高洪祥, 劉 彬, 王金玉

(吉林省水利水電勘測設計研究院,吉林 長春 130012)

熱源法在水庫滲漏勘察中的應用

高洪祥, 劉 彬, 王金玉

(吉林省水利水電勘測設計研究院,吉林 長春 130012)

火山口附近玄武巖地區(qū)因其地質條件復雜,一直以來對該類地區(qū)的水庫滲漏勘察較為困難。應用熱源分析法對該類地區(qū)某水庫滲漏區(qū)進行探測。首先將溫度作為天然示蹤劑,通過對所布置鉆孔的溫度觀測,以溫度場的變化為研究對象定性地確定了該水庫的集中滲漏區(qū),并通過水位觀測、井下電視監(jiān)測等方法進一步驗證了該水庫的集中滲漏區(qū)。之后,應用平面熱源法定量地估算出了該集中滲漏區(qū)的滲漏量。

玄武巖地區(qū);水庫;集中滲漏區(qū);滲漏量;熱源分析法

火山口附近玄武巖地區(qū)地質條件復雜[1],一直以來對該類地區(qū)的水庫滲漏勘察都是防滲工程的重點和難點。對于存在集中滲漏區(qū)的水庫,找到滲漏區(qū)對于水庫的堵漏至關重要。

熱源分析法是將溫度作為天然示蹤劑,利用溫度場來研究滲漏問題[2]。這種技術最早由美國、德國、西班牙等國用來監(jiān)測堤防滲漏通道[3-4]。其方法為在堤頂布置一定深度的鉆孔,通過對鉆孔水溫的觀測來判斷集中滲漏通道。該方法后被引入中國,在堤防滲漏問題上得到了大量的應用與研究[5-7],其中周志芳等[8]分析了河流峽谷區(qū)地下水溫度異常特征,定性研究了區(qū)域地下水的滲漏狀況。肖才忠等[9]利用建壩前后地溫場的對比,對壩基滲漏進行了研究。王志遠等人[10]利用在帷幕后排水孔中監(jiān)測水溫研究壩基滲流場,其結果表明,壩基溫度變幅和分布與滲漏源的溫度、地質條件有密切關系,證實了利用溫度研究滲漏的有效性。

本文以長白山天池附近某水庫為例,應用該地區(qū)地層溫度低的特點,將滲漏區(qū)中的水流近似地看成持續(xù)發(fā)熱的虛擬線性熱源,利用平面熱源法探測滲漏區(qū),并估算集中滲漏區(qū)的滲漏量。

1 熱源法機理

本水庫位于長白山天池附近地區(qū),平均海拔1 260 m,夏季進行引水隧洞施工時在右岸山體中發(fā)現(xiàn)有永凍冰,對鉆孔進行井下電視勘察時發(fā)現(xiàn)冰體。由此可知該地層溫度較低,那么此地層中的地下水溫度也應該較低。而在庫區(qū)內,由于光照水溫比地下水水溫要高。如果地層中存在集中滲漏區(qū),來源于水庫的滲漏水,其溫度比地下水水溫要高,勢必會與地下水進行熱量交換[11-13],那么滲流通道附近的地層溫度必然會比其他地方的溫度要高。熱源法探測集中滲漏區(qū)即是將滲流區(qū)內的水作為天然的示蹤劑,進行滲漏區(qū)的測定。

如果在某一特定時間內,水庫水溫為連續(xù)穩(wěn)定時,滲流通道內的滲流速度與滲流流量一定,那么滲流通道及其附近的溫度也將處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

將滲流通道近似地看成持續(xù)發(fā)熱的線熱源。滲流通道內的流速在短時間內保持恒定,那么線熱源在地層內引起的溫度變化與時間無關,地層內的溫度變化只與測點到虛擬線熱源的距離有關。越靠近線熱源地層受線熱源的影響越大。

在布置鉆孔時即使鉆孔沒有打在集中滲流區(qū)內,由于巖石具有導熱性,所測鉆孔溫度也不會對結果產生較大的影響。

2 熱源法探測集中滲漏區(qū)

2.1 水庫概況

該水利樞紐工程位于吉林省長白山區(qū),距長白山天池約50 km,平均海拔高度1 260 m,屬火山多期噴發(fā)玄武巖地區(qū)[14-15]。地質條件復雜,為第三紀末—第四紀初巖漿大面積噴出而成。第四紀中期,該區(qū)地面下降,臺地沉于水下,下更新世時期,臺地表面沉積了較厚的松散堆積物。第四紀后期,地面抬升,臺地的地表水沿熔巖的薄弱處迅速下切,在臺地中形成了幽深的峽谷河流,峽谷內沉積有厚度不等的第四系全新統(tǒng)松散堆積物。

研究水庫是一座以養(yǎng)魚、灌溉、防洪為主,兼顧發(fā)電、旅游等多項功能的綜合利用水利樞紐工程。由粘土心墻土石壩、溢洪道、引水隧洞、電站廠房等組成,水庫總庫容3 061×104m3,正常蓄水位1 280.00 m,校核洪水位為1 282.61 m,最大壩高40.43 m。本工程規(guī)模為中型,工程等別為Ⅲ等,主要建筑為3級。

綜合分析水庫水位變化、入庫流量和出庫流量,并結合水庫壩體塌陷、右岸下游有泉水流出、水庫長期在低水頭(1 256.0 m)運行發(fā)電的實際情況,說明水庫存在比較嚴重的滲漏問題。經初步估算,右岸繞滲量為每天17 041 m3,占徑流量12.3%;臨谷滲漏量4 192 m3,占徑流量3%,以右岸繞壩滲漏為主,水庫日滲漏總量為22 329 m3,占日徑流量的16.1%,影響水庫的正常蓄水和發(fā)電。

根據(jù)地質資料初步判斷水庫的滲漏區(qū)主要集中在水庫的右岸。

2.2 熱源法探測滲漏區(qū)

根據(jù)熱源法,如果有集中滲漏區(qū)存在,在其附近必定存在一個相對高溫區(qū)。根據(jù)在大壩下游1.1 km處存在集中溢出點等現(xiàn)場情況,沿右岸垂直壩軸線布置第一排1#、2#、3#、4#鉆孔;與第一排鉆孔成45°角布置第二排鉆孔:1#、5#、6#鉆孔;沿壩軸方向布置第三排鉆孔:1#、7#、8#、9#鉆孔。鉆孔布置如圖1所示。同一斷面鉆孔間距100～300 m不等。鉆孔深度為相對隔水層頂部高程。

圖1 鉆孔布置及滲漏通道示意圖Fig.1 Sketch of layout of drill hole and the leakage passage

表1 鉆孔溫度觀測結果

為了確保水庫水溫與地層溫度有一個較為明顯的差值,根據(jù)當?shù)氐臍鉁刈兓?在7月份選取了光照比較強的一天分別對三個斷面的鉆孔進行了溫度觀測。從距孔口2 m處開始每2 m進行一次讀數(shù),至距孔口44 m結束。鉆孔溫度觀測結果如表1所示。

由表1可以看出斷面一中3#鉆孔的鉆孔溫度明顯高于同一斷面其他鉆孔溫度。3#鉆孔的孔內溫度平均為7.76℃左右,而1#、2#、4#鉆孔中的鉆孔內溫度分別為5.45℃、6.56℃、5.48℃。斷面二中5#鉆孔的平均溫度為7.2℃,高于同一斷面1#和6#鉆孔的5.45℃和5.33℃。斷面三中8#鉆孔的鉆孔平均溫度為7.03℃,高于1#、7#、9#鉆孔的溫度5.45℃、5.20℃、4.51℃。結合其他物探資料,3#、5#、8#鉆孔出現(xiàn)溫度異常的原因是由于這一區(qū)域地質條件較差,庫區(qū)內溫度較高的水滲入地層所致。3#、5#、8#鉆孔構成了高溫異常帶。3#、5#、8#鉆孔內溫度分布如圖2所示。

根據(jù)圖2及鉆孔資料可知3#、5#、8#鉆孔孔內溫度異常區(qū)溫度最高點分別出現(xiàn)在高程1 256.9 m、1 255.5 m、1 254.9 m處。假定孔內溫度最高點即為集中滲透通道的中心,可以看出滲漏通道在3#、5#、8#鉆孔處存在水位差,這表明滲流有從3#鉆孔流向5#鉆孔再流向8#鉆孔的可能。

圖2 3#、5#、8# 鉆孔溫度分布Fig.2 Distribution of the water temperature in 3#、5#、8#

3 探測結論驗證

3.1 高密度電法

根據(jù)現(xiàn)場及測區(qū)地形等情況布置了三個剖面,剖面1為壩軸延長線。剖面2與壩軸線成45°角。剖面3沿右岸垂直于壩軸線。剖面布置如圖1所示。

高密度電法勘探以二級裝置采集系統(tǒng)為主,三級、斯隆貝格、溫納裝置采集系統(tǒng)為輔,采用2 m電極間距的滾動測量,100 mA恒流供電或100 V恒壓供電,采集數(shù)據(jù)15～80層,勘探深度約30～80 m。盡可能地改善每根電極的接地條件。

高密度電法勘探結果為:剖面1在3#鉆孔附近存在集中滲漏區(qū);剖面2在5#鉆孔附近存在滲漏區(qū);剖面3在8#鉆孔附近存在集中滲漏區(qū);其余為弱滲漏區(qū)。

3.2 井下電視錄像法

利用井下電視對各鉆孔進行了攝錄。其中3#、5#、8#鉆孔在高程1 268～1 250 m節(jié)理裂隙發(fā)育。最大裂隙寬度60 mm,并且在裂隙中發(fā)現(xiàn)存在冰。6#鉆孔37.37 m處攝像結果如圖3所示,可見冰體存在。

圖3 6#鉆孔井下電視截圖Fig.3 Screenshot of underground TV in 6#

3.3 聲波CT法

應用WYS—2003對剖面內成像剖面圖的分析,結合鉆探資料,確定分別在3#、5#、8#鉆孔28～32 m處存在低速異常區(qū),波速為2 867～3 457 m/s。5#-1#鉆孔成像剖面圖如圖4所示。

3.4 鉆孔水位分析

在7月份,分別對各斷面鉆孔進行了三次水位觀測,觀測結果如表4-表6所示。三次水位觀測時庫水位分別為:1 257.32 m、1 256.56 m、1 255.43 m。

圖4 CT聲波5#-1#鉆孔成像剖面圖Fig.4 Diagram of CT wave to 5#-1#

表4 斷面一孔水位觀測

表5 斷面二孔水位觀測

表6 斷面三孔水位觀測

由表可以看出3#、5#、8#鉆孔水位比同一斷面其他鉆孔水位高,這是由于這些鉆孔有補給水。對這些鉆孔應用井下電視查勘,發(fā)現(xiàn)在這些鉆孔中存在巖石裂隙,最大縫寬為30 cm?？梢?井下電視查勘結果與熱源分析法相一致。并且3#、5#、8#鉆孔的水位呈遞減趨勢,進一步確定3#、5#、8#鉆孔附近為各斷面的集中滲流通道。將3#、5#、8#鉆孔及泉眼相連即為滲漏通道(圖1)。

4 滲漏量計算

水進入滲流通道內勢必與周圍的巖體進行熱量的交換。根據(jù)能量守恒原理,滲流通道內釋放出來的熱量與地層吸收的熱量相等,即:

Q水=Q地

(1)

式中:Q水為水體釋放的熱量;Q地為地層吸收的熱量。

將集中滲流通道近似看作一個線性發(fā)熱體,線性發(fā)熱體在地層中引起的溫度變化分布[16]為:

(2)

式中:q1為線熱源的發(fā)熱率;R為觀測點到線熱源的距離;R′為虛擬線性熱源溫度影響半徑;λ為巖石的導熱系數(shù),本區(qū)巖石導熱系數(shù)為3.38(W/m·℃);T為鉆孔水溫的實測值;T0為鉆孔原始溫度值。

(3)

由各鉆孔溫度變化及鉆孔分布可以得到9#鉆孔溫度較為穩(wěn)定,為地層初始溫度。以第二斷面5#鉆孔為計算點計算滲流通道滲流量。由公式(3)可以得到線性熱源體的發(fā)熱功率為q1=896.22 W。

則線性熱源體一天內釋放的熱量為:

Q水=Q地=q1×24×60×60=7.74×107J

Q水=CVΔTρ

式中:C為水的比熱容,4 200(J/(kg·℃));V為滲漏通道每天的滲流量;ΔT為滲漏點到5#鉆孔的溫度差;ρ為水的密度1 000 kg/m3。

由此可得滲流量:

即5#鉆孔附近垂直于滲漏方向136 m范圍內的滲漏量占右岸繞滲量日滲流量的36.31%。

5 結論

水庫自建成以來一直處于低水頭運行,由于庫區(qū)地質條件復雜又處于火山口地區(qū)給水庫的堵漏帶來了很大的困難。根據(jù)地質資料及水庫滲流量較大的特點,推斷水庫必然存在集中滲流區(qū),所以查找滲流區(qū)成為本水庫堵漏的重點也是難點,而應用傳統(tǒng)的同位素示蹤法效果并不明顯,并且同位素示蹤法只能定性地研究滲流通道,而不能定量地估算出集中滲流區(qū)的滲流量。在庫區(qū)運用熱源分析法探測集中滲漏區(qū),為類似工程水庫堵漏提供了參考。

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(責任編輯：陳姣霞)

The Application of Heat Source Method on Reservoir Leakage Investigation

GAO Hongxiang, LIU Bin, WANG Jinyu

(InvestigationandDesignInstituteofWaterResourcesandHydropowerofJilinProvince,Changchun,Jilin130012)

It has been difficult to investigate the leakage of reservoir located at the volcano and basalt region due to its complex geological conditions. This paper aims to apply the heat source analysis method to analyzing the leakage of reservoir at this region. The water temperature is first taken as a natural tracer. Then the concentrated leakage area of reservoir is qualitatively determined by observing the variation in the temperature of drilling arranged region. The leakage area of the reservoir can be further verified by using the observation of water level and underground TV. Additionally,the leakage quantity of the leakage area is estimated by applying the plane heat source method.

basalt area; reservoir; concentrated leakage region; leakage; heat source analysis

2016-05-13;改回日期:2016-05-26

高洪祥(1962-),男,教授級高級工程師,巖土工程專業(yè),從事水利水電勘察、設計工作。E-mail:ghx621207@163.com

TV697.3+2

A

1671-1211(2016)03-0266-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.003

數(shù)字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160530.0937.012.html 數(shù)字出版日期:2016-05-30 09:37