王周萼 王小波 杜国平

摘 要：渗漏是水库坝址区存在的主要工程地质问题。因渗漏具有隐蔽性，采用钻探或普通物探方法准确查明渗漏区非常困难。在霍林河水库大坝渗漏分析工作中，采用声呐流速探测仪进行大坝渗漏探测，获取各钻孔不同深度的渗漏流速。据此计算各渗漏区的渗透性，确定大坝渗漏区为强透水区和中-强透水区。渗漏区的确定为采取针对性的防渗堵漏措施提供了科学依据，相关分析方法可为类似工程提供借鉴。

关键词：渗漏区；声呐技术；渗漏强度；渗漏流速；渗透性

中图法分类号：TV697.3                                     文献标志码：A

渗漏是水库坝址区存在的主要工程地质问题。据统计，全国水库发生的工程事故中，因大坝渗漏导致的事故约30%，溃坝事故中，由大坝渗漏引起的事故约60%[1]。准确探测渗漏区进而采取针对性的防渗处理措施，对保证水库正常运行与大坝安全具有重要意义。

因渗漏具有隐蔽性，准确查明渗漏区非常困难，尤其是对渗漏点分散、渗流速度小的渗漏。传统探测手段主要是采用钻孔进行注水或压水试验查明岩土体渗透性，然后对大坝进行渗透性评价[2-4]，或采用普通物探方法作为辅助[5-6]。钻探的缺点是，利用钻孔每隔5 m左右进行一次注水或压水试验，工作量非常大且繁琐，效率很低，加之钻孔间距较大，如钻孔之间可能存在较大的渗漏点但未被钻孔揭露，易错过渗漏量大的部位；试验段长度也会影响渗透性结果，如某处为强渗漏点，但是做压水试验时，该处位于某试验段内，试验结果可能为弱渗透性。而普通物探具有多解性，误差较大，一般只能确定渗漏異常的大致区域，难以作为确定水库渗漏部位的主要手段。因此，在进行渗漏处理时，为防止可能遗漏的渗漏点，一般对大坝采取全断面防渗措施，即对坝基可能的渗漏区以及坝体正常蓄水位以下的区域全部进行防渗处理，这样做的弊病是无需进行防渗的部位也进行了防渗，造成投资的极大浪费。

近年来，声呐技术在大坝渗漏探测方面已有一些应用。谭界雄等[7]采用声呐技术查明了白云水电站的大坝渗漏点。刘迪等[8]使用声呐渗漏探测于桥水库大坝渗漏点，成功找到渗漏位置。杜家佳等[9]将声呐渗流探测在可视化成像方面进行了扩展。杜国平等[10]在盾构井中采用声呐技术测量地下水渗流场的流速、流向、流量与渗透系数。周游等[11]采用声呐探测仪确定了基坑开挖中可能出现的异常渗流部位。可见，在地下水渗流探测方面，声呐技术具有很好的应用前景。

在霍林河水库大坝渗漏分析工作中，采用声呐流速探测仪对大坝渗漏进行探测，取得各探测点的渗漏流速，计算得到相应的渗漏量及渗透系数，在此基础上分析确定大坝渗漏区，为采取针对性的防渗堵漏措施提供了准确依据。

1 大坝结构及渗漏特征

霍林河水库位于内蒙古通辽市扎鲁特旗境内，霍林郭勒市以上26 km处。水库总库容约4 900万m3，正常蓄水位950 m，主要由大坝、泄洪洞、取水洞等建筑物组成。大坝为沥青混凝土心墙砂壳坝，坝顶长1 105 m，宽5 m，高程953 m，最大坝高26.10 m。上游坡比1∶3.5，采用模袋混凝土护坡，下游坡比1∶3.0～3.5，采用碎块石护坡。坝体采用厚0.5 m的沥青混凝土心墙防渗，其两侧设砂砾石过渡层。坝基上部主要为中粗砂等构成的土层，下部基岩为凝灰岩，强风化岩体较破碎，具中等透水性；坝基采用厚0.6 m的混凝土防渗墙防渗，底部多进入基岩0.5 m，部分位于覆盖层内。心墙轴线位于坝轴线上游1.8 m处，墙顶接坝顶防浪墙，底部与坝基混凝土防渗墙相接，形成封闭的大坝防渗体。水库建成以来，因存在严重渗漏，未曾达到正常蓄水位。当库水位处于938 m以下时，坝后局部有渗漏现象，渗漏量较小，随着库水位升高，渗漏量有增加趋势。当库水位处于943 m左右时，渗漏点多且明显。从坝后渗漏情况看，以桩号0+266～0+600段最为明显，该段坝后坡脚潮湿，地下水埋深小，坑洼处有积水，局部存在较强集中式渗漏。

通过坝后量水堰进行渗漏量观测，最大年渗漏量约650万m3，最小年渗漏量约160万m3。总体上渗漏严重，影响水库效益，同时也威胁大坝安全，迫切需要采取渗流控制措施。

2 声呐渗漏探测的基本原理

声呐是利用声波在水中的传播特性，通过电声转换与信息处理，完成水下探测的技术，是水声学中应用最广泛的一种装置，水库渗漏声呐探测仪，主要由水听器、信号处理电路和计算机组成。水下声呐渗流探测技术，是利用声波在水中的优异传导特点，测定渗漏入水口的流速、钻孔中地下水渗流的速度以及隐蔽工程破损漏水的位置。对水流速度场的测量，可获得原位渗流场的渗流速度、渗流方向、渗流流量和渗流系数等水文地质参数。如果被测水域的水体存在渗漏，会在测区产生渗流场，声呐探测仪能够精细检测声波在流体中传播的大小，顺流方向声波传播速度会增大，逆流方向则减小，同一传播距离就有不同的传播时间（见图1）。利用传播速度之差与被测流体流速之间的关系，建立连续的渗流场水体质点流速计算式[12]

式中：L为声波在传感器之间传播路径的长度（m）；X为传播路径的轴向分量（m）；T12、T21为从传感器1到传感器2和从传感器2到传感器1的传播时间（s）；U为流体通过两传感器之间声道上的平均流速（m/s）。

3 探测布置及渗漏强度分级

3.1 探测布置

在大坝上游距沥青心墙1.5 m平行坝轴线方向布设34个钻孔，间距一般为30～40 m，平均间距约33.5 m，终孔孔径76 mm，钻孔一般进入基岩15～20 m，花管护套下至基岩面。从钻孔岩芯看，基岩下部岩体新鲜完整，结构致密，根据工程经验判断渗透性小。声呐探测工作在34个钻孔内进行，总探测深度1 881 m，探测点间距1 m，测量结点数1 881个。探测范围处于库水面至钻孔孔底之间，因基岩下部岩体渗透性小，为相对隔水岩体，因此探测不会漏掉可能的渗漏部位。

3.2 渗漏程度分区

根据声呐探测的渗漏流速并结合坝后渗漏现象，将渗漏程度分为强渗漏区、中等渗漏区、不明显渗漏区三个等级。其中渗漏流速超过1 m/d的区域为强渗漏区；渗漏流速为0.1～0.6 m/d的区域为中等渗漏区；渗漏流速小于0.1 m/d的区域为不明显渗漏区。

4 探测成果分析

4.1 钻孔渗漏流速分布

水库正常蓄水位950 m，探测时库水位944 m，在34个钻孔内采用声呐流速探测仪探测944 m高程以下坝体（基）的渗漏流速。成果表明，强渗漏钻孔和中等渗漏钻孔共14个，1#、12#、15#及27#钻孔为强渗漏钻孔，其中1#孔渗漏高程930～936 m，流速1.800～3.800 m/d；12#孔渗漏高程906～934 m，流速1.900～4.900 m/d；15#孔渗漏高程912～935 m，流速1.160～4.800 m/d；27#孔渗漏高程915～932 m，流速1.028～1.772 m/d。2#～7#钻孔和16#～19#钻孔为中等渗漏钻孔，流速多为0.1～0.6 m/d，局部小于0.1 m/d。8#～11#、13#、14#、20#～26#、28#～34#共20个钻孔不同深度的流速均小于0.1 m/d，属不明显渗漏钻孔。

4.2 渗漏量分析

为确定渗漏量，需先计算每个钻孔的渗漏流速。计算原则：对于强渗漏钻孔，如果整孔不同深度的流速均超过1 m/d，则以算术平均法计算流速，否则以加权算术平均法计算；对于中等渗漏钻孔，如果整孔不同深度的流速处于0.1～0.6 m/d之间，则以算术平均法计算流速，否则以加权算术平均法计算；对于不明显渗漏钻孔，因所有钻孔不同深度的流速均小于0.1 m/d，故以算术平均法计算流速。如果两个相鄰钻孔的渗漏程度等级相同，则作为一个区段进行计算，不同渗漏程度等级的区段分界线则以钻孔间距的中点作为分界点，区段流速以区间钻孔的流速平均值计算，渗漏量为区段流速与渗漏断面的乘积。

经计算统计，各区段渗漏程度如表1所示。强渗漏区有4段，区段流速1.402～3.094 m/d，单宽渗漏量30.8～102.1 m3/d，中等渗漏区有2段，区段流速与单宽渗漏量均较接近，分别平均为0.223 m/d 、5.2 m3/d，不明显渗漏区有4段，区段流速与单宽渗漏量均很小，相比强渗漏区可忽略。

4段强渗漏区中，桩号0+285～0+315段和桩号0+373～0+405段位于原河床部位，高程较低，地表有明显渗漏现象；桩号0-030～0+030段和0+736～0+765段位于原河流岸坡地段，高程较高，加之土体渗透性较强，渗漏水经地下向低洼处汇集，故地表渗漏现象不明显。

大坝总渗漏量为10 724 m3/d，对应年渗漏量为391.4万m3，其中强渗漏区年渗漏量为322.8 万m3，占渗漏总量的82.5%，为大坝渗漏的主要区域，中等渗漏区与不明显渗漏区的渗漏量不大。

4.3 渗透性

根据各钻孔地下水位与库水位的水头差值，计算出各测孔的水力梯度，依据渗漏流速与水力梯度的关系，计算出各钻孔的渗透系数K，按K的大小划分强透水（K＞8.64 m/d）、中-强透水（0.864＜K＜8.64 m/d）、中等透水（0.0864＜K＜0.864 m/d）及弱透水（K＜0.0864 m/d）四个等级。渗透性统计结果如表2所示，可知，渗漏程度与渗透性基本呈正向关系，渗漏程度高，渗透系数也大。强渗漏区为强透水，渗透系数远超其他区段；中等渗漏区以中-强透水为主，局部为中等透水，渗透系数较小；不明显渗漏区为中等透水与弱透水，渗透系数相比强渗漏区小1～2个量级。

4.4 渗漏区

大坝渗漏区判别以渗透性为依据。强透水区渗透系数大，渗透性强，为大坝防渗重点部位；中-强透水区的渗透系数相比强透水区小，但渗透性也较强，不排除局部可能存在较强渗漏点；中等透水和弱透水区的渗透系数均非常小，可归为大坝正常渗流区域，不存在渗漏问题。据此确定大坝渗漏区为强透水区和中-强透水区，渗漏区分布立面如图2所示。

5 结论

（1）采用声呐技术对大坝渗漏进行探测，获得各钻孔不同深度的渗漏流速，据此计算出各渗漏区段的渗透性，确定大坝渗漏区为强透水区和中-强透水区，其中强透水区为大坝防渗重点区域。

（2）相比其他物探方法，声呐渗漏探测技术方便快捷，探测精度高，探测点间距可达1 m，能精准确定渗漏区域，无需其他探测方法进行验证。

（3）目前将声呐技术应用于大坝渗漏探测还处于起步阶段，应用实例较少，但从已有渗漏探测实例看，均取得了不错的结果。霍林河水库大坝防渗工程按照声呐探测结果采取防渗堵漏措施后，大坝渗漏已不明显，并能蓄水至正常水位，说明防渗效果良好，确定的渗漏区是准确的。

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Analysis of Seepage Area of Huolinhe Reservoir Dam Based on Sonar Technology

WANG Zhoue1，WANG Xiaobo1，DU Guoping2

（1. Changjiang Survey Technology Research Institute，Ministry of Water Resources，Wuhan 430011，China；2. Nanjing Emperor-dam Engineering Technology Co.，Ltd.，Nanjing 211103，China）

Abstract：Leakage is a major engineering geological problem in the dam site area of reservoirs. Due to its hidden nature，it is very difficult to accurately identify the leakage area using drilling or common geophysical prospecting methods. In the leakage analysis of the Huolin River Reservoir dam，an acoustic Doppler current profiler was used to detect the leakage of the dam and obtain the leakage flow rate at different depths of each borehole. On this basis，the permeability of each leakage area was calculated，and the dam leakage area was determined to be a highly permeable zone and a moderately to highly permeable zone. The research provides a scientific basis for the formulation of anti-leakage measures，and the analysis method could serve as a reference for similar projects.

Key words：seepage area；sonar technology；seepage intensity；seepage velocity；permeability