魏利刚

(四川省水利水电勘察设计研究院，四川 成都 610071)

1 概述

坝体渗漏是影响大坝安全的主要因素之一，严重的坝体渗漏不仅会破坏水库大坝的蓄水功能，且会危害人民的生命财产安全与社会稳定，因此必须及时有效地对坝体渗漏问题进行勘查分析，为坝体的渗漏处理与除险加固工作提供基础与保障[1]。传统的坝体渗漏勘查方法主要包括测压水位法、坝体变形监测法、水体特征分析法等[2]，这些方法普遍存在精确度或勘查效率较低的问题。较为先进的坝体渗漏勘查法包括综合物探法[3]、地面核磁共振地下水探测技术法[4]、高密度电法[5]和探地雷达法[6]等，这些方法可大幅提升渗漏勘查的精确度与勘查效率，但依旧存在技术复杂、成本过高等问题，因此有必要对新的勘查方法进行探索[7]。荧光示踪剂方法可为坝体渗漏勘查提供一条新的途径，该方法目前主要应用于多孔与岩溶含水层地下水的研究中，主要是在特定的位置投入一定浓度的示踪剂，对观测点进行监控，从而对介质的特性进行判断。荧光示踪剂法在水文地质和医学等领域的研究中得到了广泛的应用与检验[8]，但在坝体渗漏中的应用却鲜有报道。鉴于此，本文设计并进行了27组基于荧光示踪剂方法的坝体渗漏试验，建立了坝体渗透系数与坝体下游荧光示踪剂浓度指数之间的量化关系。在具体的应用中，可以根据较易获取的荧光示踪剂监测浓度与本文所得的回归方程反向推算坝体的渗透特性，该方法可大幅改善坝体渗漏勘查工作的效率与成本，具有较好的可操作性与实用性。

2 试验方法

2.1 试验思路

分别选取9组不同的土体样本，首先利用常水头渗透仪测定各土样的渗透系数，再分别采用各土样构筑坝体模型。对每个模型进行3组基于荧光示踪剂法的坝体渗漏试验，每组分别采用一种特定的荧光示踪剂。在坝体上游特定的投放点投放一定浓度的荧光示踪剂，并应用荧光计对下游排水棱体处的荧光示踪剂浓度进行监测，得到荧光示踪剂的浓度指数。最后，对各组试验的渗透系数数据与荧光剂浓度指数数据进行拟合分析，得到坝体渗透系数与荧光示踪剂浓度指数之间的回归关系式。

2.2 试验模型

根据大坝的常见构造形式，设置简化的物理试验模型，如图1所示。大坝模型中的坝顶宽度为0.5m，坝底宽度为2.42m，坝高为0.8m，坝长为3m。在该模型中，采用不同的土体样本材料构筑坝体，在坝体上游坡面设置混凝土防渗墙，在防渗墙下部约1/3处钻孔投放示踪剂，在坝体下游设置排水棱体并装置荧光计监测示踪剂的浓度。试验模型放置于宽3m(与坝长相等)、长7.2m的水槽中，上游水位设置为0.5m，下游水位设置为0.3m。

图1 坝体渗漏试验模型布置形式

2.3 试验材料

选取不同的土体样本作为坝体模型的基本材料，为保证各土样具有不同的岩性，在选取时先采用筛析法测定样品的粒度组分，最终选取土壤特性差异较为明显的土体样本共9份。采用基姆式70型渗透仪测定各土样的渗透系数，之后分别采用各土样构筑坝体模型。

试验使用3种不同的荧光示踪剂，分别为Uranine，Sulforhodamin B和Tinopal CBS-X。Uranine也称Fluorescein，在生物医学和医疗护理等领域有着广泛的应用。浓缩的Uranine溶液呈深红色且不发荧光，但被水稀释后则可以呈现亮绿色，并可以发出荧光，其肉眼观测临界浓度为100ppb，仪器观测临界浓度为0.02ppb。Sulforhodamin B即为国内常见的罗丹明B示踪剂，主要呈粉红色，其肉眼观测临界浓度为100ppb，仪器观测临界浓度为0.2ppb。Tinopal CBS-X主要用作荧光增白剂或光亮剂，主要呈透明色，其肉眼观测临界浓度为100ppb，仪器观测临界浓度为0.2ppb。在坝体下游排水棱体处装置GGUN FL30荧光计，检测示踪剂浓度，该仪器主要监测以下参数：①温度(精度为0.01℃)；②浑浊度(精度为0.1NTU)；③电导率(精度为0.5mS/cm)；④Uranine浓度(精度为0.02ppb)；⑤Sulforhodamin B和Tinopal CBS-X的浓度(精度为0.2ppb)。

3 试验结果与分析

3.1 土体样本渗透系数

采用筛析法测定土体样品的粒度组分，选取基姆式70型渗透仪测定各土样的渗透系数，得到各坝体土样的粒径分布与渗透系数，结果见表1。

由表1可知，各土样的粒度组分具有较为明显的差异，因此选取这些样本来设置不同的坝体材料工况试验可以减少试验结果的偶然性，得到具有较强普遍适用性的结论。根据渗透系数测定结果可知，所选土样的渗透系数介于(0.88～5.00)×10-8m/s

表1 坝体土样的粒径分布与渗透系数

之间，覆盖范围相对较广，且各组差异比较明显。由于拟合分析一般需要较广的数据范围与较多的数据组，因此该试验设置有利于后续的拟合分析。

3.2 荧光示踪剂浓度指数

在坝体上游特定的投放点(防渗墙下部约1/3处)投放荧光示踪剂，各示踪剂溶液的初始浓度C0为10g/L。采用GGUN FL30荧光计对下游排水棱体处的荧光示踪剂的浓度进行监测并自动记录数据。对数据进行分析，选取自出现有效读数后30分钟内的最大浓度Cmax值，并计算荧光示踪剂的浓度指数C：

(1)

该指数一般介于0～1之间，无量纲，数值越大表明坝体渗漏情况越严重。各组坝体渗漏试验的荧光示踪剂浓度指数结果见表2。

表2 坝体渗漏试验的荧光示踪剂浓度指数

由表2可知，在相同的试验条件与坝体材料工况下，不同的荧光示踪剂浓度指数较为接近，但不完全相同，主要是因为各荧光示踪剂本身具有不同的迁移扩散特性，因此需要对不同的荧光示踪剂分别进行分析。分析比较表1中的渗透系数值与表2中的浓度指数可以发现，当某土样的渗透系数较大时，其对应试验的浓度指数也较大，说明两个变量之间呈现出明显的正相关关系，因此可建立坝体渗透系数与荧光示踪剂浓度指数之间的回归方程。

3.3 渗透系数与浓度指数的拟合分析

对各土样的渗透系数与荧光示踪剂浓度指数进行汇总，对数据组按浓度指数由小到大排序，以荧光示踪剂浓度指数为横坐标、渗透系数为纵坐标绘制散点图，如图2所示。

图2 荧光示踪剂浓度指数与渗透系数的拟合分析

由图2可知，荧光示踪剂浓度指数明显随坝体渗透系数的增大而增大，因此采取简单的拟合分析即可得到两者之间的回归方程。在实际的坝体渗漏勘查中，可根据下游示踪剂的浓度指数来反向评估坝体的渗透特性，因此在拟合分析中选取荧光示踪剂浓度指数为自变量、坝体渗透系数为因变量。采用MATLAB软件的回归分析与曲线拟合命令[9]尝试线性、多项式型、对数型、指数型等不同的拟合型式，其中指数型曲线与试验数据的拟合程度最高，所得的回归方程式分别为：

(2)

式中，R2—回归方程与数据拟合程度的指标，等于回归平方和在总平方和中所占的比例，该值介于0～1之间，数值越大表明拟合效果越好。

根据图2和式(2)可知，各散点较为接近拟合线，且各拟合方程的R2均较大，因此可以认为拟合效果较好、回归方程的可信度较高。

以上回归方程具有较高的应用价值，在实际的坝体渗漏勘查中，可以采用本文所提方法，在上游坝面投放点投入一定浓度的荧光示踪剂，并在下游排水棱体处对溶液浓度进行监测，计算出浓度指数C，最后采用以上拟合线方程估算出坝体的实际渗透系数，而所得的渗透系数即可代表坝体的整体渗漏状况。本文所提方法中，荧光示踪剂的投放与监测等环节均具有操作简单、成本低廉等优势，因此基于荧光示踪剂方法的坝体渗漏勘查方法可以高效、经济地为坝体渗漏的防治提供依据。

4 结语

本文基于荧光示踪剂法进行了坝体渗漏试验，结果表明应用荧光光示踪剂方法进行坝体渗漏勘查具有较好的可行性与实用性。本文所提的坝体渗漏勘查技术与相应的回归方程可以为坝体渗漏的勘查分析工作提供新的途径，具有较好的推广价值。但是，物理模型试验普遍存在比例尺效应问题，因此有必要进一步在实际的大坝渗漏勘查工作中对其进行检验与改进。