水库大坝渗漏示踪及处理研究

李卫敏   田智鹏

摘要:根据国际大坝委员会的标准，坝高大于15m，或坝高大于5m且库容大于300万m3的水坝称为大坝，根据不完全统计，中国拥有23841座大坝居世界第一，且大坝部分处于水下，环境恶劣，且渗透水的长期侵蚀冲刷，裂缝、渗漏等问题一旦出现，经会对大坝坝身及内部结构形成严重破坏，可能产生掏蚀和渗透破坏，严重影响大坝使用寿命以及水库安全运行，本文通过示踪法研究确定渗漏位置，分析渗漏原因，通过实施研究，确定修复方案，最终将水库大坝渗漏量控制在规定范围内，并对未来新兴渗漏监测技术进行了展望。

关键字：大坝示踪法   渗漏处理

Abstract: According to the standards of the International Commission on Dams, dams with a height greater than 15 meters or a height greater than 5 meters and a storage capacity greater than 3 million cubic meters are called dams. According to incomplete statistics, China has 23841 dams, ranking first in the world, and some of the dams are underwater. The environment in which the dams are located is relatively harsh. Once cracks and leaks occur, it will cause serious damage and corrosion to the concrete strength and steel bars of the dams, Due to the long-term erosion and erosion of seepage water, it may cause erosion and seepage damage to the dam body, seriously affecting the service life of the dam and the safe operation of the reservoir. This article uses tracing methods to determine the location of leakage, analyze the causes of leakage, and through implementation research, determine repair plans. Finally, the leakage amount of the reservoir dam is controlled within the specified range, and prospects for future emerging leakage monitoring technologies are presented.

Keywords: Dam tracing method for leakage treatment

一.背景

（一）工程简介

云南某水力发电站，地处云南省德宏傣族景颇族自治州潞西县境内，坐落在龙江干流下游，控制流域面积约6000平方公里，大坝坝址距离云南芒市约70km，距离下游村庄13km，电站到下游村庄有等乡级公路连接，且村庄有国道通过，工程建设对外交通畅通。

龙江干流河道约312km，河床坡降平均值为5‰左右，瑞丽江段河道长为75km，平均坡降为1‰左右。流域呈南北狭长形，南北长约190km，东西最宽约85km，最窄处仅为10km。大坝坝址多年平均径流量为199m3/s，径流深为1089mm。

大坝位于遮冒村上游约6km处，河谷呈“V”型，地势基本对称，河水流向为南东东向，平水期江水水深2m-5m，江面宽度在30m到90m之间，河谷底部约50m左右，两岸山体海拔1350m到1450m之间，比高约550m～650m，坡度30°～40°，河谷下部的沿江地段为陡崖。无阶地，坝线上游30m～60m和下游100m～150m处，左右两岸均发育有冲沟，切割深度40m～100m。

枢纽区地层为寒武系变质岩，坝址左右岸坝肩及尾岩抗力体部位主要为糜棱岩化花岗片麻岩（以下简称片麻岩），河谷除零星陡崖外，地表天然露头少见，均覆盖有第四系松散堆积层。

枢纽区位于龙陵—瑞丽大断裂西侧，区域性龙陵—瑞丽大断裂在坝址下游约2km处通过。大坝基础地址断裂构造较发育，发现的断层带越有50余条，断层宽度一般在30cm～50cm之间，全风化带厚度一般为10m～32m，且各部位风化深度差异较大，岩体较破碎，质量较差。

（二）大坝渗流情况

大坝自从2010年开始蓄水，随着科技进步，大坝安全监测自动化程度不断完善更新，大坝渗漏监测系统于2012年数据采集正常投入使用。自动化渗漏监测以来，大坝漏水量呈现两个特点：一是漏水量呈逐年增大趋势，历年最大漏水量和历年最低库水位时的漏水量均在增大，尤其是 2016年和2017年增大很明显；二是死水位以下也存在渗漏，漏水量也呈增大趋势。

年度最大漏水量			年度最低库水位时的漏水量
日  期	最大漏水 量/L/s	对应库水 位/m	日    期	最低库水 位/m	对应漏水 量/L/s	对应集水 井流量/m/h
2013年9月13日	36.638	871.99	201年6月23日	843.13	13.269
2014年8月25日	37.448	870.71	2014年5月27日	841.09	15.046
2015年12月31日	39.431	869.03	2015年7月1日	840.89	17.676	63.63
2016年9月9日	49.795	871.84	2016年6月15日	854.48	31.06	111.82
2017年8月23日	58.719	870.36	2017年5月27日	840.95	22.669	81.61

二、示踪法漏点检测

（一）示踪法原理分析

根据国内外技术调研，大坝渗漏示踪方法探测是当前最有效且可行的方法。综合示踪方法包括：物理场示踪、化学场示踪、水流场示踪和连通试验。通过综合示踪技术确定大坝渗漏水的补给源与补给位置，有针对性地进行防渗处理，可以明显有效提高大坝的安全性。

（1）物理场主要指根据温度变化进行示踪。坝址区的库水、岸坡地下水、坝基地下水、坝体渗漏水等有着不同的温度，即坝址区环境水温度呈时空变化，这种变化有规律可循，但当发生渗漏时由于流场的局部变化导致温度场的局部异常，通过温度的异常可以判断渗漏的部位。

（2）化学场是指坝址区环境水的水化学场。库水、岸坡地下水、坝基地下水和坝体渗漏水存在不同的化学成分，体现在水化学类型、pH值和总溶解固体等。库水相当于坝址环境水的背景值，其总溶解固体最小，经过坝基渗流或坝体渗漏后，由于流场的差异导致水化学的改变程度不同，反之，坝基帷幕后地下水化学成分的差异反映了帷幕的防渗性能，可据此判断防渗缺陷；坝体渗漏水化学成分的差异反映了库水经坝体渗漏通道作用的程度不同，据此可以判断坝体渗漏通道的位置；岸坡地下水既可以接受大气降水入渗补给，也可以接受库水的绕坝渗流补给，其水化学成分的差异反映了两个的关系，据此可以判断是否存在绕坝渗漏。

（3）水流场是指坝基渗流场、岸坡渗流场和坝体渗流场，可以通过流量、水位、流速、流向等反映。任何大坝结构的局部变化如防渗帷幕老化或缺陷、混凝土坝体伸缩缝的变化或浇筑缝的缺陷等均将影响流场。根据流场的局部变化导致的渗漏量、水位、流速和流向的变化可以判断渗漏的部位。

（4）连通试验是传统的水文地质试验，其目的是验证投源点到观测点之间的水力连通关系。在坝址区，同样可以通过连通示踪试验验证大坝的渗漏点位置与漏水点之间的水力关系。但在库水和各漏水点之间进行连通试验，关键是要在上述物理场、化学场和水流场分析的基础上，有针对性地进行，尤其在坝面库水中投源要采用定深度小剂量投源方式，不能影响库水天然水质。

（二）示踪法现场实施

主要研究综合示踪技术在某大坝渗漏分析中的应用，具体在实施过程中要开展大量的现场测试工作，再进行资料的分析整理，重点是对示踪技术的分析。

现场工作包括：

（1）上游面库水不同深度上沿弧长温度和电导率（代表库水的总溶解固体值大小）进行测试；

（2）对大坝各廊道内渗水点、排水孔（管）等的物理化学测试。大坝有EL842m廊道（6#～21#坝段）、EL827m廊道（13#～16#坝段）、EL803m廊道（9#～17#坝段）和EL791m廊道（8#～10#坝段、17#～19#坝段）；

（3）水流场的测定。对大坝各廊道内具备条件的测量孔进行水位、流速和流向等的测试；

（4）水样采集。采集8～10个水样，送专门的水质分析单位进行水质分析；

（5）连通试验，即在判定的上游坝面库水中定深度定点投源，在相关廊道渗水点处取水样分析。连通试验的个数不定，根据现场前期工作具体确定。

室内工作包括：（1）对工程资料进行整理；（2）对痕量检测和数据分析；（3）资料的整体分析、报告的编制等。

（三）示踪法技术指标

示踪法主要目的是查明大坝渗漏水的补给源和补给位置（如上游坝面库水入渗坝体的位置等），采用的综合示踪技术包括以下技术指标：

（1）物理温度场技术。围绕大坝的上游库水、岸坡和坝基地下水、各廊道内排水等的温度具有一定的变化规律（场的特征），分析物理场中的水温变化及异常来判定大坝的渗漏情况。

（2）化学成分分析技术。由于水～岩（混凝土和帷幕）相互作用的程度不同，上游库水、岸坡和坝基地下水、各廊道内排水体等的化学成分存在差异，差异性是识别大坝渗漏的重要指标。

（3）流场流体技术。由于帷幕的防渗性能、大坝结构内部差异使大坝环境水体流场存在差异性，这种差异性也是导致温度场和水化学场出现异常的原因。

（4）连通示踪试验，进一步验证补给水的入渗位置、途径等。

（四）大坝渗点确定

通过分析，大坝渗漏来自坝体，坝体渗漏通道位置主要有10个(图1)，分别是：8坝和9坝分缝处EL816m～EL835m之间；10号坝段 EL808m～EL830m之间；13号坝段EL808m～EL830m之间；14号坝段EL841m；EL832-16号坝段；17号坝段EL826m～EL829m之间。

三、渗漏原因分析

通过大坝渗点确定，初步排除了由于地质结构、坝基防渗处理不到位、坝基有强透水层等原因造成的坝基渗漏，根据渗水情况，同时也排除了绕坝渗漏和管涌的情况，基本确定为坝体渗漏，根据现场施工、理论分析和试验，分析处大坝渗漏可能的原因有：

①在施工中施工缝留的位置不合理，将施工缝留在混凝土底板上或者在墙上留垂直的施工缝；

②在施工过程中，一些锯末、铁钉等杂物掉入缝内未及时清除，浇筑上层混凝土后，在新旧混凝土间形成夹层；

③施工缝处理不当，未做企口或未安装止水带；没有采用补偿收缩混凝土，造成接茬部位产生收缩裂缝；

④下料方法不当，骨料集中于施工缝处，混凝土墙体单薄，钢筋过密，振捣困难，混凝土不密实；

⑤未采用补偿收缩混凝土，由于接茬收缩，产生微裂而导致渗漏水。

⑥施工缝处混凝土振捣不密实；

⑦金属止水带焊缝不饱满或与钢筋相连形成渗漏通道，橡胶或塑料止水带百接头没有锉成斜坡并粘结搭接。

四.渗漏点处理

（一）处理技术工艺及测试点效果

渗漏点水下复核→水下清理→切槽及凿除→塑性止水材料嵌缝→渗漏部分缝口封闭（预埋灌浆管）→水下灌浆→水下粘贴SR盖片→不锈钢压条固定→水下密封边。

根据上述技术方法对10坝段渗漏点进行了处理，10坝段对应渗漏量为22L/S，处理后10坝段对应渗漏量为3L/S，效果明显。

（二）处理方法

（1）通过水面供气，人员潜水作业，对大坝渗漏点结果进行复核，确定实施修复工作量，经对比复核结果审批后实施修复作业。修复作业将通过潜水员水下完成，坝顶高程EL875m,作业水深0～45m之间 (EL810m～EL855m)。

（2）主要设备类型

水下潜水作业装具、水下作业工具、水面作业平台、起吊工具、水下风动工具、水下液压工具等。

（3）主要材料

表面防渗材料：橡胶片、防渗盖片、复合土工膜。

柔性嵌填材料：遇水膨胀橡胶、塑性止水材料、水下快速密封剂、水下弹性密封胶、水下涂料。

化灌主要材料：新型水溶性聚氨脂、水下适用环氧材料。

刚性处理材料：水下不分散砼、水下聚合物砼、水下环氧砼（砂浆）。

四.大坝渗漏处理效果

通过将近三个月紧张施工，对大坝各渗点进行了处理，总体处理完工后，相同水位的渗漏量由42.21L/s降至3.59L/s，渗漏量减少了91.49%，对于水电站来说将减少的38.62L/s渗漏量折算成发电量，一年可增发20.3万kw.h电量；同时，大坝渗漏集水井启停泵时间周期由处理前的1小时延长至10.6小时，一年可减少水泵启动运行时间约2000小时，节约电量36万kw。后续将适时对渗漏缺陷部位进行补强加固，并持续加强渗漏量的监测和分析

廊道修复前                      廊道修复后

4.总结语

水力发电是我国乃至全世界倡导的关键绿色能源，我国的水力能源是承担国际污染减排义务的重要组成部分，混凝土大坝渗透稳定是大坝稳定的最重要组成部分，保障水库大坝安全是发挥经济效益和社会效益的前提条件，因此，大坝渗漏问题将是现阶段和未来面临的重要研究课题。

大坝渗漏示踪的开展可拓宽对于大坝渗漏诊断的知识面和技术方法，提升应对复杂渗透稳定和突发事故处置的能力，为大坝渗漏治理和大坝安全鉴定提供可靠的依据。

经查阅文献，国内及国外在20世纪中页陆续开展了根据水体温度变化研究大坝渗水的研究，确定渗点及透水层。随着近几年数字化产业的发展，赋能传统产业的智能化改造升级，赋予了水利行业水平快速提升，依靠数字信息技术与水利技术的深度融合发展，光钎温度感应系统被大量应用，光钎温度感应埋设在大坝坝体或大坝基础内，可以实现对大坝坝体内各个测点进行温度实时的采集，根据空间位置信息，与大坝内部多种监测仪器数据互联，实现数据统计、信息管理、实时预警、动态在线等一系列数字孪生，共同确保大坝质量。这对于大坝未来渗水研究有重大意义。

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