基于同位素示踪技术测抽水蓄能电站地下厂房渗水来源法的制作方法

技术领域：

基于同位素示踪技术测抽水蓄能电站地下厂房渗水来源法

背景技术：
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目前电站的上库、引水钢管及地下厂房均布置在地下，对于地下厂房的渗水情况很难通过普通的探测方法进行准确的探测，因此需要寻找一种适合于水电站地下厂房渗漏检测的方法，能够区分地下厂房渗漏水的来源。

技术实现要素：
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发明目的：

基于同位素示踪技术测抽水蓄能电站地下厂房渗水来源法，其目的是解决以往所存在的问题。

技术方案：

基于同位素示踪技术测抽水蓄能电站地下厂房渗水来源法，其特征在于：该方法根据地下厂房和上水库的总体结构，对地下厂房量水堰、入库水、上库绕坝渗流、地下水、缓坡处及库周的水样进行采集，采样点分布于缓坡处、入库处、库井水处以及绕坝处，采样工作持续约一年共采集水样314组，根据对水样中各采样点氡同位素含量的测定结果，采样前后的氡含量存在较大的差距，因此把测定结果分为两部分进行分析；另外在对水样中氡同位素分析的同时，水样中的氢氧同位素、氯离子、硫酸根离子、硝酸根离子浓度也进行相关分析，其中氯离子、硫酸根离子、硝酸根离子浓度的检测成果截止到半年的时间点，为了更全面的评价渗水来源，一并对以上内容进行分析。

绕坝处为多点，均匀的分布。

(1)氡同位素含量分析

先采集水样199组，量水堰的采样点定义为测点cwe01、cwe04、cwe07、cwe08、cwe09，绕坝渗流采样点定义为为测点hup04、hup06、hup10；对上述199组水样中的氡同位素含量进行测定，

分析氡同位素含量检测结果，看是否有氡同位素含量明显高于其他取样点含量的存在，计算各点氡同位素含量及平均值，然后分析这个平均值是否是受上水库坝体渗流影响所致；

，对量水堰内氡同位素含量与上库水中氡同位素含量进行比对，看5个量水堰与库水中的氡同位素含量年变化趋势是否基本保持一致，在同位素含量检测的同时，对各监测点的水位同时做了相关记录，

水温监测为同位素检测提供辅助，水温测量数据的温度的总体变化趋势能从侧面反映渗径关系；相对于库水温度，如果量水堰cwe01在温度测值和变化规律上都有一致性，说明cwe01收集的漏氡水量中，某个区域与上游水库存在渗流通道；其余四个量水堰水温测值与库水差别较大，并且年变化量不大，这种现象并不能代表厂房漏水的源头不是上游水库，受渗流途径的影响，水流在汇集至量水堰时温度可产生变化；

地下厂房的渗漏来源包括地下水和地表水，通过前期各监测点水中氡同位素检测结果分析，认为量水堰水样中氡含量与入库处、缓坡处氡含量在分布范围和变化趋势上是否基本吻合，而库井水内氡含量是否远大于量水堰，另外，温度监测结果显示，量水堰cwe01与库水位温度变化是否一致性好，测值大小是否接近；因此判断在此时段内厂房岩体的渗漏水是否主要来自地表水，地下水对渗漏来源的补给是否明显；

(2)氯离子、硫酸根离子、硝酸根离子浓度分析

根据监测成果统计，确定量水堰氯离子浓度以及地表水氯离子浓度；地下水氯离子浓度是否明显比量水堰和地表水低；然后统计量水堰硫酸根离子浓度范围以及地表水硫酸根离子浓度，地表水硫酸根离子浓度波动相对量水堰是否较小；再确定地下水硫酸根离子浓度；再确定量水堰硝酸根离子浓度以及地表水硝酸根离子浓度，地表水硝酸根离子浓度与量水堰离子浓度范围是否重叠；再确定地下水最大硝酸根离子浓度l；

对前期水样中氯离子、硫酸根离子及硝酸根离子浓度分析过程如下：

(1)量水堰和地表水水样中三种离子浓度在监测时段内变异性大小，测值有没有发生较大突变，以便说明整个采样阶段量水堰及地表水水质是否相对稳定，受外界干扰大小，而如果地下水中三种离子浓度含量测定结果稳定性差，可能是由于人类活动影响或是之前的降水渗入土壤补给了地下水；

(2)两处地表水取样点，即入库处和缓坡处所监测阴离子浓度时间变化曲线是否相互重叠，氯离子浓度mann-whitneyu检验如果p＝0.815>0.05，说明两处水体没有显著区别，水体在两采样点间运移时受外界影响较小；地下水三种离子浓度整体要远小于地表水，与地表水具有良好的区分度；

(3)采用mann-whitneyu方法检验，量水堰cwe01和cwe09中氯离子浓度与地表水离子浓度在统计学上有没有明显的差异性，以便表明cwe01和cwe09在采样时段内渗漏水是否几乎全是库水；采用同样的方法检测，发现其余量水堰是否有地下水的特征，以便表明cwe04、cwe07、cwe08渗水来源中是否包含地下水；

(3)整体分析：

根据对整个序列的统计，得到量水堰中氡含量的平均值，库井水平均值，约上水库入库水和缓坡处地表水氡含量平均值；

从氡含量比对上，确定库水是否为厂房渗漏的主要来；

另外，对水样中的氢氧同位素进行了相关检测，对检测结果进行分析：

(1)量水堰、绕坝渗流孔、地表水、库井水四种水样δ¹⁸o～δd的组成关系均与全球大气降水线和中国东北地区局地大气降水线相关性不显著，则表现为斜率和截距差异很大；四种水样中δ¹⁸o～δd的组成存在差异，斜率、截距的相对差值较为明显，具有区分性；

(3)如库井水中δ¹⁸o～δd组成变化较大，同位素组成散点分布范围最大，代表库井水中δ¹⁸o～δd组成的散点中有所有水体同位素组成散点的最大值点和最小值点；

(4)量水堰与库水的δ¹⁸o～δd组成具有很好的相似性，具体表现为量水堰水体的同位素组成近似位于库水的同位素组成线上，库井水(地下水)中同位素的组成与量水堰水体中同位素组成相对差异较大，表现为两者同位素组成线的斜率相对差异较大，说明地下厂房渗漏水主要来自于库水；

关于地下厂房渗漏水的来源，主要通过对量水堰、绕坝渗流、库井水(地下水)和入库出(地表水)以及缓坡处(地表水)水样中氡同位素含量进行了检测，同时附带对水样温度、氢氧同位素以及氯离子、硫酸根离子及硝酸根离子浓度进行了检测；氡同位素含量测定结果表明，2014年地表水与地下水氡同位素含量差别很大，量水堰氡含量与地表水含量相近，库水是厂房渗漏的主要来源；单方面从氡同位素含量综合测定结果分析，认为厂房渗漏水的来源中库水占有较大比例，地下水的补给作用不能忽视；

氯离子、硫酸根离子及硝酸根离子浓度测定结果分析在上半年时段内渗漏水是否基本上来自库水，其余量水堰内是否发现有地下水特征；氢氧同位素检测结果显示，量水堰与库水水样中的δ¹⁸o～δd组成是否具有很好的相似性，库井水(地下水)中同位素的组成与量水堰水体中同位素组成相对差异是否较大，以便说明地下厂房渗漏水是否主要来自于库水。

优点效果：

地下工程的防渗有其自身的特点，渗水来源的多元化增加了结构防渗的难度，对于抽水蓄能电站地下厂房洞室群而言，一般认为地下水和上水库水是主要的补给，并且还需要考虑雨水深入和压力钢管漏水等多方面的影响。通过上文对实测漏水量的分析认为，目前的总体漏水量直观来看虽然偏大，但基本上在设计标准之内，在渗流场不再改变的前提下，现水平下的渗漏量是可以接受的。但基于蒲石河电站竣工运行时间较短，渗流场是否已经完全稳定目前还不是十分清晰，而明确渗漏水的主要来源一方面能了解正常运行中漏水状况，另一方面若发生漏量突然增大的情况，可以及时、准确的采取渗控措施。

结合相关工程渗漏分析结果，认为蒲石河厂房外围排水廊道渗水有三种来源：一是地下水，二是库水，三是雨水入渗。但由于地下洞室及排水廊道上覆的山体雄厚，面积分布较大，且水源供给多样，因此采用平常的手段很难对渗水来源及来源比例进行精准的分析。大坝渗漏探测是水利工程隐患调查中的一个重要内容，将环境同位素分析方法应用于大坝渗漏来源的调查是核技术在水利工程中的推广与应用。利用水的同位素分馏原理调查水的补给来源，区分渗漏水中不同来源地下水的组成，对于准确地了解大坝的渗流场、确定是否存在绕坝渗漏通道将起到了关键性的作用。

附图说明：

图1为采样点位置；

图2为同位素含量测定柱状图；

图3为各点氡同位素含量年变化值比对表；

图4为水温监测过程线；

图5为氯离子浓度变化过程；

图6为硫酸根离子浓度变化过程；

图7为硝酸根离子浓度变化过程；

图8为氡同位素含量测值过程线；

图9为水体氢氧同位素组成关系图。

具体实施方式：

研究地下厂房不同季节渗漏量变化的影响因素，确定不同季节下，各种渗水所占比例，总结渗水的规律性变化，提出一套标本兼治的防渗处理措施，达到解决地下厂房渗漏的目的。

(1)通过现场试验，准确查找到蒲石河抽水蓄能电站地下厂房的渗漏来源。

(2)结合近些年的渗流监测资料与现场试验成果，区分主要渗水来源，研究渗水变化规律；

(3)通过对渗水变化规律的分析研究渗漏产生的原因并对目前渗漏情况对厂房安全影响进行评价分析；

(4)对渗漏源和厂房渗漏出水点处均提出行之有效的防渗处理方案。

(5)为今后解决类似工程问题提供参考依据。

1.1主要技术内容

1.1.1地下厂房渗水变化规律分析及对厂房安全影响评价

1.1.2利用氢氧稳定同位素示踪地下厂房渗水来源

1.1.3基于同位素水文平衡辨析地下厂房不同渗水来源水量比例,同位素水文平衡基本方程的数值化

1.1.4地下厂房渗水主要来源防渗措施及方案制定

1.2主要技术难点

1.2.1氢氧稳定同位素季节变化和分布对示踪的制约和影响

库中不同深度的氢氧同位素浓度是有变化的，同位素在不同季节受到不同气象因子的制约作用，也会导致其浓度的变化。这些条件的制约作用给测量的精确度和准确性提出了要求，我们需要在不同季节和不同深度合理设置采样点，对水库、存在补给关系的河流、地下水进行监测。

1.2.2同位素水文平衡基本方程的数值化

地下厂房的渗水导致该库呈渗漏型湖塘，对渗漏型湖塘的同位素演变关系理论研究相对较少，需要参考其他模型进行综合简化，因此，同位素水文平衡方程的建立需要进行大量的试验模拟和分析，建立同位素含量与库容的关系曲线，并拟合出效果最优的平衡方程。

1.2.3地下厂房不同渗水来源水量比例辨析及防渗措施研究，根据蒲石河地下厂房和上水库的总体结构，对地下厂房量水堰、入库水、上库绕坝渗流、地下水、缓坡处及库周的水样进行采集，采样点位置见图1所示。江苏河海工程技术有限公司采样工作从2014年8月26日开始，截止到2015年6月15日共采集水样314组。根据对水样中各采样点氡同位素含量的测定结果，2015年前后的氡含量存在较大的差距，因此把测定结果分为两部分进行分析。另外在对水样中氡同位素分析的同时，水样中的氢氧同位素、氯离子、硫酸根离子、硝酸根离子浓度也进行了相关分析，其中氯离子、硫酸根离子、硝酸根离子浓度的检测成果截止到2014年12月份，为了更全面的评价渗水来源，一并对以上内容进行分析。

5.12014年检测结果分析

(1)氡同位素含量分析

2014年8月26日至12月23日期间共采集水样199组，量水堰的采样点为测点cwe01、cwe04、cwe07、cwe08、cwe09，绕坝渗流采样点为测点hup04、hup06、hup10。对上述199组水样中的氡同位素含量进行测定，检测结果见图2所示。

分析氡同位素含量检测结果，通过图2直观上看，hup04和hup06以及库井水氡同位素含量明显高于其他取样点含量。表5.1-1为各采样点检测氡含量平均值，根据计算，量水堰水样中氡同位素含量基本在20000bq/m³以内，平均值为1177.32bq/m³，入库水流中含量平均值为1566.02bq/m³，两者较为相近。另外绕坝渗流hup09和hup10含量平均值分别为2696.68bq/m³和1218.88bq/m³，相比hup04和hup06来说，hup09和hup10这两处的氡同位素含量与量水堰相近，这可能是受上水库坝体渗流影响所致。

表5.1-1氡同位素含量平均值单位：bq/m³

为了进一步分析厂房内渗漏水与库水间的关系，对量水堰内氡同位素含量与上库水中氡同位素含量进行比对，2014年检测含量值变化情况见图3所示。可以看出5个量水堰与库水中的氡同位素含量年变化趋势基本保持一致，两个绕坝渗流监测量中，hup10的变化规律与量水堰更为切合。在同位素含量检测的同时，对各监测点的水位同时做了相关记录，其测值过程变化情况见图4所示。

水温监测为同位素检测提供辅助，水温测量数据虽然不能得出精确的判断，但温度的总体变化趋势能从侧面反映渗径关系。图4中，相对于库水温度，量水堰cwe01在温度测值和变化规律上都有一致性，说明cwe01收集的漏氡水量中，某个区域与上游水库存在渗流通道。其余四个量水堰水温测值与库水差别较大，并且年变化量不大，这种现象并不能代表厂房漏水的源头不是上游水库，受渗流途径的影响，水流在汇集至量水堰时温度可产生变化。

地下厂房的渗漏来源包括地下水和地表水，通过对2014年各监测点水中氡同位素检测结果分析，认为量水堰水样中氡含量与入库处、缓坡处氡含量在分布范围和变化趋势上基本吻合，而库井水内氡含量远大于量水堰。另外，温度监测结果显示，量水堰cwe01与库水位温度变化一致性好，测值大小接近。因此判断在此时段内厂房岩体的渗漏水主要来自地表水，地下水对渗漏来源的补给不明显。

(2)氯离子、硫酸根离子、硝酸根离子浓度分析

2014年8月15日至2014年12月1日采样点水样中氯离子、硫酸根离子及硝酸根离子浓度进行了检测，各采样点以上三种离子浓度变化情况如图5、图6、图7所示。

根据监测成果统计，量水堰氯离子浓度在4.42～8.33mg/l之间；地表水氯离子浓度在5.48～8.30mg/l内；地下水氯离子浓度明显比量水堰和地表水低，10月27日所采水样氯离子浓度高达13.22mg/l。量水堰硫酸根离子浓度范围在30.98～76.03mg/l之间；地表水硫酸根离子浓度在41.99～72.05mg/l内，浓度波动相对量水堰较小；地下水硫酸根离子浓度最大仅为6.06mg/l。量水堰硝酸根离子浓度在0.49～2.57mg/l内；地表水硝酸根离子浓度在1.68～2.81mg/l之间，与量水堰离子浓度范围基本重叠；地下水最大硝酸根离子浓度为0.91mg/l。

对2014年水样中氯离子、硫酸根离子及硝酸根离子浓度分析结果总结如下：

(1)量水堰和地表水水样中三种离子浓度在监测时段内变异性小，测值没有发生较大突变，说明整个采样阶段量水堰及地表水水质相对稳定，受外界干扰较小。而地下水中三种离子浓度含量测定结果稳定性差，可能是由于人类活动影响或是之前的降水渗入土壤补给了地下水。

(2)两处地表水取样点(入库处和缓坡处)所监测阴离子浓度时间变化曲线相互重叠，氯离子浓度mann-whitneyu检验p＝0.815>0.05，说明两处水体没有显著区别，水体在两采样点间运移时受外界影响较小。地下水三种离子浓度整体要远小于地表水，与地表水具有良好的区分度。

(3)采用mann-whitneyu方法检验，量水堰cwe01和cwe09中氯离子浓度与地表水离子浓度在统计学上没有明显的差异性，表明cwe01和cwe09在采样时段内渗漏水几乎全是库水。采用同样的方法检测，发现其余量水堰均有地下水的特征，表明cwe04、cwe07、cwe08渗水来源中包含地下水。

5.2整体分析

2015年水样检测分析结果截止到6月份，2014年至2015年全序列的检测结果见图8所示。根据对整个序列的统计，量水堰中氡含量的平均值为1634bq/m³，库井水平均值49979bq/m³，约为量水堰水样中氡活度的23倍，上水库入库水和缓坡处地表水氡含量平均值为3575bq/m³。

2014年10月之前，地下水(库井水)氡含量基本上接近了地表水(库水)水平，10月份之后库井水氡含量测定量出现陡增，而量水堰和入库出以及缓坡处水样测定含量没有出现较大幅度的变化，因此从氡含量比对上，认为库水是厂房渗漏的主要来源。2015年测定结果表明，四种水样的氡含量均有不同程度的增加，特别是cwe07和cwe09增长到与库井水相近的水平，并且库井水测定结果变化规律与其余测点基本相同，因此2015年的水样检测结果中地下水对厂房渗漏来源的补给系数增大。

另外，对水样中的氢氧同位素进行了相关检测，测试结果见图9所示。通过对检测结果的分析认为：

(1)量水堰、绕坝渗流孔、地表水、库井水四种水样δ¹⁸o～δd的组成关系均与全球大气降水线和中国东北地区局地大气降水线相关性不显著，表现为斜率和截距差异很大。四种水样中δ¹⁸o～δd的组成存在差异，斜率、截距的相对差值较为明显，具有区分性。

(3)库井水中δ¹⁸o～δd组成变化较大，同位素组成散点分布范围最大，图中可以看出代表库井水中δ¹⁸o～δd组成的散点中有所有水体同位素组成散点的最大值点和最小值点。

(4)量水堰与库水的δ¹⁸o～δd组成具有很好的相似性，具体表现为量水堰水体的同位素组成近似位于库水的同位素组成线上，库井水(地下水)中同位素的组成与量水堰水体中同位素组成相对差异较大，表现为两者同位素组成线的斜率相对差异较大，说明地下厂房渗漏水主要来自于库水。

小结

关于地下厂房渗漏水的来源，主要通过对量水堰、绕坝渗流、库井水(地下水)和入库出(地表水)以及缓坡处(地表水)水样中氡同位素含量进行了检测，同时附带对水样温度、氢氧同位素以及氯离子、硫酸根离子及硝酸根离子浓度进行了检测。氡同位素含量测定结果表明，2014年地表水与地下水氡同位素含量差别很大，量水堰氡含量与地表水含量相近，库水是厂房渗漏的主要来源。单方面从氡同位素含量2014年和2015年综合测定结果分析，认为厂房渗漏水的来源中库水占有较大比例，地下水的补给作用不能忽视。

氯离子、硫酸根离子及硝酸根离子浓度测定结果表明，在2014年时段内cwe01和cwe09渗漏水基本上来自库水，其余量水堰内发现有地下水特征。氢氧同位素检测结果显示，量水堰与库水水样中的δ¹⁸o～δd组成具有很好的相似性，库井水(地下水)中同位素的组成与量水堰水体中同位素组成相对差异较大，说明地下厂房渗漏水主要来自于库水。

综上分析认为，地下厂房渗漏水的主要来源为库水，同时个别量水堰中出现地下水的特征，表明地下水对厂房的渗漏同样有一定的补给作用。