水库,水库总库容5228 术[1],并研制出了DB型堤坝管涌渗漏检测仪[2]。 2001年起,该技术先后在洪泽湖大堤[3]、龚嘴电 站[ 、浏阳市株树桥水库[引、汉寿县阁金口闸[ ]等 工程中得到了应用,均取得了良好的探测效果。 万m3,兴利水位292.00 m,校核水位293.63 m, 设计标准为100 a一遇,校核标准为1000 a一遇。 主要建筑物为三等3级,水库土坝坝顶高程为 295.5 m,坝长885 m,最大坝高4O.65 m,心墙 该仪器2006年获得国家重点新产品称号,2008年 获得水利部水利先进实用技术推广证书,探测技 术写入《堤防隐患探测规程》(SL 436—2O08)【6],探 顶宽4.0 m。大坝溢洪道采用岸边式,主要由进水 渠、控制段、泄槽、消力池、出水渠组成。 大坝左坝肩及溢洪道位于左岸低山区,组成 测设备被水利部列为国家防汛储备物资,该项技 术已经在全国得到广泛应用。 岩性为燕山期侵入岩,岩性为花岗斑岩内。地下 水为基岩裂隙水。岩体可划分强风化岩体、弱一微 风化岩体。由于此处强风化厚度较大,溢洪道部 2016年黑龙江省水利科学研究院和湖南继善 基金项目:黑龙江省应用技术研究与开发计划引导项目(GZ16BoO5) 作者简介:白广明(1958一),男,黑龙江密山人,研究员级高级工程师,主要从事堤坝隐患探测研究。E-mail:baigm@126.tom。 第3巷 分底板座落于强风化带内, 程地质条件较差。 为防止坝肩绕渗,在距左坝肩2O.0 m范罔内进行 帷幕灌浆,灌浆深度20.0 m。溢洪道闸室段基础 座落于强风化、弱风化花岗斑岩上。闸室基础垂 防渗采 帷幕灌浆,闸室左侧帷幕灌浆与重力 坝基础灌浆相连接。闸室右侧通过侧墙底部帷幕 灌浆 黏土心墙石渣坝坝基帷幕灌浆相连接,闸 室底部设l排帷幕灌浆孔。孔距2.0 m.深度为闸 底板以下10.0 rn。 2水库渗漏情况 图2坝后渗漏流出水情况 根据水库运行管理单位介绍,水库201 5年11 月建成蓄水,一直在低水位运行,201 7年5月23 3探查方法 日水库水位上升到279.8O m时.经巡查发现坝后 探 水 犬坝后渗漏…水口放置一个电 flI现了集巾…水渗漏,具体位 在坝体桩号0+ 檄,存_大坝fj订水域巾远端放 一个电微.然后通 100下游110 rD.处的溢洪道存侧山体处,渗漏出水 过导线接通测 没备的发射机, 发射机通过两 流 大约0.4 I./s,水流清澈。渗漏ffJ水位置卫星 个电极 大 水域干¨坝体巾建立起拟流场。测 图如图1所示,f}{水情况如图2所永。 试时,川船运载接收机,探洲人员将与接收机连 接的接收探 深入刮水 拟流场巾检测 同位越 电场强度的分 情况。 J冬1 3所永。 在J1 常(【!n探 没订接近渗漏入口)的情况下, 接收机 fI『以接收到拟流场分布的较小电场强度 数值,陔数伉反映_r J卜常情 下的『乜场慢度分布 特征,此ff1j‘的检测值称之为』I=常值,对于不同T 程的水域.j I 1=I.i=大小略 ,但是对于一 个具体I l『1j .【 常fllf_的数值变化范 是比较 小的 图1坝后渗漏出水位置图 图3渗漏检测示意图 异常值是相对正常 而言的,南于堤坝渗漏 常拟流场的堆础f:,J 0部… 也场强度离值反映, 的存存,使得拟流场的分布特征发牛改变,存正 可以达钏I f常f^旧2俯以l .该高伉称之为异常 第11期 白广明,等.DB-4型堤坝管涌渗漏检测仪在水库渗漏探查中的首次应用 值。正常值与异常值的关系如图4所示。 图4正常值、异常值关系 在完成一个区域水下探测后,可以将从拟流 场中测得的电场强度数据以图的形式表现出来, 其方法是以某一测线方向为X轴(一般以堤坝的方 向),其垂直方向为y轴,按各测点的X、y坐标 位置,将测得的数据标于平面图上,并按一定的 差值,以数学内插的方法绘制出等值线平面图, 如图5所示。 图5探测结果等值线平面图 探测结果等值线平面图能比较清楚地反映出 堤坝前水域中渗漏入口位置。没有渗漏水集中渗 入的区域探测成果数值变化范围比较小,等值线 分布距离相对较稀疏,有渗漏水集中渗人区域的 探测成果数值变化具有突变的特点,幅值高,等 值线分布距离相对较密集。 通过平面图对探测区域进行了异常值范围的 圈定,圈定的范围即为探测到的入水部位。异常 值幅值与人渗水量相关,如果异常幅值高,表明 渗入水量较大;异常值分布范围反映了入渗区域 的大小,范围小是集中渗漏的特征;范围大是散 侵的特征。 本次探测使用的设备是新研制的DB-4型堤坝 管涌渗漏检测仪,比较原有设备,新研制设备的 检测成果由数值量取代了模拟量;接收机设置了 连接RTK GPS定位仪端口,具有了精确测定各测 点在大地位置的功能;增加了探头至水底距离测 量功能。 4探测查工作实施 探测时首先将连接发射机的一个电极放置在 坝后渗漏出口水中,将连接发射机的另一个电极 放置在距离坝前坡水边线100 m远的水域中,开 启发射机电源,然后船载接收机在坝前水域探测 寻找水下渗漏人口。由于坝后渗漏点位于溢洪道 陡坡段右边墙外侧,在库区水域探查时,将溢洪 道人口临近水域作为重点探查区域,并分别向两 侧扩大延伸,以确保探查范围能够全面覆盖可能 存在渗漏入水口的区域。由于库区临近左岸水域 长满树木荆棘,探测船无法进入,只能在距离岸 边较远的树丛外水域探测。为了减少探查工作量, 首先船载接收机在探查区域内进行大范围测试, 探查到渗漏异常值后,再将渗漏异常点附件作为 重点探测区域进行反复探查,确认人渗区域的 存在。 船载接收机在坝前水域探查,共进行了22条 测线探测,各条测线位置如图6所示。 船载接收机在测线上每秒钟接收四组探测数 据,每组数据中有探测时间、经纬度位置坐标值、 拟流场电场强度值及探头距水底距离等信息,每 条测线上测点距离密、数据量大,表1中仅列出一 条测线上的部分探查成果数据,表中的X、Y为测 点的平面坐标l7]。 根据测点的平面坐标,将各条测线上测得的 拟流场电场强度数值成果落在平面图上,发现在 一个椭圆形区域中集中有异常值,电场强度值接 近或大于2 mV,椭圆形区域中心位置点平面坐标 为(5 065 616.3687,384 106.4197),各测线上典 型异常值和对应的平面坐标见表2。 黑龙江水利 第3卷 图6测线位置图 表1 测线上探查测得部分数据 序号 1 5 065 593.602 Y 384 075.027 场强值/mV 0.007 序号 22 5 065 603.789 y 384 081.284 场强值/mV 0.160 2 3 4 5 065 594.122 5 065 594.727 5 065 595,4】7 384 075.253 384 075.418 384 075.580 0.012 0.013 0.0l8 23 24 25 5 065 604.307 5 065 605.442 5 065 605.460 384 O8ll 450 384 082.258 384 083.032 0.177 0.2l8 0.185 5 6 5 065 595.929 5 065 595.952 384 075.449 384 076.462 0.017 0.025 26 27 5 065 605.882 5 065 606.382 384 082.724 384 082.117 0.247 0.198 7 8 5 065 597.312 5 065 597.924 384 075.894 384 076.356 0.027 0.038 28 29 5 065 606.516 5 065 606.528 384 084.140 384 084.676 0.346 0.378 9 10 11 12 5 065 598.62l 5 065 599.166 5 065 600.347 5 065 600.790 384 076.816 384 078.1l5 384 077.253 384 077.838 0.049 0.063 0.074 0.O81 30 31 32 33 5 065 606.978 5 065 606.997 5 065 607.009 5 065 607.454 384 085.559 384 082.698 384 083.234 384 083.879 0.403 0.231 0.499 0.324 l3 14 15 5 065 600.977 5 065 601.107 5 065 601.507 384 078.489 384 080.393 384 079.132 0.094 0.1l6 O.116 34 35 36 5 065 607.8l5 5 065 607.859 5 O65 607.862 384 084.646 384 082.857 384 086.671 0.361 0.472 0.659 16 17 18 5 065 6O1.897 5 065 602.117 5 065 602.414 384 077.455 384 079.535 384 077.562 0.050 0.130 0.062 37 38 39 5 065 608.053 5 O65 608.239 5 065 608.349 384 087.500 384 088.092 384 085.467 0.733 0.790 0.598 19 2O 5 065 602.990 5 065 603.344 384 080.170 384 080.639 0.123 0.137 40 4l 5 065 608.407 5 065 608.444 384 084.274 384 082.188 0。546 0.420 21 5 065 603.397 384 079.207 0.104 42 5 065 608.454 384 086.299 0.642 ・22・ 第11期 白广明,等.DB-4型堤坝管涌渗漏检测仪在水库渗漏探查中的首次应用 续表1 序号 43 44 45 46 47 32 5 065 608.505 5 065 608.658 5 065 608.817 5 065 609.076 5 065 609.252 384 084.808 384 087.665 384 087.125 384 090.873 384 083.718 场强值/mV 0.570 0.848 0.710 0.944 0.277 序号 54 55 56 57 58 z 5 065 609.949 5 065 610.388 5 065 611.496 5 065 612.345 5 065 612.952 y- 384 091.508 384 091.915 384 091.591 384 091.214 384 091.497 场强值/mV 0.998 0.993 1.024 1.113 1.073 48 49 50 51 52 5 065 609.261 5 065 609.540 5 065 609.575 5 065 609.701 5 065 609.734 384 087.770 384 088.717 384 090.206 384 088.236 384 089.666 0.866 0.913 0.926 0.908 0.91O 59 60 61 62 63 5 065 613.020 5 065 613.394 5 065 613.416 5 065 613.536 5 065 613.749 384 090.721 384 092.023 384 092.976 384 090.769 384 092.551 1.148 1.13O 1.164 1.162 1.140 53 5 065 609.932 384 090.793 0.935 64 5 065 613.816 384 O91.715 1.1O1 表2各测线典型异常值坐标位置 序号 1 2 z 5 065 621.1558 5 065 620.7285 384 105.0008 384 103.2032 场强值/mV 2.151 2.168 序号 12 13 z 5 065 618.0631 5 065 618.3589 Y 384 100.9450 384 102.2755 场强值/mV 2.307 2.404 3 4 5 065 620.3050 5 065 620.5340 384 103.8050 384 104.4886 2.128 2.051 14 15 5 065 618.2175 5 065 617.3181 384 105.2401 384 104.9828 2.355 2.235 5 6 7 5 065 620.4656 5 065 620.0083 5 065 620.0061 384 105.0008 384 102.9843 384 104.4483 2.270 2.41O 2.342 16 17 18 5 065 617.2074 5 065 616.0305 5 065 616.2726 384 100.4105 384 102.8316 384 115.3840 2.123 2.068 2.055 8 9 10 5 065 619.6501 5 065 619.4961 5 065 618.7834 384 105.1986 384 103.4334 384 102.8160 2.294 2.146 2.073 19 2O 21 5 065 615.1653 5 065 615.1070 5 O65 614.9323 384 111.7165 384 114.2249 384 115.4983 2.032 1.991 1.984 l1 5 065 618.9135 384 104.8097 2.185 22 5 O65 612.0749 384 109.9513 1.979 根据测点坐标数据将表2异常电场强度数值绘 制在水库枢纽平面图上,发现异常值椭圆形落在 溢洪道进口右边墙前端附近区域,该区域判定为 疑是渗漏人渗区域,对应大坝桩号范围为0+ 020 ̄0+040,中心点距离坝轴线水平距离52 m, 如图7所示。 左坝肩坝前水域存在渗漏水入口,工程运管单位 提供的左坝肩地质情况及渗透压力变化过程支持 这一探测结果。 左坝肩及溢洪道坐落在强风化岩石基础上, 地质条件差,透水性较强,工程上进行了帷幕灌 浆处理,但从强风化岩层分布范围、厚度和风化 程度分析,不容易实现理想阻断渗流,水库蓄水 后,此处是大坝垂直防渗体系中相对薄弱部位。 工程运管单位提供了左坝肩基础渗透压力两 个监测管PR2—1、PR2—2观测数据。两个测压管距 5左坝肩段地质及测压管监测数据支 持探查结果 左坝肩地质条件相对较差,分析渗透压力测 压管数据变化过程可知,此处渗透压力与坝后渗 漏出水直接相关,说明库区水是经过左坝肩基础 渗漏到坝后的。本次拟流场法探测结果表明临近 离坝后渗漏出水点较近,PR2—1在大坝上游侧, PR2—2测压管在坝下游溢洪道左侧,两个测压管的 位置及孔口高程信息见表3。 黑龙江水利 第3卷 图7拟流场法测定渗漏入口位置图 表3两个测压管位置及子L口高程信息 根据运管单位提供的测压管记录数据,分别 绘fH了PR2 1、PR2—2观测管渗透压力日期变化 过程fff1线,图8~罔9是在坝后出现集中渗漏前 10 d起近50 d时段两个测压管渗透压力变化过程。 282 0 28I.S 281.0 280 5 280 0 279 5 279 0 275 5 = j278 0 201 7-05—13 201 7-05 20 20I 7-05—27 20I 7-06—03 20I 7-06—10 20I 7-06-I 7 201 7-06—24 ¨10t/(年一 .H) 图8 PR2—1测压管渗透压力过程曲线 277 8 277.7 E 277 6 277 5 277 4 277 3 277 2 277 1 20l7.05.13 2Ol 7-05.2O 2017-05—27 20I 7-06 03 20l 7.06一】0 20I 7-06—1 7 201 7-06—24 H ,(年.H—H) 图9 PR2-2测压管渗透压力过程曲线 查阅5月23日大坝出现渗漏以前观测管渗透 压力过程记录,PR1—1测压管位于土坝上游侧,压 力观测值略低于库区水位,PR2—2测压管为坝后测 压管,压力观测值低于库区水位较大,两个测压 第1l期 白广明,等.DB-4型堤坝管涌渗漏检测仪在水库渗漏探查中的首次应用 管压力变化趋势均与库区水位变化趋势相一致, 跟随库区水位变化,说明测压管工作情况是正 常的。 从图9可以看到,PR2—2测压管在5月24日 压力数值异常降低,恰好是水库发生异常渗漏的 第二天,分析其原因可能是随着库水位的增加, 流经左坝肩及溢洪道强风化岩层基础的渗透水增 漏水流经路径、选择工程处理方案提供了科学的 参考依据。 (2)设备新增加了测点位置GPS测量功能,实 现了测点位置用经纬度坐标标识,标识精度达到 厘米级,探测成果可以落在堤坝工程平面图上, 方便工程技术人员准确解读探测成果。 (3)新研制的设备改变了流场法探测时采样、 加,渗透压力随之加大,当渗透压力超过临近坡 降时,坝后渗漏出水口位置出现结构失稳状态, 形成集中渗漏水流,渗透路径末端上的渗透压力 突然释放,导致PR2—2测压管压力数值异常降低。 识别工作模式,用数值量自动采样、存储及后期 计算机系统分析,代替了测量船上读取接收机指 针指示的模拟量,现场判定探测结果,使探测数 据分析更加全面、系统,提交的结论更加准确。 ……一 压力数值变化趋势又恢复到跟随库区水位变化!三 ! 要 , 。曼 至2 ! 参考文献: , 这是由于渗透路径上局部出现渗透压力降低时, 周围相对较高渗透压力区的水将向出现局部低渗 形成贯通性渗漏通道,经过一段时间后,渗透压 化趋势又恢复到正常状态。 [1]何继善.堤防渗漏管涌“流场法”探测技术[J].铜业工程, 州 [3]朱自强透压力区补给,如果此处至渗漏出水口之间没有 [2 斋 ,, 螺坝管涌渗漏新 邹声杰,何继善,等.流场法在洪泽湖大堤管涌渗 力将达到新的平衡,使PR2—2测压管的观测值变 漏探测中的应用_J].工程地球物理学报I 2004,1(3): 243—246. [4]戴前伟,冯德山,王小.龚嘴电站大坝渗漏人口部位探测技 6 结 论 术_J].水力发电学报,2006,25(3):88—91. 通过使用新研制的DB一4型堤坝管涌渗漏检测 仪对水库渗漏入口首次现场探查,应用结果表明, 检测仪可以准确找到堤坝前渗漏水入渗区域,工 作性能得到了质的提升,可以推广使用,初步得 出主要结论分述如下: (1)使用新研制的设备,找到了库区水在坝前 '2 , [62中华人民共和国水利部.渗漏管涌探测 堤防隐患探测规程:SL 436--2008 [s]_北京:中国水利水电出版机2008. [7]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准 化管理委员会・全球定位系统(GPS)测量规范:GB/T 。。 一。oo。[sj.北京:中国标准出版社' 。。。・ 渗漏至坝后的水下人渗区域,探测成果为分析渗 The first application 0f DB一4 dam piping detector in the detection of the reservoir seepaRe BAI Guangming,SUN Zhen,ZHANG Yunhan,SUN Guangnian (Heilongjiang Province Hydraulic Research Institute,Harbin 150080,China) Abstract:In order to test the effectiveness of DB-4 Type Dam Piping Detector developed newly,the research group carried out the first practical application in the reservoir proj ect.The result shows that it can search out the position of the seepage entrance.After it is changed from the analog quantity test to the digital quantity test,the result is quantified.With the added location function of GPS,it can mark the detected position of the seepage entrance on the engineering drawings with a precision of centimeter leve1. The instrument has the popularization value in the field of dam seepage detection. Key words:reservoir dam;piping;seepage;detection;the quasi—steady flow fields calculated ・25・