高洪祥, 刘 彬, 王金玉

(吉林省水利水电勘测设计研究院,吉林 长春 130012)

热源法在水库渗漏勘察中的应用

高洪祥, 刘 彬, 王金玉

(吉林省水利水电勘测设计研究院,吉林 长春 130012)

火山口附近玄武岩地区因其地质条件复杂,一直以来对该类地区的水库渗漏勘察较为困难。应用热源分析法对该类地区某水库渗漏区进行探测。首先将温度作为天然示踪剂,通过对所布置钻孔的温度观测,以温度场的变化为研究对象定性地确定了该水库的集中渗漏区,并通过水位观测、井下电视监测等方法进一步验证了该水库的集中渗漏区。之后,应用平面热源法定量地估算出了该集中渗漏区的渗漏量。

玄武岩地区;水库;集中渗漏区;渗漏量;热源分析法

火山口附近玄武岩地区地质条件复杂[1],一直以来对该类地区的水库渗漏勘察都是防渗工程的重点和难点。对于存在集中渗漏区的水库,找到渗漏区对于水库的堵漏至关重要。

热源分析法是将温度作为天然示踪剂,利用温度场来研究渗漏问题[2]。这种技术最早由美国、德国、西班牙等国用来监测堤防渗漏通道[3-4]。其方法为在堤顶布置一定深度的钻孔,通过对钻孔水温的观测来判断集中渗漏通道。该方法后被引入中国,在堤防渗漏问题上得到了大量的应用与研究[5-7],其中周志芳等[8]分析了河流峡谷区地下水温度异常特征,定性研究了区域地下水的渗漏状况。肖才忠等[9]利用建坝前后地温场的对比,对坝基渗漏进行了研究。王志远等人[10]利用在帷幕后排水孔中监测水温研究坝基渗流场,其结果表明,坝基温度变幅和分布与渗漏源的温度、地质条件有密切关系,证实了利用温度研究渗漏的有效性。

本文以长白山天池附近某水库为例,应用该地区地层温度低的特点,将渗漏区中的水流近似地看成持续发热的虚拟线性热源,利用平面热源法探测渗漏区,并估算集中渗漏区的渗漏量。

1 热源法机理

本水库位于长白山天池附近地区,平均海拔1 260 m,夏季进行引水隧洞施工时在右岸山体中发现有永冻冰,对钻孔进行井下电视勘察时发现冰体。由此可知该地层温度较低,那么此地层中的地下水温度也应该较低。而在库区内,由于光照水温比地下水水温要高。如果地层中存在集中渗漏区,来源于水库的渗漏水,其温度比地下水水温要高,势必会与地下水进行热量交换[11-13],那么渗流通道附近的地层温度必然会比其他地方的温度要高。热源法探测集中渗漏区即是将渗流区内的水作为天然的示踪剂,进行渗漏区的测定。

如果在某一特定时间内,水库水温为连续稳定时,渗流通道内的渗流速度与渗流流量一定,那么渗流通道及其附近的温度也将处于相对稳定的状态。

将渗流通道近似地看成持续发热的线热源。渗流通道内的流速在短时间内保持恒定,那么线热源在地层内引起的温度变化与时间无关,地层内的温度变化只与测点到虚拟线热源的距离有关。越靠近线热源地层受线热源的影响越大。

在布置钻孔时即使钻孔没有打在集中渗流区内,由于岩石具有导热性,所测钻孔温度也不会对结果产生较大的影响。

2 热源法探测集中渗漏区

2.1 水库概况

该水利枢纽工程位于吉林省长白山区,距长白山天池约50 km,平均海拔高度1 260 m,属火山多期喷发玄武岩地区[14-15]。地质条件复杂,为第三纪末—第四纪初岩浆大面积喷出而成。第四纪中期,该区地面下降,台地沉于水下,下更新世时期,台地表面沉积了较厚的松散堆积物。第四纪后期,地面抬升,台地的地表水沿熔岩的薄弱处迅速下切,在台地中形成了幽深的峡谷河流,峡谷内沉积有厚度不等的第四系全新统松散堆积物。

研究水库是一座以养鱼、灌溉、防洪为主,兼顾发电、旅游等多项功能的综合利用水利枢纽工程。由粘土心墙土石坝、溢洪道、引水隧洞、电站厂房等组成,水库总库容3 061×104m3,正常蓄水位1 280.00 m,校核洪水位为1 282.61 m,最大坝高40.43 m。本工程规模为中型,工程等别为Ⅲ等,主要建筑为3级。

综合分析水库水位变化、入库流量和出库流量,并结合水库坝体塌陷、右岸下游有泉水流出、水库长期在低水头(1 256.0 m)运行发电的实际情况,说明水库存在比较严重的渗漏问题。经初步估算,右岸绕渗量为每天17 041 m3,占径流量12.3%;临谷渗漏量4 192 m3,占径流量3%,以右岸绕坝渗漏为主,水库日渗漏总量为22 329 m3,占日径流量的16.1%,影响水库的正常蓄水和发电。

根据地质资料初步判断水库的渗漏区主要集中在水库的右岸。

2.2 热源法探测渗漏区

根据热源法,如果有集中渗漏区存在,在其附近必定存在一个相对高温区。根据在大坝下游1.1 km处存在集中溢出点等现场情况,沿右岸垂直坝轴线布置第一排1#、2#、3#、4#钻孔;与第一排钻孔成45°角布置第二排钻孔:1#、5#、6#钻孔;沿坝轴方向布置第三排钻孔:1#、7#、8#、9#钻孔。钻孔布置如图1所示。同一断面钻孔间距100～300 m不等。钻孔深度为相对隔水层顶部高程。

图1 钻孔布置及渗漏通道示意图Fig.1 Sketch of layout of drill hole and the leakage passage

表1 钻孔温度观测结果

为了确保水库水温与地层温度有一个较为明显的差值,根据当地的气温变化,在7月份选取了光照比较强的一天分别对三个断面的钻孔进行了温度观测。从距孔口2 m处开始每2 m进行一次读数,至距孔口44 m结束。钻孔温度观测结果如表1所示。

由表1可以看出断面一中3#钻孔的钻孔温度明显高于同一断面其他钻孔温度。3#钻孔的孔内温度平均为7.76℃左右,而1#、2#、4#钻孔中的钻孔内温度分别为5.45℃、6.56℃、5.48℃。断面二中5#钻孔的平均温度为7.2℃,高于同一断面1#和6#钻孔的5.45℃和5.33℃。断面三中8#钻孔的钻孔平均温度为7.03℃,高于1#、7#、9#钻孔的温度5.45℃、5.20℃、4.51℃。结合其他物探资料,3#、5#、8#钻孔出现温度异常的原因是由于这一区域地质条件较差,库区内温度较高的水渗入地层所致。3#、5#、8#钻孔构成了高温异常带。3#、5#、8#钻孔内温度分布如图2所示。

根据图2及钻孔资料可知3#、5#、8#钻孔孔内温度异常区温度最高点分别出现在高程1 256.9 m、1 255.5 m、1 254.9 m处。假定孔内温度最高点即为集中渗透通道的中心,可以看出渗漏通道在3#、5#、8#钻孔处存在水位差,这表明渗流有从3#钻孔流向5#钻孔再流向8#钻孔的可能。

图2 3#、5#、8# 钻孔温度分布Fig.2 Distribution of the water temperature in 3#、5#、8#

3 探测结论验证

3.1 高密度电法

根据现场及测区地形等情况布置了三个剖面,剖面1为坝轴延长线。剖面2与坝轴线成45°角。剖面3沿右岸垂直于坝轴线。剖面布置如图1所示。

高密度电法勘探以二级装置采集系统为主,三级、斯隆贝格、温纳装置采集系统为辅,采用2 m电极间距的滚动测量,100 mA恒流供电或100 V恒压供电,采集数据15～80层,勘探深度约30～80 m。尽可能地改善每根电极的接地条件。

高密度电法勘探结果为:剖面1在3#钻孔附近存在集中渗漏区;剖面2在5#钻孔附近存在渗漏区;剖面3在8#钻孔附近存在集中渗漏区;其余为弱渗漏区。

3.2 井下电视录像法

利用井下电视对各钻孔进行了摄录。其中3#、5#、8#钻孔在高程1 268～1 250 m节理裂隙发育。最大裂隙宽度60 mm,并且在裂隙中发现存在冰。6#钻孔37.37 m处摄像结果如图3所示,可见冰体存在。

图3 6#钻孔井下电视截图Fig.3 Screenshot of underground TV in 6#

3.3 声波CT法

应用WYS—2003对剖面内成像剖面图的分析,结合钻探资料,确定分别在3#、5#、8#钻孔28～32 m处存在低速异常区,波速为2 867～3 457 m/s。5#-1#钻孔成像剖面图如图4所示。

3.4 钻孔水位分析

在7月份,分别对各断面钻孔进行了三次水位观测,观测结果如表4-表6所示。三次水位观测时库水位分别为:1 257.32 m、1 256.56 m、1 255.43 m。

图4 CT声波5#-1#钻孔成像剖面图Fig.4 Diagram of CT wave to 5#-1#

表4 断面一孔水位观测

表5 断面二孔水位观测

表6 断面三孔水位观测

由表可以看出3#、5#、8#钻孔水位比同一断面其他钻孔水位高,这是由于这些钻孔有补给水。对这些钻孔应用井下电视查勘,发现在这些钻孔中存在岩石裂隙,最大缝宽为30 cm。可见,井下电视查勘结果与热源分析法相一致。并且3#、5#、8#钻孔的水位呈递减趋势,进一步确定3#、5#、8#钻孔附近为各断面的集中渗流通道。将3#、5#、8#钻孔及泉眼相连即为渗漏通道(图1)。

4 渗漏量计算

水进入渗流通道内势必与周围的岩体进行热量的交换。根据能量守恒原理,渗流通道内释放出来的热量与地层吸收的热量相等,即:

Q水=Q地

(1)

式中:Q水为水体释放的热量;Q地为地层吸收的热量。

将集中渗流通道近似看作一个线性发热体,线性发热体在地层中引起的温度变化分布[16]为:

(2)

式中:q1为线热源的发热率;R为观测点到线热源的距离;R′为虚拟线性热源温度影响半径;λ为岩石的导热系数,本区岩石导热系数为3.38(W/m·℃);T为钻孔水温的实测值;T0为钻孔原始温度值。

(3)

由各钻孔温度变化及钻孔分布可以得到9#钻孔温度较为稳定,为地层初始温度。以第二断面5#钻孔为计算点计算渗流通道渗流量。由公式(3)可以得到线性热源体的发热功率为q1=896.22 W。

则线性热源体一天内释放的热量为:

Q水=Q地=q1×24×60×60=7.74×107J

Q水=CVΔTρ

式中:C为水的比热容,4 200(J/(kg·℃));V为渗漏通道每天的渗流量;ΔT为渗漏点到5#钻孔的温度差;ρ为水的密度1 000 kg/m3。

由此可得渗流量:

即5#钻孔附近垂直于渗漏方向136 m范围内的渗漏量占右岸绕渗量日渗流量的36.31%。

5 结论

水库自建成以来一直处于低水头运行,由于库区地质条件复杂又处于火山口地区给水库的堵漏带来了很大的困难。根据地质资料及水库渗流量较大的特点,推断水库必然存在集中渗流区,所以查找渗流区成为本水库堵漏的重点也是难点,而应用传统的同位素示踪法效果并不明显,并且同位素示踪法只能定性地研究渗流通道,而不能定量地估算出集中渗流区的渗流量。在库区运用热源分析法探测集中渗漏区,为类似工程水库堵漏提供了参考。

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(责任编辑：陈姣霞)

The Application of Heat Source Method on Reservoir Leakage Investigation

GAO Hongxiang, LIU Bin, WANG Jinyu

(InvestigationandDesignInstituteofWaterResourcesandHydropowerofJilinProvince,Changchun,Jilin130012)

It has been difficult to investigate the leakage of reservoir located at the volcano and basalt region due to its complex geological conditions. This paper aims to apply the heat source analysis method to analyzing the leakage of reservoir at this region. The water temperature is first taken as a natural tracer. Then the concentrated leakage area of reservoir is qualitatively determined by observing the variation in the temperature of drilling arranged region. The leakage area of the reservoir can be further verified by using the observation of water level and underground TV. Additionally,the leakage quantity of the leakage area is estimated by applying the plane heat source method.

basalt area; reservoir; concentrated leakage region; leakage; heat source analysis

2016-05-13;改回日期:2016-05-26

高洪祥(1962-),男,教授级高级工程师,岩土工程专业,从事水利水电勘察、设计工作。E-mail:ghx621207@163.com

TV697.3+2

A

1671-1211(2016)03-0266-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.003

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160530.0937.012.html 数字出版日期:2016-05-30 09:37