第1章　绪论

1.1　研究内容及其意义

水是生命之源,人类通过兴修水库工程达到调控水资源的时空分布、水资源的优化配置以及防洪减灾的目的。我国不仅是人口大国,还是水库大国。水利部副部长胡四一在水利部大坝安全管理中心成立20周年的庆典活动上指出,目前我国水库数量已居世界首位。全国(不含港、澳、台)现有水库87085座,其中大型水库510座,中型和小型水库分别为3260座和83315座。水库的93%是建于20世纪50～70年代的,受当时的经济技术限制,很多的水库都是边勘察、边设计和边施工的,留下了重大的水库大坝安全隐患。2006年普查数据显示,全国病险水库37000座,约占水库总量的40%。水库失事必将导致重大的经济损失和人员伤亡。

据统计,我国241座大型水库的1000次事故中,约有31.9%的事故是由于渗透变形导致的;2391次垮坝事故中,有29%是由于渗透变形造成的。在美国,206座失事的土坝中有39%是由于渗透变形造成的;在瑞典,119座失事土坝中有40%是由于渗透变形造成的;在西班牙,117座失事土坝中有40%是由于渗透变形造成的[1]。可见,渗透变形是大坝失事的一种很重要的破坏形式。渗透变形的主要类型有管涌、流土、接触冲刷和接触流土。任何一种渗流变形都会伴随坝体内细颗粒的流失,在坝体内形成薄弱环节、空洞等。渗透破坏一旦发生就会不断侵蚀坝体,最终形成集中渗漏通道或者管涌通道。随着坝体内渗漏通道的发展,坝体扬压力的变化以及反滤层的进一步破坏极可能造成坝体失事。只有及时、有效地发现坝体发生渗透破坏或者形成集中渗漏通道的位置及破坏形式,有针对性地对大坝进行加固处理,才能保障大坝安全运行。

堤坝隐患探测时,需要根据坝体的具体情况选择合适的探测方法,否则不但不能解决堤坝隐患问题,还消耗了大量的人力、物力和财力。

如广东省1955～1957年、1970～1972年和1983～1987年分别对北江大堤石角段进行了加固处理,但是当北江水位超过9m时,堤后仍出现“砂沸”;1990年又对桩号5+840～10+883进行了高压水泥浆处理,1994年6月19日,外江水位达到14.64m时,离背水堤内坡脚100m莲藕塘里发现直径为1.5m的喷水孔,距堤脚约150m处的啤酒厂后发现了直径为0.5m的管涌口,距堤脚80m的稻田多处出现冒水喷砂现象;1997年7月,石角段最高水位达到14.03m时,石角段又发生多处险情;2003年10月,投资了25.45亿元的北江大堤除险加固工程动工,2004年9月修建达标,但2005年6月24日,北江石角段水位达到5年一遇水位时,石角10+300处再次发生管涌[2]。北江大堤隐患之所以一直得不到彻底解决,主要是因为没有准确定位隐患的位置,导致加固后依然险情频发,洪水来临时便出现冒砂、管涌等破坏形式。

又有南方某水库大坝,由于渗漏量比正常渗漏量大10倍,1997年2月和8月利用自然电场法探测了大坝隐患,1997年10月和1998年7月采用劈裂灌浆和高压喷浆相结合的方法对大坝进行了水库除险加固。但隐患仍未消除,渗漏量不变[3]。说明前期勘探并没有发现隐患的确切位置,导致加固处理效果不理想。

上面两个例子说明,确定堤坝隐患诱发的具体位置是堤坝安全加固极重要的一环,只有准确地确定了隐患的位置、类型后,才能通过加固等手段消除隐患,保障水库大坝的安全运行。

目前探测堤坝隐患的手段主要有基于电法和磁法的物探手段、放射性同位素测井探测及温度探测等。电法探测主要有自然电场法、高密度电阻率法、瑞利波法和探地雷达法等[4-12]。基于电法的物探方法由于受到深径比等因素影响,比较适合浅层探测[12]。当隐患埋深较深时,如坝基渗漏、基岩中存在破碎带等情况,正常的物探手段很难探测到。有研究者统计分析了世界上各国发生溃坝事故原因,一致认为坝基渗漏是造成溃坝事故的一个很重要原因[13]。其中,H.布莱德指出由于坝基渗漏造成的失事占33%[14];C.卡鲁斯夫在论文中指出自1990年起,有70%的失事是和坝基渗漏相关的[15];德尔布鲁克斯研究了200座土坝的失事原因后指出,有25%的失事是由于坝基渗漏造成的[16]。电法、磁法等物探手段,受到深径比的影响,对坝基等深埋深隐患探测存在一定的不足。放射性同位素测井探测和温度探测属于有损探测范畴,该方法是根据钻孔内水流的流速、流向以及钻孔内水体温度等物理性质探测堤坝渗漏隐患的方法,理论上只要孔足够深就可以探测到任意深度处的隐患[17-22]。

本书在前人工作的基础上,进一步探讨了应用综合示踪方法探测堤坝渗漏的相关理论。一是深入研究了同位素示踪测井技术,主要包括测井内垂向流速测量、垂向流干扰下的水平流速测量问题以及计算模型、应用同位素示踪测井技术测定地下水流向时的计算模型及影响因素;二是研究了应用冲击试验方法测定坝体渗透性,并根据工程实践中遇到的问题,建立了相关模型;三是设计开发了同位素示踪测量系统、冲击试验测渗系统以及便携式的掌上测量系统,大大提高了野外工作的效率;四是结合工程实例,研究了综合示踪探测堤坝渗漏通道的方法。