浅谈声纳探测技术在某矿区水库中的应用

[摘 要] 利用单井水下声波探测法对某矿区水库沥青混凝土心墙坝的渗漏疑似区域进行现场渗漏检测，通过“渗漏水库声纳探测仪”获得了坝前34个地质钻孔和水库迎水面的六个断面的渗漏水流声场，再经过解析渗漏场流速数学模型，精确地测量到了水库大坝防渗墙体的渗漏隐患位置。

[关键词] 水下声波； 渗流探测； 确定渗漏点

1 水库概况

某矿区水库位于内蒙古霍林河的上游，距离霍林郭勒市26km，水库集水面积342K m2，多年平均径流量1902万m3。大坝坝型为沥青混凝土心墙砂壳坝，坝长1230 m，最大坝高26.1 m，总库容4999万m3。是一座以电力工业供水为主，兼顾城市防洪、旅游及水产养殖为一体的中型拦河水库。

某矿区水库主体工程于2005年4月19日正式开工， 2008年10月工程完工，并移交运行。水库自蓄水近三年以来，最高蓄水位仅为943m，距正常蓄水为还有近8m，其渗水量已达500万m3/a，为2009年水库年供水量182.4万m3的近三倍，对于干旱地区的水库而言，不能正常蓄水，发挥供水效益，无疑是水资源的巨大浪费。加之在目前水库低水位运行的情况下，坝脚已出现了局部的渗漏塌陷现象，左坝肩也有绕坝渗流，如发生大的洪水，在较高的水位条件下，大坝安全运行也是十分令人担心的。基于上述原因，认真查清大坝渗漏原因并进行有针对性的处理十分必要。

2 渗漏测量方法

传统勘察方法查找地下渗漏状况，只能做到根据钻孔揭示的岩心取样做粗略分析，一般无法确定地下水的渗流场分布，尤其无法根据各孔的渗流状况对整个区域的渗漏做出总体判断，这样就不能对区域渗漏做出正确的整体分析。以前对水库渗漏处理效果不好，主要问题在于未能准确找到渗漏成因和渗漏途径，从而也就无从制定出有针对性的防渗措施，其结果是投入水库防渗资金费用巨大，达不到费省效宏的目的。

本次利用单井水下声波探测法对某矿区水库沥青混凝土心墙坝的渗漏疑似区域进行现场渗漏检测，通过“渗漏水库声纳探测仪”获得了坝前34个地质钻孔和水库迎水面的六个断面的渗漏水流声场，再经过解析渗漏场流速数学模型，精确地测量到了水库大坝防渗墙体的渗漏隐患坐标，为下一步采取针对性的堵漏措施提供了准确依据。

2.1 水下声纳探测原理与公式

水下声波渗流探测技术，是利用声波在水中的优异传导特性，而实现对水流渗漏场的测量。如果被测水域的水体存在渗漏，则必然会在测区产生渗漏流场，声纳探测器能够精细地检测其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。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公式。

通过室内外实验测试以及水电工程的验证，声纳测量方法能够定量测定出渗漏水库入水口的流速，钻孔中地下水渗流的速度以及隐蔽工程有破损漏水的坐标位置。此次检测，之所以能够实现对某矿区水库大坝的34个有钢管护套钻孔的地下水运动速度的高质量测量，是因为有针对性制定了测量方案。此方案的技术特点是利用“渗漏水库声纳探测仪”对渗流声音的敏感性测量而完成的。

2.2 现场试验工况

野外试验工作从2011年5月27日至6月9日止，现场试验三个内容。

2.2.1大坝防浪墙前的38个地质测孔，平行于大坝轴线桩号：0+0～1+230，测量总深度1881m，测量密度1m，测量结点数1881个；

2.2.2垂直于大坝轴线从水面线开始到坝脚线止：0+0～1+000，在35000m2的水域面积中，有重点的布置了6个测量断面，测量间距5m；

2.2.3在大坝的10个测斜孔和泄洪洞中的防渗墙体渗漏处进行了测量。

2.3 地质钻孔的基本情况

2008年在大坝防浪墙前距离防渗墙的上游侧1.5m处布置了45个地质钻孔，孔距30-50m，桩号0-030-0+1290，孔径76mm，钻孔一般深入基岩15-20m，钢管护套下至基岩面。本次利用其地质钻孔38个进行测量，孔中有水且能够进行水下参数测量的钻孔34个。

2.4 平行大坝轴线断面的孔中渗透流速测量

测量时的上游水位943.56m，下游水位930.06 m，上下游水位差13.50m。在现场的34个测孔中实施“渗漏水库声纳探测仪”的测量成果进行统计分析，按桩号汇总成分区的渗透流速、渗漏量等， 大坝纵剖面渗漏量分区表1。

实测统计情况：1、中间渗漏区分布在0+300-0+520桩号的220米之间，统计其渗漏量占全部渗漏水量74.6%。其中渗漏量较大的测孔主要集中在1#、13#、16#，其次是在3#、18#、19#、20#和28#孔，此8孔总漏水量7631 m3/d，约占总漏水量的86%；

2、左岸渗漏区位于左坝肩的1#孔有明显的绕坝渗流发生，在7m深的井孔中就有372 m3/d的渗水量，占左坝总渗水量的36%；

3、右岸渗漏区的渗漏水量相对较小，但28#出现了863 m3/d渗漏水量，占右坝总渗漏水量的72%。

2.5 各测孔渗透系数的分布情况

渗透系数是反映工程质量好坏的重要技术参数。根据以上测量到的大坝纵剖面测孔的渗透流速的分布值，以及各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，再依据渗透流速与水力梯度的关系式，就能够计算出各测量井孔中的渗透系数值。附表2是大坝纵剖面各测孔渗透系数沿高程分布值，表中数据显示：1.有渗漏表现的测孔，其在平面上的平均渗透系数从大到小的排序是1#12.5m/d、16#10.55m/d、13#10.52m/d、19#4.7m/d和28#4.2m/d；2.中间坝段的0+300-0+520桩号的平均渗透系数最大为3.78m/d，左坝段桩号0+0-0+300的平均渗透系数次之为1.63m/d ，右坝段0+501-1+222的平均渗透系数最小0.37m/d。3.渗透系数在高程上的对应数值，1#在931-936m高程有明显的左坝绕坝渗流发生；13#在918-933m高程的渗漏量较大，因为此孔靠近泄洪洞，其漏水与泄洪洞通过防渗墙的环境有关；16#在935-921m高程均出现较大的渗透系数，在18-11m/d之间，与防渗墙的受损有关； 17#、18#、19#和20#孔均出现了较大的基础渗漏值，其渗透系数在1-8m/d之间，说明这一区间发生坝基绕渗的可能性较大。28#和3#孔分别达到了4.2和1.6m/d渗透系数值，出现了局部的渗漏问题。

2.6 大坝迎水面护坡的渗漏检测

大坝迎水面的渗漏检测是在坝长1230m，坝坡水面线延伸至35m的水面宽度。在这一水域里，根据坝前测孔渗漏量的大小，有代表性地选择了6个断面，即6#、10#、13#、16#、19#和28#的孔位前方水面进行了检测。现场测量时，将船体的一端用绳索固定在对应的孔口上，另一端用船锚将船体固定在一条直线上，测量船在标有标记的绳索上依次测量。各坐标点的位置和流速测量值见表2。

表2测量结果显示，中间坝段0+300-0+520桩号之间的平均渗透流速0.343m/d为最高，左坝段的次之为0.216m/d，右坝段的最小为0.12m/d，与以上左、中右坝段的孔中渗流大小的排序是一致的，且计算出迎水面的总渗漏水量为11088m3/d。在迎水面的整个测量过程中没有发现很明显的集中渗漏通道，其主要原因有：第一大坝坝体有沥青砼心墙，其间的接缝和空洞很多，自然漏水的途径亦多；第二水库的总漏水量与迎水面的渗水面积相比其实很小。

3 水库大坝的渗漏分析

针对某矿区水库大坝的渗漏问题，经过对现场地质测孔和迎水面的水下声纳探测，已查清了大坝防渗体渗漏的具体坐标和渗漏量的分布情况，并对其测量数据进行了综合分析、计算，对大坝的渗漏状况可以作出一个较为清晰的评估结果：

在1230m长的大坝纵剖面上测量出了大坝的总渗漏量是8806m3/d。中间坝段其平均渗透流速0.78m/d、平均渗透系数是3.78m/d；左坝段的平均渗透流速为0.39m/d、平均渗透系数是1.63m/d，右坝段的平均渗透流速最小为0.126m/d、平均渗透系数是0.37m/d。即平均渗透系数与渗透流速的排序是一致的。

从迎水面的断面测量分析，与其对应的测孔的渗流场的渗流状况是一致的，为前后测量数据应用，提供了佐证。

以上分析说明大坝的渗漏重点集中在桩号0+300～0+520的220米之间，而且坝基渗漏、防渗墙裂缝渗漏及泄洪洞基础渗漏也都出现在其桩号范围内，因此桩号0+300～0+520间坝体和坝基是需要重点进行防渗处理的坝段。

[参考文献]

[1]通辽市水利勘察设计院。内蒙古某矿区水库可研及初设报告

[2]中电投蒙东能源集团有限责任公司扎哈淖尔工业供水分公司。某矿区水库大坝渗漏处理项目任务书

[3]长江勘测设计有限公司。某矿区水库大坝渗漏处理初步设计报告