用氡-222评价蒲石河抽水蓄能电站的地下厂房渗漏水来源

郭红永，刘　学，万程炜，王培杰，戴增辉，钱睿智

(1.辽宁蒲石河抽水蓄能有限公司，辽宁丹东118216；2.河海大学，

江苏南京211100；3.江苏河海工程技术有限公司，江苏南京211100；

4.江苏省水文水资源勘测局扬州分局，江苏扬州225000)



用氡-222评价蒲石河抽水蓄能电站的地下厂房渗漏水来源

郭红永1，刘学2，万程炜2，王培杰1，戴增辉3，钱睿智4

(1.辽宁蒲石河抽水蓄能有限公司，辽宁丹东118216；2.河海大学，

江苏南京211100；3.江苏河海工程技术有限公司，江苏南京211100；

4.江苏省水文水资源勘测局扬州分局，江苏扬州225000)

摘要：使用同位素氡-222((222)Rn)示踪技术分析蒲石河抽水蓄能电站地下厂房渗漏水来源。从2013年9月～2013年12月一共测量了取自绕坝渗流检测孔、地下水、水库库水以及地下厂房渗漏水共计199个样品。测量结果显示，地下厂房渗漏水、地下水以及水库库水中的(222)Rn活度平均值分别为1 634.2、37 887.3 Bq/m3和2 343.7 Bq/m3。地下厂房渗漏水体中氡-222活度值(1 634.2 Bq/m3)与水库库水(2 343.7 Bq/m3)具有相似性，这说明水库渗流水是地下厂房渗漏水的主要补给源。

关键词：地下厂房；渗漏水补给源；地下水；氡-222；蒲石河抽水蓄能电站

0引言

近年来，抽水蓄能电站地下厂房的渗漏水分析已经成为水工建筑渗水问题研究热点，这是因为一方面渗漏水问题具有普遍性，全国约有20%～30%的水库大坝存在不同程度的渗漏问题[1]；另一方面渗漏水问题具有危害性，汇集到地下厂房的渗漏水给厂房的排水系统造成负担并给电站安全生产带来隐患，渗漏水的长期作用也会给建筑、围岩带来损害。

目前普遍使用的渗漏水来源示踪法主要分为温度示踪法、流场法、自然电场法、同位素示踪法、水化学法等五类[2]，其中同位素示踪法被认为是最有潜力的方法。同位素示踪法是基于地下水中某些化学物质与地表水中的含量存在明显差异，进而分析渗漏水来源，较为理想的示踪剂是铀-钍衰变系列的放射性同位素，包括223Ra、224Ra、226Ra、228Ra[3- 4]和222Rn[5- 6]。222Rn作为分析渗漏水来源的示踪剂具有以下优点：①它是一种惰性气体，具有化学保守性；②其活度在地下水中要比地表水( 海水、河水等)中高很多，一般在100 倍以上；③低活度时易于测量[7]；④是水体中固有的天然示踪剂，无需另外投放，环保便捷。自1996年Burnett 等[5]将222Rn 用于海底地下水排泄(SGD)研究以来，国际上已有许多关于采用222Rn 示踪技术评价SGD的报道，但在国内尚不多见。

目前，国际上测量水体中222Rn 活度常用的仪器是Durridge 公司生产的测氡仪( RAD7)。测氡仪与配件RAD-H2O一起使用，可以分散取样研究222Rn活度的分布；与配件RAD-AQUA一起使用，可以连续测量水体中的222Rn活度。

1研究区概况

蒲石河抽水蓄能电站位于辽宁省宽甸县境内的鸭绿江支流蒲石河下游河段上，距丹东市约40 km。蒲石河抽水蓄能电站总装机容量1 200 MW，共安装4 台单机容量为300 MW 的立轴可逆混流式抽水蓄能机组，电站年平均发电量18.6 亿kW·h，年发电小时数1 550 h。年均抽水用电量24.09 亿kW·h，抽水小时数2 008 h，综合效率77.2%。工程枢纽主要由上水库、下水库、地下厂房、输水系统及地面开关站等建筑物组成。上水库挡水建筑物为钢筋混凝土面板堆石坝，坝顶长714 m，最大坝高78.5 m。上水库总库容1 351 万m3，有效库容102 万m3。正常蓄水位392 m，死水位360 m[8]。

2研究方法

2.1取样与试验方法

地下厂房渗漏水的补给源存在天然降雨补给、河水补给和引水系统漏水补给[9]三种可能。关于天然降水补给的可能，蒲石河抽水蓄能电站所处的辽宁丹东市降水量较多，是东北地区降水量最多区，占辽宁省降水量70%，年平均降水量为881.3～1 087.5 mm，全年降水量的2/3集中在夏季，其中七月中旬至八月中旬是该区暴雨集中期，而地下厂房顶层廊道总渗流量监测显示，最大渗漏水量发生在2月～4月(见图1)，即蒲石河流域的枯水期，在7月～8月流域汛期地下厂房渗漏水流量反而最小，渗漏水流量变化的这种特性反应出渗漏水不受地区降水变化影响，降水不是渗漏水补给源。

图1　厂房顶层廊道总渗流过程曲线

地下厂房渗漏水流量变化与气温升降存在明显的负相关关系。上水库为天然库盆，库盆岸坡外渗水量较小，库周岸坡未作铺盖防渗层，因此考虑存在上水库水补给地下厂房渗漏水的可能性，即因岩体热胀冷缩效应随气温的升高，渗漏路径缝隙增大进而导致地下厂房渗漏水流量增大。但关于上水库水对地下厂房渗漏水的补给关系，到目前为止仍停留在上述定性分析层面。为在理论上取得确定的结论，进行了分散取样采集厂房渗漏出水以及可能水源水样：每周采集一次地下厂房排水廊道量水堰中的渗漏水，绕坝渗流监测孔KUP04、KUP06、KUP09、KUP10中水样，地下水以及上库进出水口、缓坡处水样，共采集199个样品，采样点布置见图2。采样时，对于地下水(如绕坝渗流监测孔水样、地下水水样)使用250 mLPVC采样瓶，利用溢流法将其注满，迅速盖好瓶塞防止与空气接触，水样采集后，送回实验室测量222Rn活度。对于地表水水样(如量水堰水样、上水库进出水口及缓坡处水样)使用RAD7与配件RAD-AQUA一起使用，连续测量水体中的222Rn活度。

图2　蒲石河抽水蓄能电站上水库及采样点布置

2.2利用氡气分散取样测量评价地下厂房渗漏水来源

(1)将分散取样测量得到的水样中222Rn测量值与水温、采样时间、地点数据制成表格保存。

(2)222Rn活度修正。因为采样与测量之间存在时间差，利用RAD7测氡仪使用说明中的衰变修正方法进行修正。具体步骤为：计算出采样至测量之间的衰变时间T(精确到小时即可)，衰变修正因素(DCF)为eT/132.4(e为自然常数)[10]，将测量值乘以衰变修正因素(DCF)即得到采样时222Rn活度。

(3)根据222Rn活度在地下水中要比地表水( 海水、河水等)中高很多(一般为100倍以上)，低活度时也易于测量的性质，将修正后的各水样中222Rn活度汇总比较，作为判断渗漏水来源提供依据。

3 结果与讨论

3.1氡的活度

从2014年8月26日到2014年12月23日，一共测量蒲石河抽水蓄能电站地下厂房量水堰、绕坝渗流孔、入库水、库井水、缓坡处、库周等测点的199个水样中的222Rn活度，结果如图3所示。从图3可以看出，量水堰(1、4、7、8、9号)中地下厂房渗漏水中222Rn活度在402.8～2 000.0 Bq/m3之间变化，均值为1 634.2 Bq/m3；库井水代表了库区地下水，222Rn活度变化于10 000.0～60 000.0 Bq/m3，均值为37 887.3 Bq/m3，约为量水堰水样中222Rn活度的23倍，这与地下水中222Rn活度普遍较高的传统看法是一致的。上水库进出水口和缓坡处代表了上水库库水，水样中的222Rn活度变化范围为427.4～6 344 Bq/m3，均值为2 343.7 Bq/m3。

图3　实验期间各测点水样222Rn活度

3.2氡的活度分析

图3中各测点的222Rn活度值折线可以较好地反映各水源采集水样中222Rn活度分布及变化情况，可以明显看出，代表量水堰1、4、7、8、9号水样中222Rn活度的折线基本与代表库水的入库处、缓坡处线条的分布范围以及变化最为吻合；库井水222Rn活度值线与图中其他折线均不相似，活度值分布范围在10月后由之前的0～20 000 Bq/m3陡增至50 000～60 000 Bq/m3，之前提到蒲石河地区全年2/3的降水集中在夏季，7月中旬至8月中旬是该区暴雨集中期，所以进入10月以后，天然降水变得稀少，从而对于地下水的补给减少，而天然降水中几乎不含222Rn，因此天然降水通过下渗补给对于地下水中222Rn活度的“稀释作用”大幅降低，从而引起了库井水222Rn活度值明显增大；至于变化节点10月与暴雨季结束有一定时间差则是因为天然降水下渗补给地下水过程比地表径流慢；并且这一变化也说明在10月以后的试验中，库井水受到天然降水等外界因素影响最小，这段时间内地下厂房渗漏水总量也开始增大(见图1)，样本对于整体的代表性最佳，各水样对于可能的渗漏水补给源都具有很好的代表意义。

4结论

222Rn是理想的示踪剂，因为它具有化学保守性且容易测量，在地下水中浓度比地表水高出数十倍。渗漏水的补给源可以通过分散采样测得可能的补给源水样222Rn活度，通过比较分析来评价。应用该技术较为关键的是分散取样时采集的水样要尽可能少与空气长时间接触，否则会导致222Rn的逸散，造成测量结果发生较大的误差。

通过9月～12月采样与测量，得到了地下厂房渗漏水中222Rn活度值均值为1 634.2 Bq/m3，以及可能渗漏水补给源水源222Rn活度值情况：地下水均值37 887.3 Bq/m3，上水库库水均值为2 343.7 Bq/m3，基于此可推断出地下厂房渗漏水补给源主要为上水库渗漏水，蒲石河上水库面板坝所处的严酷气候条件(多年最冷月平均气温-12.8℃)，加之抽水蓄能电站特点，上水库水位日最大消落深度为32 m，这对垫层料排水提出了较高要求。寒冷地区面板堆石坝面板表面止水的嵌缝材料及其保护层，冬季在冰冻作用下易遭破坏，进而导致面层止水失效[11]，因为热胀冷缩的效应使缝隙变大，从而造成蒲石河抽水蓄能电站地下厂房流量与温度呈负相关的渗漏水现象。

针对蒲石河抽水蓄能电站地下厂房渗漏水现象开展的222Rn同位素专项调查结果，从理论上确定了渗漏水的来源，结论与实际情况相符，为今后查明具体的渗漏路径以及采取针对性解决渗漏水措施提供了科学理论依据和数据支持。

参考文献：

[1]杜国平， 陈建生， 陈亮. 同位素示踪技术探测水库渗漏路径[J]. 江苏农业学报， 1998， 14(1)： 56- 59．

[2]姚纪华， 宋汉周， 罗仕军，等. 综合示踪法在岩溶水库渗漏探测中的应用[J]. 工程勘察， 2014(5)： 93- 98

[3]HWANG D W， KIM G， LEE Y W， et al. Estimating submarine inputs of groundwater and nutrients to a coastal bay using radium isotopes[J]. Marine Chemistry， 2005， 96(8)： 61- 71．

[4]LEE Y W， KIM G. Linking groundwater borne nutrients and dinoflagellate red tide outbreaks in the southern sea of Korea using a Ra tracer[J]. Estuarine， Coastal and Shelf Science， 2007， 71(1)： 309- 317．

[5]CABLE J E， BURNETT W C， CHANTON J P， et al. Estimating groundwater discharge into the northeastern Gulf of Mexico using radon- 222[J]. Earth and Planetary Science Letters， 1996， 144(11)： 591- 604．

[6]BURNETT W C， DULAIOVA H. Estimating the dynamics of groundwater input into the coastal zone via continuous radon- 222 measurements[J]. Journal of Environmental Radioactivity， 2003， 69(1/2)： 21- 35．

[7]郭占荣， 李开培， 袁晓婕. 用氡- 222 评价五缘湾的地下水输入[J]. 水科学进展， 2013， 23(2)： 263- 270

[8]张泽明. 辽宁蒲石河抽水蓄能电站工程建设管理综述[J]. 水力发电， 2012， 38(5)： 1- 3， 27

[9]欧先进， 郑文正. 太平驿水电站地下厂房渗漏水成因分析及处理方案[J]. 水电站设计， 1995， 11(3)： 56- 59．

[10]郭占荣， 黄磊， 刘花台， 等. 镭同位素示踪隆教湾的海底地下水排泄[J]. 地球学报， 2008， 29(5)： 647- 652.

[11]王进平. 蒲石河抽水蓄能电站上水库面板施工影响混凝土裂缝因素分析及控制对策[C]//抽水蓄能电站工程建设文集， 2009．

(责任编辑焦雪梅)

Assessment on Underground Powerhouse Leakage Water Source of Pushihe Pumped-storage Power Station by Using Radon-222

GUO Hongyong1, LIU Xue2, WAN Chengwei2, WANG Peijie1, DAI Zenghui3, QIAN Ruizhi4

(1. Liaoning Pushihe Pumped Storage Power Station Co., Ltd., Dandong 118216, Liaoning, China; 2. Hohai University,Nanjing 211100, Jiangsu, China; 3. Jiangsu Hehai Engineering Technology Co., Ltd., Nanjing 211100, Jiangsu, China;4. Yangzhou Branch of Jiangsu Provincial Hydrology and Water Resources Survey Bureau, Yangzhou 225000, Jiangsu, China)

Abstract:The leakage water in Pushihe Pumped-storage Power Station is assessed by using radon-222 ((222)Rn). A total of 199 water samples have been measured for (222)Rn concentration from September, 2013 to December, 2013 which covers seepage around the reservoir, groundwater in mountain, reservoir water and seepage water in underground powerhouse. The results show that the (222)Rn activities of underground powerhouse leakage water, groundwater in mountain and reservoir water are 1 634.2 Bq/m3, 37 887.3 Bq/m3 and 2 343.7 Bq/m3 respectively. The leakage in underground powerhouse has similar radon-222 concentration as reservoir water, it indicates that the reservoir seepage into underground is the main source for leakage in underground powerhouse．

Key Words:underground powerhouse; leakage water source; groundwater; Radon-222; Pushihe Pumped-storage Power Station

中图分类号：TV731.6(231)

文献标识码：B

文章编号：0559- 9342(2016)01- 0034- 03

作者简介：郭红永(1987—)，男，河南新乡人，助理工程师，主要从事水工建筑物管理工作．

收稿日期：2015- 04- 17