庫爾班·艾克木，阿斯古麗·吐尼亞孜

(塔里木河流域阿克蘇管理局，新疆 阿克蘇843000)

0 引 言

大壩是水庫的重要組成部分，隨著水庫運行時間的增加，受施工因素和地質(zhì)因素影響，水庫堤壩開始出現(xiàn)安全隱患。堤壩滲漏和管涌是水利工程中破壞強度最大的地質(zhì)災(zāi)害，此災(zāi)害的產(chǎn)生主要受壩體和壩基所處的地質(zhì)條件和水動力條件影響［1］。目前，我國一般采用鉆孔取樣、人工巡查、地球物理探測的方式來測量滲漏情況，并不能準確測量堤壩滲漏的發(fā)展情況。綜合國內(nèi)研究情況，學(xué)者們提出的水庫堤壩滲漏測量方法主要有:滲漏部位電導(dǎo)率法、高密度電阻率法、流場法、瞬變電磁法等。這些方法雖然在一定程度上可以監(jiān)測壩堤隱患的動態(tài)變化，但是探測結(jié)果僅能用于堤壩防治。地下磁流體探測法是一種新型監(jiān)測方法，其場源為天然電磁場，無需人工電源，以天然電磁波為信號載體，穿透力較強。較電阻法相比有很強的抗干擾能力，可以迅速地劃分巖層界面，確定滲漏點位置。本文基于新疆帕滿水庫的運行情況，從堤壩滲漏特征出發(fā)，討論了導(dǎo)致小型水庫滲漏的原因，并提出了基于地下磁流體的滲漏監(jiān)測方法。

1 工程概況

帕滿水庫位于我國新疆塔里木河流域，行政區(qū)劃屬于阿克蘇地區(qū)沙雅縣，西側(cè)為牧場，南側(cè)為塔里木河，供給沙雅縣和庫車縣的7個農(nóng)牧場灌溉用水，總灌溉面積為5 700 hm2。帕滿水庫建設(shè)于1972年，施工質(zhì)量較差，壩體和壩基等部位存在眾多安全隱患。水庫原設(shè)計容量為4 800 萬m3，安全運營額定容量為4 000 萬m3，設(shè)計水位為959.4 m，淹沒面積為35 km2，主大壩長度11.1 km，南側(cè)副壩長度6.2 km。該水庫通過渠道從塔里木河引水，渠道引最小流量4.37 m3/s、設(shè)計流量21.39m3/s、加大流量25.56 m3/s，3 種流量分別對應(yīng)的塔里木河水位分別為962.38 m、963.54 m和963.66 m。帕滿水庫1 號閘修筑于1993年，其由兩孔引水閘、三孔泄洪閘、兩孔分水閘共同組成，當塔里木河水位較大時，出現(xiàn)閘上翻水。2010年，洪水沖毀帕滿水庫的泄洪渠與塔里木河交匯處右堤2 km。主汛期將出現(xiàn)漫灘水，沖刷引水渠堤和泄洪渠堤。水庫安全超高水位確定為965 m。

1999年帕滿水庫出現(xiàn)50 a一遇的大洪水，在大壩東側(cè)人工開口5 處，合計長度250 m，便于泄洪。目前大壩存在的問題有:迎水面護坡均已損壞，無法防護風(fēng)浪;邊坡水蝕損害嚴重，變成陡坎;壩體浸潤線溢出點較高;主壩出現(xiàn)嚴重滲漏;壩后出現(xiàn)管涌。根據(jù)水庫大壩相關(guān)安全規(guī)范，帕滿水庫為病險水庫，塔里木河洪水對其有嚴重威脅，并影響大壩安全運行。

2 堤壩滲漏特征及原因

滲漏主要出現(xiàn)在壩址的特殊部位，這些地方一般存在導(dǎo)水性斷層和巖溶通道。巖溶是指水對巖石化學(xué)溶解并伴隨重力坍塌，在地下形成大小不同的空腔。深究帕滿水庫發(fā)生滲漏的原因，發(fā)生滲漏應(yīng)該具備以下4個因素:①地形上存在山谷、洼地其海拔低于正常蓄水水位，分水嶺厚度較小;②水庫底部存在巖溶發(fā)育，并貫穿水庫內(nèi)外形成巖溶通道;③山谷與水庫間沒有地下水分水嶺，或者其分水嶺明顯低于水庫正常水位;④地表分水嶺隔水層受到破壞，不能起到隔水作用。

管涌是指壩體巖土中較小的顆粒在水流的作用下嚴重大顆粒空隙移動或者流出壩體的現(xiàn)象。壩體出現(xiàn)管涌主要是由于本身介質(zhì)特性和施工中監(jiān)管不力，其主要與滲透力、水庫水位、介質(zhì)特性等因素有關(guān)。管涌一般出現(xiàn)在松軟夾層、軟弱巖石、非黏性土質(zhì)等部位，病害處的土質(zhì)顆粒直徑相差懸殊，主要包括以下4 種情形:①粗大顆粒的平均直徑是細小顆粒平均直徑的10 倍以上;②大壩建筑巖體不均勻系數(shù)d60/d10≥10;③相鄰的兩種壩體建筑材料滲透系數(shù)比例K1/K2＞2 ;④滲透水流的水利梯度大于巖土臨界水利梯度。

水庫堤壩滲漏量估算一般采用解析法，對于帕滿水庫壩基滲漏量計算，認為其含有水層單一，水平厚度較小，其單寬滲漏量為:

式中:K1為第1 含水層的滲透系數(shù);M1為第1 含水層的厚度;H 為大壩水頭差;b 為壩基寬度一半。

經(jīng)計算水庫壩基每天的滲漏量為16 186 m3，年滲漏量可達590.81 萬m3，此計算包含地下水的天然徑流量。此處的天然徑流量約為每年6.18 萬m3，因此實際水庫壩基年滲漏量為584.63 萬m3。

3 地下磁流體滲漏監(jiān)測方法

地下磁流體探測法是一種新型監(jiān)測方法，其場源為天然電磁場，無需人工電源，以天然電磁波為信號載體，穿透力較強。其發(fā)射的電磁波遇到密度較大的裂縫或者溶洞就會發(fā)射反射，反射信號穿透地殼巖層傳輸?shù)降乇?。與電阻法相比地下磁流體探測法有很強的抗干擾能力，可以迅速地劃分巖層界面，確定滲漏點位置，其測量原理見圖1。此技術(shù)是在三維物探技術(shù)的基礎(chǔ)上增加時間尺度，完成四維測量。其根據(jù)麥克斯韋方程和電磁通量原理設(shè)計而成，探測頻率已知，但是底層電阻率與水位地質(zhì)結(jié)構(gòu)相關(guān)。

圖1 地下磁流體探測原理

針對帕滿水庫堤壩隱患問題，將該方法應(yīng)用到水庫堤壩防滲漏研究中，此方法可以可靠地獲得堤壩附近的水活動情況，并能對地質(zhì)發(fā)育做出預(yù)測。圖2 為地下磁流體探測測量儀器連接示意圖。

圖2 地下磁流體探測測量儀器連接示意

測量儀器采取智能化信息采集手段，對靜態(tài)信息定時采集，對動態(tài)信息進行高速采集，保證數(shù)據(jù)的實時性。利用軟件對采集數(shù)據(jù)進行分析，并得出監(jiān)測結(jié)果，指導(dǎo)水庫防滲漏工作的開展。

4 結(jié) 語

隨著水庫運行時間的增加，受施工因素和地質(zhì)因素影響，水庫堤壩開始出現(xiàn)安全隱患。基于新疆帕滿水庫的運行情況，從堤壩滲漏特征和引起滲漏的原因出發(fā)，首先分析了管涌出現(xiàn)的原因，隨后計算出帕滿水庫的實際年滲漏量為584.63 萬m3。最后提出了一種基于地下磁流體的滲漏監(jiān)測方法。希望為今后小型水庫堤壩防滲漏監(jiān)測提供幫助。

［1］范素芳. 壩堤滲漏監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)及方法研究［D］. 長沙:湖南科技大學(xué)，2012.