杜家佳，杜國平，曹建輝，宋曉峰，杜家力，杜廣林（南京帝壩工程科技有限公司，江蘇南京，210061）

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高壩大庫聲納滲流檢測可視化成像研究

杜家佳，杜國平，曹建輝，宋曉峰，杜家力，杜廣林
（南京帝壩工程科技有限公司，江蘇南京，210061）

從高壩大庫滲流工程的實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，提出了“能量測量”概念模型，并運(yùn)用伯努利能量方程與質(zhì)量守恒方程解決大壩滲漏隱患中的固液流雙相介質(zhì)原位測量的一系列技術(shù)關(guān)鍵問題。整合了能直接用于水文地質(zhì)參數(shù)成像的軟硬件成果，實(shí)現(xiàn)了聲納探頭的數(shù)據(jù)采集、聲納流速矢量測量、計(jì)算機(jī)功能界面顯示、水文地質(zhì)數(shù)學(xué)建模、潛水、承壓水在孔隙水、裂隙水和巖溶水中的通用計(jì)算公式、數(shù)值計(jì)算成像等一整套三維動態(tài)數(shù)字化可視功能體系，為水下復(fù)雜滲流場的快速測量、精準(zhǔn)定位、多媒體展示提供了創(chuàng)新性應(yīng)用成果。同時(shí)，給出了某混凝土面板堆石壩的工程滲流應(yīng)用實(shí)例。

水文地質(zhì)參數(shù)；聲納滲流；能量法測量；水庫滲漏；大壩滲流；滲流可視化成像

0　前言

隨著我國高壩大庫建設(shè)的迅猛發(fā)展，一旦出現(xiàn)滲漏問題，其修復(fù)的難度和成本將大大提高。大容量高水頭所帶來的經(jīng)濟(jì)效益是顯著的，然而，大壩的滲漏問題帶有普遍性，且關(guān)系到水電站的經(jīng)濟(jì)效益與大壩的安全穩(wěn)定。為此，國家專門設(shè)立了《水電站大壩安全定期檢查監(jiān)督管理辦法》，規(guī)定每5年對大壩的安全進(jìn)行一次體檢。傳統(tǒng)方法查找水庫大壩滲漏路徑，一般根據(jù)鉆孔巖芯取樣分析，或者通過抽、壓水試驗(yàn)獲得人工干擾流場下巖土的滲透物性指標(biāo)，無法獲得水庫大壩天然流場下的地下水流速矢量場，也難以根據(jù)各孔的滲流狀況對整個(gè)大壩區(qū)域的滲流做出科學(xué)的判斷。如果不能準(zhǔn)確找到滲漏成因和滲漏路徑，也就難以制定有針對性的防滲方案與措施，其結(jié)果或者是放干庫水施工，或者是對大壩整體灌漿，防滲加固費(fèi)用巨大，達(dá)不到費(fèi)省效宏的目的。

國內(nèi)外許多工程的建設(shè)和運(yùn)行均受到滲流問題的困擾，甚至導(dǎo)致潰壩。如意大利的瓦伊昂拱壩1963年潰決，死亡2 600人；法國的瑪爾帕塞拱壩1959年潰壩，死亡421人［1］。我國1954～2006年間共有3 496座水庫潰壩。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約有25%的大壩失事是由滲流引起的［2］。因此，水電工程的滲流研究已受到各國政府的重視，亟需新的技術(shù)手段與方法。

隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，許多學(xué)者借助高效計(jì)算機(jī)、利用先進(jìn)的數(shù)學(xué)理論與計(jì)算技術(shù)建立起多種數(shù)模和算法［3］，試圖把滲流的基本理論直接應(yīng)用到工程問題中去。因地質(zhì)構(gòu)造體系成因的復(fù)雜性、隱蔽性，以及地質(zhì)孔隙、裂隙和溶隙固有的復(fù)雜水文地質(zhì)滲流特征，人們還無法在天然流場下建立有效的滲流場的通用動態(tài)計(jì)算模型，只能依據(jù)不同的滲流類別，經(jīng)驗(yàn)性地評估和預(yù)測水文地質(zhì)滲流特性。因而，地下水滲流理論與工程的應(yīng)用仍未取得突破性進(jìn)展。實(shí)踐證明，工程界一直沿用的常規(guī)抽壓水試驗(yàn)和三段壓水試驗(yàn)技術(shù)均干擾了壩區(qū)的天然滲流場，無法給出原始地下水速度矢場、水力梯度場等水力要素，也無法識別裂隙、孔隙和溶隙實(shí)際存在的主要滲水通道網(wǎng)和滲流結(jié)構(gòu)體系，試驗(yàn)結(jié)果也局限于傳統(tǒng)的J.Dupit（1856）、C.V.Theis（1936）的穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)滲流理論。1957年德國科學(xué)家Moser首次提出利用同位素示蹤法測定含水層滲透流速的稀釋測井法［4］，能夠?qū)Χ嗪畬舆M(jìn)行滲透流速、流向測定，后因放射性同位素對環(huán)境和人體的影響而無法得到推廣應(yīng)用。

通過近年來在嘉陵江亭子口水電站、南水北調(diào)的東湖水庫、金沙江溪洛渡水電站、魯?shù)乩娬?、于橋水庫大壩以及尾礦壩、地鐵、深基坑滲流、金屬礦、貯油庫的滲流選址等60項(xiàng)工程中的聲納滲流測量及研究［5-9］，認(rèn)識到水庫大壩的滲流在水頭壓差的作用下，無時(shí)不在侵蝕壩體的每一個(gè)角落，沿途以位能、壓能和動能交替?zhèn)鬟f方式貫穿始終，起著聯(lián)系與導(dǎo)通的作用。它可以把地層中的可溶性礦物質(zhì)或顆粒帶出，形成滲漏及管涌通道，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生坍塌現(xiàn)象，對壩基的變形及穩(wěn)定造成不利影響。對如此復(fù)雜的滲流問題，間接的抽壓水試驗(yàn)方法難以解決這些問題，因而筆者提出“能量測量法”。

1　能量測量法

地下水之所以能夠運(yùn)動，基于兩個(gè)最基本條件：其一是有主動的能量（水頭差）作用，其二是被動的阻水介質(zhì)要有一定的孔隙?！澳芰繙y量法”是通過測量井中地下水的達(dá)西流速與方向、垂向流速與流向以及位能（位置高度Z）、壓能（壓強(qiáng)P）、動能（流速矢Uf）、能量損失（水頭損失hω）和水容重（容重γ）等滲流物理量，建立數(shù)學(xué)物理模型，從而獲得水文地質(zhì)工程所需要的潛水層與承壓水層的水文地質(zhì)參數(shù)，如地下水的滲透流速Uf與流向、垂向流速Uv與方向、井中水壓力P、承壓含水層的涌水量+Qout、吸水量-Qin和靜水頭高度δh、滲流量Q、導(dǎo)水系數(shù)T、滲透系數(shù)K、水力梯度J、潛水含水層的給水度μ、承壓含水層彈性釋水系數(shù)με、裂隙滲透系數(shù)kb、等效水力隙寬bk（裂隙滲透系數(shù)張量）、巖溶滲流vy等。

傳統(tǒng)抽壓水試驗(yàn)是以被動方法去研究阻水介質(zhì)滲透特性，而能量測量方法則主要關(guān)注測量斷面能量傳遞的大小分布。以水庫大壩的滲流為例，借助于水庫勢能的壓力水頭，首先從大壩的迎水面開始，以聲納在水下對流速聲場的高度敏感性，跟蹤檢測因工程結(jié)構(gòu)或地質(zhì)構(gòu)造缺陷導(dǎo)致的水下滲漏流場發(fā)生的流速矢量的微小變化，應(yīng)用伯努利方程研究各空間點(diǎn)的壓能、動能、能量損失和水容重的變化及分布，分析固液流雙相介質(zhì)復(fù)雜滲流狀態(tài)下的水庫滲漏入水口的位置、滲漏路徑的分布以及滲漏通道穿過大壩滲漏層位的滲漏流速、滲流方向、滲漏量、滲透系數(shù)、水流各斷面溶質(zhì)的微小變化，進(jìn)而獲得地下水流速矢量沿孔深的水平分量與垂直分量的分布。

2　聲納滲流測量原理

聲納滲流測量技術(shù)是利用聲波在水中優(yōu)異的傳播特性，實(shí)現(xiàn)對水流速度場的測量。聲波在靜止水體中的傳播速度為一常數(shù)C，當(dāng)聲波逆流從傳感器B傳送到傳感器1時(shí)，其傳播速度被流體流速U所減慢（見圖1），其傳播方程為：

當(dāng)聲波順流從傳感器1傳送到傳感器B時(shí)，傳播速度則被流體流速加快，其傳播方程為：

圖1　聲納流速矢量測量圖Fig.1 Measurement of sonar velocity vector

式（1）減式（2），整理后得：

式中：Uf為流體通過傳感器B到1或1到B之間聲道上的平均流速，m/s；L為聲波在傳感器B和1之間傳播路徑的長度，m；X為傳播路徑的水平分量，m；TB1、T1B為從傳感器B到傳感器1或從傳感器1到傳感器B的傳播時(shí)間，s。

將聲納傳感器陣列測量到的流速的大小投影到直角坐標(biāo)系，可計(jì)算出流速矢量的方向，見圖2。

圖2　聲納流速矢量測量示意圖Fig.2 Measurement of sonar velocity vector

3　工程應(yīng)用實(shí)例

某混凝土面板砂礫堆石壩壩高110 m，壩頂長337.6 m，壩底最大寬度約400 m，正常蓄水位為1 649m，水庫總庫容1.25億m3，調(diào)節(jié)庫容7 240萬m3，死水位1 620 m。電站總裝機(jī)309 MW。河床覆蓋層厚46 m，采用混凝土防滲墻處理，防滲墻底進(jìn)行帷幕灌漿，兩岸趾板（墻）下進(jìn)行固結(jié)灌漿和帷幕灌漿。大壩建成蓄水后，發(fā)現(xiàn)壩后有滲漏水的現(xiàn)象，通過現(xiàn)場觀測庫水位從高程1 641 m上升到高程1 644.07 m，最大滲漏量值達(dá)357 L/s，超過水庫大壩安全滲漏量。2013年8月10日～9月10日，采用聲納法檢測水下面板和左右壩繞壩滲流觀測孔的滲透流速和滲流方向，為大壩的安全定檢與滲漏治理提供技術(shù)支持。檢測結(jié)果見圖3～5。

圖3　滲漏流速等值線測量成果三維可視圖Fig.3 3D map of contour of seepage velocity

圖4　左右壩繞壩滲漏流速等值線圖（左、中）及繞壩滲流場三維可視化圖（右）Fig.4 Map of contour of bypass seepage velocity（left and middle）and 3D visualization of the bypass seepage field（right）

圖5　繞壩滲流斷面X/Y/Z方向滲漏流速等值線可視化切平面圖Fig.5 Sections of contour of the bypass seepage flow velocity in X/Y/Z direction

通過對水下帶粘土層覆蓋和無粘土覆蓋的混凝土面板以及左右壩繞滲孔的滲流檢測，對其測量數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)算、復(fù)核、分析、成像之后得出結(jié)果：

（1）混凝土面板檢測出有滲漏異常的均出現(xiàn)在左壩面板上，如圖3所示，有3個(gè)突出滲漏點(diǎn)和3個(gè)次滲漏點(diǎn)均出現(xiàn)在無粘土覆蓋的面板上，還有另外3個(gè)小滲漏點(diǎn)出現(xiàn)在帶粘土覆蓋的面板上。

（2）面板與繞壩滲漏的總水量為17 788 m3/d，其中面板滲漏約占總滲漏水量的36%，繞壩滲漏占總滲漏水量的64%，滲漏的水量主要是右壩的繞壩滲漏。與前期分析檢測結(jié)果基本一致。

（3）右壩肩3號孔的平均滲透系數(shù)為5.65 m/d，最大滲透系數(shù)12.25 m/d出現(xiàn)在高程1 579 m處；4號孔平均滲透系數(shù)為5.21 m/d，最大滲透系數(shù)9.09 m/d出現(xiàn)在高程1 563 m處。

4　結(jié)語

聲納流速矢量法適用于孔隙、裂隙和溶隙水的天然與人工滲流場的測量。由于該方法測量的孔徑小、速度快、數(shù)據(jù)全、精度高、低碳、環(huán)保，容易在現(xiàn)場操作和實(shí)施，已在60項(xiàng)工程中獲得應(yīng)用和推廣［12］，取得了很好的應(yīng)用效果，產(chǎn)生了顯著的社會經(jīng)濟(jì)效益。該技術(shù)方法于2014年獲得水利部TZ 2014007《水利水電工程水下滲漏隱患聲納檢測技術(shù)》水利先進(jìn)實(shí)用技術(shù)推廣目錄，同年被批準(zhǔn)為SDGF 3003-2014《水利水電工程水下滲漏堵漏施工工法》，2015年編入SL 713-2015《水工混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測技術(shù)規(guī)程》，從而為該方法的廣泛應(yīng)用提供了法規(guī)上的支持。

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From the point of view of practical applications of seepage analysis for high dams with large reservoirs，this article builds a brand new measuring method，namely sonar flow velocity vectors measuring method，in which the latest sonar technology is used to detect the path of dam seepage.Also，the article introduces the conceptual model——the seepage energy measuring method，which detects seepage by measuring the flow energy changes.As well，some key technical problems in the double medium solid-liquid flow synchronous measurement for potential disease detection of dam leaking are solved by Bernoulli equation and mass-conservation equation.By integrating the achievements both in software and hardware which can be directly used in the picturing hydrogeological parameter，a complete set of 3D dynamic digitalized visual function system has been established.This 3D dynamic digitalized visual function system can be used widely，such as sonar probe data acquisition，sonar flow velocity vector measurement，computer function panel displaying，mathematical modeling of hydrogeological，the general calculation formula for the existence of ground water and confined water within void water，crack water and karst water，as well as numerical calculation imaging.Some innovative application achievements are provided for fast measurement of complex seepage flow field in deep water，precise positioning and multi-media display.At the same time，a seepage measurement case of a concrete face rockfill dam （CFRD）is presented，for reference.

hydrogeological parameters；sonar seepage；energy method；reservoir leakage；dam seepage；seepage flow visualization

TV698.1

B

1671-1092（2016）02-0037-04

2016-01-11；

2016-02-17

江蘇省“六大人才”基金項(xiàng)目JZ-012

杜家佳（1982-），女，江蘇南京人，碩士，從事聲納滲流可視化成像技術(shù)開發(fā)應(yīng)用工作。

作者郵箱：1320019618@qq.com

Title：Study on visualized-imaging of sonar detection for measurement of high dams with large seepage// by DU Jia-jia，DU Guo-ping，CAO Jian-hui，SONG Xiao-feng，DU Jia-li and DU Guang-lin//Nanjing Emperor Dam Engineering Technology Co.，Ltd.