綜合物探法在西部某水庫滲漏檢測的應(yīng)用實(shí)踐

李　萌，黃　昊，呂小彬，鄭亞平（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京，100038；2.北京中水科海利工程技術(shù)有限公司，北京，100038）

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綜合物探法在西部某水庫滲漏檢測的應(yīng)用實(shí)踐

李萌1，2，黃昊1，2，呂小彬1，2，鄭亞平1，2
（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京，100038；2.北京中水科海利工程技術(shù)有限公司，北京，100038）

受防滲體系設(shè)計(jì)和施工工藝制約，西部地區(qū)某平原水庫在蓄水運(yùn)行后即發(fā)生了滲漏現(xiàn)象，影響水庫蓄水和下游工程設(shè)施安全。在調(diào)研原有設(shè)計(jì)施工資料，以及現(xiàn)場滲漏位置的基礎(chǔ)上，對該壩壩體和基礎(chǔ)等部位采用了高密度電法和探地雷達(dá)檢測地下水水位，并根據(jù)不同斷面的地下水位分布情況，分析壩基中的滲漏通道，為進(jìn)一步的防滲設(shè)計(jì)和施工提供了技術(shù)支撐。

水庫；滲漏；高密度電法；探地雷達(dá)

0　引言

由于先天的設(shè)計(jì)或施工缺陷、后期運(yùn)行管理?xiàng)l件改變，加上突發(fā)自然災(zāi)害的影響，水庫常出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，嚴(yán)重危害水庫大壩安全，已經(jīng)成為水利水電行業(yè)中面臨的突出問題。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，全國約5萬多座小型水庫大壩因建筑年代久遠(yuǎn)，存在不同程度的滲漏等安全隱患［1］。隨著水庫大壩運(yùn)行時(shí)間增加和對防汛抗洪能力要求提高，滲漏及其對大壩安全性的威脅越來越引起人們重視。

工程實(shí)踐中，許多水庫大壩工程雖經(jīng)歷多次處理，但收效甚微，其重要原因是對滲漏部位及滲漏原因認(rèn)識不清，因此迫切需要對滲漏開展現(xiàn)場檢測和識別。一般而言，水利水電工程中滲漏類型主要包括松散的層狀巖石滲漏、強(qiáng)透水層滲漏、斷層破碎及基巖裂隙滲漏、巖溶滲漏等，與周邊巖層或壩體部位相比，這些區(qū)域孔隙度大、透水性高，電性差異較大，存在較好的電磁波阻抗界面等特性。SL 55-2005《中小型水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》［2］中規(guī)定：“宜采用電法、地質(zhì)雷達(dá)、電磁波等物探方法探測壩體病害、喀斯特的空間分布、滲漏通道位置及埋藏深度”。目前用于水庫大壩滲漏檢測的物探方法主要有高密度電法、探地雷達(dá)、瞬變電磁法和面波法［3-6］，均形成了一定的研究成果，在工程實(shí)踐中也取得了較大的進(jìn)展。

1　工程情況

1.1基本情況

西部某水庫位于陰山山脈中低山區(qū)，河床高程1 267～1 345 m，地層巖性出露較簡單，主要分布有第四系松散層和華力西中晚期侵入巖層。該大壩為土石壩，長度為270 m，壩高8 m，壩頂寬4 m，迎水坡1∶2.5，背水坡1∶2.75，壩體設(shè)置土工膜進(jìn)行防滲，基礎(chǔ)采用灌漿和高噴防滲方式，壩腳設(shè)反濾體。壩體2014年建成蓄水后，大壩下游河床位置出現(xiàn)多處滲漏現(xiàn)象，嚴(yán)重危及下游工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民財(cái)產(chǎn)安全。

1.2現(xiàn)場滲漏部位分析

經(jīng)查閱地勘、設(shè)計(jì)和施工資料，該水庫滲漏的初步原因主要集中在兩方面：（1）壩體的防滲體系設(shè)計(jì)未形成封閉系統(tǒng)。左壩肩砂層覆蓋層較深，屬中等透水層，施工時(shí)由左壩端向左下游方向延伸，至沖溝處結(jié)束，防滲帷幕未與左岸相對不透水地層連接。右壩肩主要巖性屬中等透水層，但未進(jìn)行帷幕灌漿處理。壩基為中等透水層，分別采用了單管定噴方法和帷幕灌漿進(jìn)行了防滲處理，但部分區(qū)域采用單管高噴的防滲設(shè)計(jì)深度有限。（2）高噴灌漿施工工藝存在問題，未形成連續(xù)的防滲。在施工過程中高噴防滲墻采用單管定噴成墻，形成的墻幕較薄，而現(xiàn)場地下水位較高，且下游自然地形較低，地下水具有向下游流動(dòng)的可能，影響成墻效果，導(dǎo)致防滲效果較差。

1.3滲漏檢測方法選擇

盡管大壩滲漏隱患探測技術(shù)在工程實(shí)踐中已取得了較大的進(jìn)展［3-6］，但由于水庫壩體及基礎(chǔ)的滲漏缺陷性質(zhì)多變和尺寸細(xì)小，同時(shí)檢測成果非常容易受基礎(chǔ)地質(zhì)條件和壩體填筑材料、填筑密實(shí)度、含水率等影響，單一的物探評價(jià)可能產(chǎn)生較大誤差。

該土石壩壩高為8 m，覆蓋層處理最大深度為25 m，因此利用高密度電法和探地雷達(dá)綜合物探法進(jìn)行滲漏檢測可以滿足工程要求。該方法相對常規(guī)電法勘探具有采集數(shù)據(jù)量多、工作效率高、測點(diǎn)密度高、成本低、成果可視化好等優(yōu)點(diǎn)，在科研和實(shí)際生產(chǎn)中得到了較好的應(yīng)用。

2　高密度電法和探地雷達(dá)法滲漏綜合物探方法

2.1高密度電法

高密度電法原理和常規(guī)直流電法原理完全一致，是通過對人工電場的空間和時(shí)間分布特點(diǎn)，探測壩體及基礎(chǔ)與附近巖層的電性差異，確定地下水分布。當(dāng)壩體或基礎(chǔ)沒有發(fā)生滲漏時(shí)，其淺表部干燥密實(shí)、下部水分增加，電阻率等值線為層狀分布，由地表（壩頂）向下呈降低趨勢。當(dāng)壩體或基礎(chǔ)內(nèi)存在裂縫、滲漏通道隱患時(shí)，電阻率等值線梯度變化大，多則呈現(xiàn)異常閉合圖像。

高密度電法是在勘測線上安置數(shù)十至數(shù)百個(gè)電極，其中任兩個(gè)電極可用作供電電極A、B，而任兩個(gè)電極可用作測量電極M、N。當(dāng)M、N電極固定，供電電極AB相對MN逐次移動(dòng)，MN分別測量不同AB極距供電時(shí)的電位差，AB極距越大，勘探深度越大，計(jì)算出不同AB距的視電阻率值，也就得到了不同深度的視電阻率值，當(dāng)一個(gè)測點(diǎn)（MN）完成后，儀器自動(dòng)改變MN的位置，逐點(diǎn)完成整條測線的勘測，得到一幅地下視電阻率的分布圖，經(jīng)數(shù)據(jù)的反演計(jì)算，得到地下不同地層電阻率分布圖。

2.2探地雷達(dá)

探地雷達(dá)在地表上向壩體或地面發(fā)射10～10 000 MHz高頻電磁波，電磁波在穿過地下介質(zhì)時(shí)特性會(huì)發(fā)生變化，并反射到達(dá)地面。電磁波在壩體或基礎(chǔ)內(nèi)傳播過程中，材料和缺陷的介電常數(shù)、集合分布與路徑和電磁場強(qiáng)度有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，根據(jù)接收的波信號時(shí)延、形狀及頻譜等參數(shù)，可以分析出滲漏的深度、部位及性質(zhì)。發(fā)射天線和接收天線在地面上同時(shí)移動(dòng)，可得到一條雷達(dá)斷面圖，從而達(dá)到檢測目的。當(dāng)壩體防滲物質(zhì)物性均一時(shí)，雷達(dá)反射波很弱，反射波同相軸連續(xù)，頻率均一。當(dāng)壩體發(fā)生局部滲漏時(shí)，滲漏位置介質(zhì)含水量增大，電導(dǎo)率增大，雷達(dá)波衰減增強(qiáng)，產(chǎn)生明顯界面，雷達(dá)圖像表現(xiàn)低頻高強(qiáng)度反射信號，并有較強(qiáng)的多次反射。

3　現(xiàn)場滲漏檢測成果

3.1現(xiàn)場滲漏檢測布置

對壩體基礎(chǔ)及左右壩肩等可能出現(xiàn)滲漏的部位進(jìn)行了現(xiàn)場滲漏檢測，測線布置如圖1所示。

3.2滲漏檢測成果

圖2為高密度電法的檢測成果，可以發(fā)現(xiàn)壩基存在3處與壩體及壩基其他部分相比電阻率顯著偏低的區(qū)域，該位置壩基土層含水量明顯偏大。第一處位于右岸壩肩，水平位置在樁號-30～-40 m之間，地面以下9～14 m，與其他兩處相比范圍較小，電阻率約為10～15 Ω·m，此處存在壩肩繞滲的可能性較大；第二處位于河床，水平位置樁號50～75 m之間，壩頂面以下9～16 m，電阻率范圍7～15 Ω·m，比第一處的電阻率值要低，此位置對應(yīng)的下游坡腳反濾層處存在明顯滲漏水流，從表觀上看，這是整個(gè)基礎(chǔ)滲漏最嚴(yán)重的地方；第三處范圍最大，水平位置樁號100～240 m之間，基本在壩頂面以下9～16 m，在樁號210～240 m之間深度更深，超過24 m（儀器設(shè)定的檢測深度），電阻率在6～15 Ω·m，在樁號130～200 m之間電阻率最小，判斷此處也是壩基內(nèi)一處主要滲漏通道。

圖1　現(xiàn)場滲漏檢測布置示意圖Fig.1 Layout of seepage detection line

圖2　高密度電法測線推斷含水層斷面圖Fig.2 Aquifer sectional drawing inferred by high density resistivity method

在下游壩坡上布置的高密度電法測線2因檢測范圍原因，未能包含壩頂測線所顯示的右岸壩肩低電阻率區(qū)域。測線2探測到壩基兩處低電阻率區(qū)域，與壩頂測線的檢測結(jié)果（電阻率值及低電阻率區(qū)域的水平和垂直位置）基本相同，兩條測線檢測結(jié)果重復(fù)性好，從一個(gè)側(cè)面說明了高密度電法檢測的可靠性。

探地雷達(dá)在壩體及兩側(cè)布置了5條測線，其檢測結(jié)果盡管不如高密度電法直觀，但也能反映出含水層頂面的連續(xù)強(qiáng)反射信號，位置基本與高密度電法結(jié)果相同。04測線位于壩體頂面，測線長度270 m，測線兩端點(diǎn)（即壩體端點(diǎn)）在約8 m深度處有一連續(xù)的強(qiáng)反射界面，推測是壩體底界面。在測線50 m處的強(qiáng)信號，是泄洪洞引起。測線85～220 m，8 m深度以下，反射信號明顯增強(qiáng)，推測為含水層引起。03測線位于壩體南端的山坡上，長度40 m，雷達(dá)在水平方向沒有連續(xù)的反射信號，說明沒有分層界面，深度方向上的局部強(qiáng)信號解釋為基巖中裂隙或不均勻體引起。05測線位于壩體北側(cè)，長度70 m，雷達(dá)在深度7.5 m有連續(xù)的反射，為較松散覆蓋層厚度。07測線雷達(dá)位于壩腳碎石平臺上，測線上標(biāo)注的水平距離與04測線對應(yīng)，在約2 m深度有一連續(xù)強(qiáng)反射信號，推測為含水層頂面。

4　檢測結(jié)論

在綜合分析某水庫設(shè)計(jì)施工資料的基礎(chǔ)上，采用高密度電法和探地雷達(dá)綜合物探方法對水庫的滲漏狀況進(jìn)行了現(xiàn)場檢測，得到如下成果：

（1）高密度電法的檢測結(jié)果表明，在檢測范圍內(nèi)基巖、壩體和含水層具有明顯的電阻率差異，平行的兩條斷面結(jié)果具有可比性，探地雷達(dá)剖面與高密度電法給出的壩體厚度和含水層的特征是吻合的，說明基于高密度電法和探地雷達(dá)的綜合物探滲漏檢測方法得到的檢測結(jié)果可靠。

（2）探地雷達(dá)的檢測原理與高密度電法的原理不同，該方法不能有效甄別反射波和干擾波，且深層反射波能量較弱，反射波的連續(xù)性和形狀不明顯，盡管其檢測結(jié)果與高密度電法吻合，但其結(jié)果不如高密度電法直觀，須與其他物探方法和資料調(diào)研工作配合使用。

（3）該水庫壩基存在三處滲漏區(qū)域，即右側(cè)壩肩樁號-30～-40 m之間、地面以下9～14 m；水平位置樁號50～75 m之間、壩頂面以下9～16 m；以及樁號100～240 m之間，壩頂面以下9～16 m。其中樁號50～240 m之間、在壩基內(nèi)自壩頂以下9～16 m范圍內(nèi)基本形成了一整片的滲漏區(qū)域，基本覆蓋了出水口左側(cè)全部壩段的基礎(chǔ)，表明這個(gè)區(qū)段的防滲體系并未達(dá)到防滲效果。

5　結(jié)語

通過探地雷達(dá)法和高密度電法對某水庫壩體滲漏狀況進(jìn)行檢測，查明了滲漏位置、埋深和范圍。為確保水庫長期穩(wěn)定、安全運(yùn)行，對壩基進(jìn)行了防滲處理，效果良好。

探地雷達(dá)法和高密度電法相結(jié)合的綜合物探方法相互印證、相互補(bǔ)充，可以較好地解決土石壩滲漏位置及其影響范圍，為病險(xiǎn)水庫及大壩的后期處理提供理論數(shù)據(jù)及方案建議。滲漏探測工作對保證大壩安全運(yùn)行所起的作用日益明顯，越來越受到國內(nèi)外水利部門的重視，相信綜合物探方法必將在大壩隱患探測中發(fā)揮越來越大的作用。

［1］唐波，張莉萍，邱德俊，等.土壩滲漏探測方法探討［J］.資源環(huán)境與工程，2013，27（4）：557-559.

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作者郵箱：limeng@iwhr.com

Title:Application of comprehensive geophysical prospecting method on seepage detection of a reservoir in western China//by

LI Meng，HUANG Hao，LV Xiao-bin and ZHENG Ya-ping//China Institute of Water Resources and Hydropower Research

Due to the design and construction technology of seepage control system，seepage of a plain reservoir in western China occurred after the impounding.Based on the original design and construction data as well as the site seepage location，high density resistivity method and ground penetrating radar detection were used to detect the groundwater level.According to the distribution of the underground water level in different sections，the seepage channel in dam foundation was analyzed，which provided the technical support for the further design and construction of the seepage prevention.

reservoir；seepage；high density resistivity method；ground penetrating radar

TV698.1

B

1671-1092（2016）03-0069-04

2016-04-16

李 萌（1983-），男，河北滄州人，工程師，主要從事水工建筑物檢測評估及修補(bǔ)加固工程。