声呐渗流三维成像检测技术在大藤峡水利枢纽工程围堰渗流检测中的应用.pdf

第 卷第 期红水河 年 月 水利水电声呐渗流三维成像检测技术在大藤峡水利枢纽工程围堰渗流检测中的应用韦 刚，杜广林（广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司，广西 南宁；广西帝坝科技有限公司，广西 南宁）摘 要：渗流是水利工程施工和运行中普遍存在的棘手问题，而准确地检测渗流量和渗流位置是渗流治理的关键。笔者以大藤峡水利枢纽工程二道围堰基坑开挖施工中的渗流检测为例，介绍了声呐渗流三维成像检测技术的原理和检测方式，对检测得到的渗流量、渗透流速、渗流方向等数据进行分析。结果表明，现场检测得到的地下水渗流场数据，能精准地揭示围堰基坑开挖施工的渗流状况。该工程的成功应用经验，可为类似工程的渗流治理提供参考和借鉴。关键词：声呐渗流检测技术；地下水渗流；围堰；大藤峡水利枢纽工程中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：开放科学（资源服务）标识码（）：引言目前，采用传统方法检测地下渗流情况，效果不甚理想，比如：通过抽、压水试验，可获得人工干扰流场下岩土的渗透物性指标，但无法获得天然流场下的地下水流速矢量场，难以科学地判断地下渗流情况；又或者通过地质钻孔分析，根据测量的各孔地下水水位高程来判别地下水的流向，这种方法测量的精度并不高，尤其是对于多含水层的地质情况，则无法判断各含水层的地下水流动方向。围堰施工作为水利工程施工中的关键环节之一，在该环节中出现的渗流问题极其普遍，且往往受到多方面因素的影响，使得防渗治理的难度很大。收稿日期：；修回日期：第一作者简介：韦 刚（），男（瑶族），广西桂林人，工程师，学士，主要从事水利工程运行管理工作。：。第 期韦 刚，杜广林：声呐渗流三维成像检测技术在大藤峡水利枢纽工程围堰渗流检测中的应用如果不能准确地查找出渗流原因和渗流路径，就很难制定有针对性的防渗方案。目前，对止水帷幕缺陷的检测多是通过坑内降水观察坑外水位变化的方式，仅限于定性判断，无法确定止水帷幕缺陷的空间位置、渗流量及渗流速度等量化指标，因此，亟须探索新的技术手段与方法。声呐渗流检测技术因其独特的应用效果，近年来成为工程渗流检测的新方法，在多项水利工程大坝渗漏检测和治理领域中发挥了重要作用，为地下工程渗漏治理提供了科学的检测技术支持。本文通过应用声呐渗流检测技术对大藤峡水利枢纽工程二道围堰基坑开挖施工中的渗流情况进行检测，得出包含渗透流速、渗流方向、渗流量等具体参数在内的解析结论；并通过三维可视化成像，揭示渗流空间坐标位置的变化过程和结果，验证该技术对水利工程渗流检测的可行性和科学性。工程概况大藤峡水利枢纽工程位于广西黔江河段的大藤峡峡谷出口处，是国务院确立的 项节水供水重大水利工程的标志性工程。工程集防洪、航运、发电、水资源配置、灌溉等综合效益于一体，是珠江流域关键控制性水利枢纽，被喻为珠江上的“三峡工程”。该工程为大（）型等工程。水库总库容为 亿，控制流域面积 万。根据工程建设规划，大藤峡水利枢纽工程分左、右岸两期施工，一期工程于 年开工建设，主体工程建设期为 。大藤峡工程建设采用二期常规施工导流方式：一期围护左岸，束窄右岸河床过流；二期围护右岸，通过一期建成的泄流孔过流。一期工程主要包括河床 个泄流孔、左岸厂房、左岸挡水坝等土建及金结工程；二期工程主要包括河床 个泄流孔、右岸厂房、右岸挡水坝等土建及金结工程。一期工程二道围堰基坑开挖时，渗流量较大，每小时抽排水量约 ，严重影响基坑开挖，排水费用高、施工工效低，并且安全风险和防汛压力较大，采取整体帷幕施工截断基坑内外水力联系任务艰巨。因此，采用声呐渗流三维成像检测技术，结合地质情况，测定主要渗流通道和渗流范围，为后续制定堵漏补强措施提供有效的水文参数及技术支持。地质条件根据钻孔揭露：该区域上部为厚 的第四系覆盖层；溶沟、溶槽处地层厚度在 左右，上部第一层为次生红黏土，中部第二层为不连续分布的卵石混合土，下部第三层为厚度不均的混合土碎（块）石，溶沟、溶槽较深；基岩为灰岩、白云岩，岩层走向、倾向、倾角 ，以互层状为主。该区域的地下水主要有孔隙水和岩溶水，埋深一般在 之间。孔隙水主要赋存于第四系覆盖层中，而岩溶水分布于岩溶管道和岩溶裂隙中。根据基坑实际的开挖情况，在高程 附近仍存在溶沟、溶槽等强岩溶发育带，且该处地下水水位与黔江水位变化规律相同，地下水水位与黔江水位联系密切、连通性好、水量大。声呐渗流三维成像检测技术声呐渗流检测技术，是利用声波在水中的优异传播特性，实现对水流速度场的测量。只要被测的地下水区域存在渗流，测点就会产生渗流场，采用声呐探测器阵列精细地测量出水流声波能量场分布和大小，通过分析声呐探测器阵列所测数据的时空分布，即可判断渗流声源传播方向；同时，根据传播方向上的 个声呐探测器之间的距离和相位之差，建立渗流场水流质点流速方程，可计算得出该部位的渗流流速矢量。将在不同方向测量得到的渗透流速矢量投影到笛卡尔坐标系，可测算渗流主方向。声呐矢量传感器测量原理如图 所示。图 声呐矢量传感器测量原理示意图 声波逆流，从传感器 向传感器 传播，因水流速度 的反作用，声波传播速度被降低，建立流速方程，如式（）所示：（）相反，声波顺流，从传感器 向传感器 传播，因水流速度 的正作用，声波传播速度则被提高，建立流速方程，如式（）所示：（）红水河第 卷 用式（）减去式（），整理后可得（）式中：为声波在 个传感器之间的传播距离，；为传播距离的轴向分量，；、为声波在 个传感器之间的传播时间，；为声波在静水中的传播速度，；为传感器、传感器 传播方向上的平均水流速度，。声呐渗流三维成像检测技术利用 精确定位、平面坐标位置，通过地下空间网格化探测实现持续的相位追踪，实时捕捉渗流场的微量级渗流变化量值，定量分析地下水流速、流向、渗流量等参数，从而准确判定渗流位置、渗流路径以及渗流补给来源。基于声呐渗流三维成像检测技术的三维流速矢量声呐测量仪，利用声呐矢量加速度传感器探测阵列，能够精细地测量出声波在流体中能量传递的大小与分布；声呐矢量加速度传感器自动感应识别流体空间的运动速度和方向；采集的相应坐标位置的渗流数据，通过三维流速矢量声呐测量仪的可视化成像系统自动生成三维解析图像，可解析任意剖切面的图像数据，包括渗流量、渗流方向、渗透系数、渗透流速等。将此作为渗流治理工艺设计、堵漏加固处理措施制定的指导依据及其效果验证。检测方法和数据分析在大藤峡水利枢纽二道围堰坝址区域进行声呐渗流检测，采用由声呐传感器、数据采集器、计算机和通信设备组成的三维流速矢量声呐测量仪，利用选定位置预成孔的声呐测井完成检测工作。根据施工现场布置和水文地质条件等因素，共选取 个检测井开展检测工作，检测井参数如表 所示。表 检测井基本参数检测井孔号高程 测深 测量水位 水位高程 表（续）检测井孔号高程 测深 测量水位 水位高程 在现场检测之前，先通过标准的渗流场对检测设备进行功能性试验，经试验检验合格后再进行现场渗流检测。现场检测时，每个水文地质测量孔中每隔 作为 个检测点，使用投入测量孔的探头自上而下测量并保存测量孔内每个断面位置上的渗流量、渗流方向、渗透流速及渗透系数等数据，直到孔底。各检测井渗流量通过计算各检测井每米测量点的渗流流速之和，并将其与有效渗流宽度相乘，即可计算渗流量。各检测井的渗流量柱状图如图 所示。由图 可知：有 个检测井的渗流量远大于其他检测井的渗流量，其中，检测井的渗流量最大，为 ；的次之，为 ；再次之，为 。个检测井断面总渗流量为 ，上述 个检测井的渗流量分别占总渗流量的、，其他检测井渗流量之和占总渗流量的。由此可以判定上述 个检测井位置应存在流速较大的强渗流通道，为堵漏加固的主要区段。图 各检测井渗流量柱状图 各检测井渗透流速根据 个检测井的声呐检测数据，可得到检测井沿高程渗透流速，图 为检测井单井平均渗透流速分布图。由图 可知：单井平均渗透流速排前三位的检测井为、和，平均渗透流速分别为 、。其中，检测井沿高程渗透流速最大，特别是在高程 段，渗透流速远大于其他检测井的渗透流速；、检测井的渗透流速次之，检测井在 第 期韦 刚，杜广林：声呐渗流三维成像检测技术在大藤峡水利枢纽工程围堰渗流检测中的应用高程 段渗透流速最大，检测井在高程 段渗透流速最大。上述 个检测井在渗透流速最大的 个高程段均存在较大的渗透通道，由此可判定这 个区段应为后续堵漏处理重点关注的位置。图 检测井单井平均渗透流速分布图 检测井三维可视化云图根据现场声呐渗流检测所得的三维空间地下水渗流原位数据，生成渗流场三维可视化云图，如图 所示。每组由 万个物理检测数据信息构成，包括流速、流向和流量等信息，并且能够在 范围内旋转，从而清晰展示出渗流场的异常变化及其与含水层之间的相互联系。通过、轴方向各切平面上的地下水渗流剖面，可以构建出任意位置平面具有分析价值的渗流参数图，获取动态水文地质参数。图 检测井渗流场三维可视化云图 渗流方向根据所选取的 个检测井不同高程的 个测量点的检测数据，可形成渗流场渗流方向三维空间分布图（垂向坐标为孔深），如图 所示。各个渗流点的渗流方向在地理坐标上的指向通过该图直观地展示，图 中箭头长度表示该位置地下水流速的大小，箭头方向就是该处地下水流速的矢量方向。根据图 中的指向可判断出，各检测井主要渗流方向为自南向北流动，稍偏东，形成集中流向基坑的渗流通道。图 检测井渗流方向三维空间分布图 检测结果分析围堰上、个检测井的渗流量分别占总渗流量的、。这 个检测井的最大渗透流速及所在的高程段分别为：检测井在高程 段的最大渗透流速为 ；检测井在高程 段的最大渗透流速为 ；检测井在高程 段的最大渗透流速为 。因此，根据上述检测结果可判定，在 检测井高程 段、检测井高程 段、检测井高程 段 个位置区域，存在较强渗流通道。堵漏处理重点应放在 检测井（渗流量占总渗流量的，且此渗流带上发现多处塌陷）的集中渗流通道带上。后期采用钻孔灌浆，钻孔间距为，对检测定位的孔深位置进行分段循环式灌浆封堵，围堰防渗取得了良好效果，为基坑开挖继续施工提供了条件，也验证了首期的声呐测量数据可准确地指导灌浆封堵工艺的设计。结语采用基于声呐渗流三维成像检测技术的三维流速矢量声呐测量仪对地下工程渗流进行检测，该方法能够通过较为简易的现场操作实施，采集并综合处理现场检测的渗透系数、渗流路径、渗透流速和渗流量等数据，通过三维可视化图形直观地揭示渗红水河第 卷流状况、渗流位置及渗流量等信息，从而准确把握水文地质参数，制定出有针对性的防渗治理方案，降低成本，保障工程施工安全和施工进度。该检测方式适用于包括孔隙水、裂隙水、溶隙水的天然渗流场或人工渗流场在内的水文地质现场，在渗流通道和渗流量检测上均是有效和可靠的。在土石坝的检测应用中，现场声呐检测的位置应选择防渗体内或紧邻防渗体的上游入渗侧，否则容易导致出现错误的检测结论。参考文献：杜家佳，杜国平，曹建辉，等高坝大库声纳渗流检测可视化成像研究大坝与安全，（）：杜国平，郑喜莲，王律，等航空定向技术在地下水流速流向中的应用研究南京航空航天大学学报，（）：吕罡水利工程围护结构防渗漏管控措施现代物业（中旬刊），（）：杜家佳，陆建锋，王震，等武汉绿地中心深基坑声纳渗流控制技术施工技术，（）：杜国平，杜家佳，宋晓峰，等三维流速矢量声纳测量系统工程地球物理学报，（）：（责任编辑 秦凤荣）（上接第 页）表 桂林、灵寿、沂蒙抽水蓄能电站上水库施工导流方案电站名称施工导流方案桂林抽水蓄能电站在库盆开挖期间，外排廊道未完工前，由坝址主冲沟导流；外排廊道完工后，上水库施工导流初步拟采用围堰一次拦断河床、明渠外排廊道泄流的导流方案灵寿抽水蓄能电站在围堰未形成之前，由原沟道排出；围堰填筑完成后，坝体施工导流由围堰拦挡上游汇水，水泵抽排泄水；在由已填筑坝体挡水时，采用水泵抽排结合库底外排廊道泄水沂蒙抽水蓄能电站库盆和坝基开挖期间，排水廊道未形成前，施工时由坝址原冲沟排水加配水泵抽水导流；坝体填筑施工期间，施工导流利用已形成的库底排水检查廊道和外排廊道排泄洪水 在设计施工导流方案时，是采用明渠，还是采用水泵抽排，抑或是采用其他建筑物结合外排廊道进行泄流，最终需要通过技术经济比较来确定。结语综上所述，桂林抽水蓄能电站上水库采用全库盆防渗形式，涉及大坝、上水库进 出水口以及防渗面板的施工导流，其导流方式除需要分阶段考虑之外，还需注意施工进度与施工导流相协调。该项目通过对明渠外排廊道和机械抽排 个导流方案进行技术经济比较，最终确定采用明渠外排廊道的导流方案，并对相关部位的施工导流进行详细介绍。结合国内灵寿和沂蒙抽水蓄能电站同类型项目，对施工导流方案进行比较，总结出 个项目的导流方案均采用了排水系统中的外排廊道配合其他建筑物进行泄流。本文对类似采用全库盆防渗项目的施工导流设计具有一定的参考意义。参考文献：，抽水蓄能电站设计规范 ，水电工程施工导流设计规范 中国能源建设集团广西电力设计研究院有限公司桂林抽水蓄能电站预可行性研究报告南宁：中国能源建设集团广西电力设计研究院有限公司，简祥南宁抽水蓄能电站上水库导流设计红水河，（）：，水电工程施工组织设计规范（责任编辑 秦凤荣）红水河 杂志刊登文章下载，投稿结果查询，请扫描咨询电话：