綜合物探在水庫滲漏探測中的應(yīng)用

姚紀華，羅仕軍，宋文杰，劉媛，趙文剛，呂慧珠

(1.湖南省水利水電科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007； 2.長沙縣重點工程管理局，湖南 長沙 410100； 3.湖南百舸水利建設(shè)股份有限公司，湖南 長沙 410007)

0 引言

運行期巖溶水庫常存在壩體、壩基或庫區(qū)滲漏問題。其中壩基和庫區(qū)滲漏多為巖溶或與斷層等共同作用的結(jié)果，而壩體滲漏多為填筑土局部或整體滲透系數(shù)較大所致，這些滲漏隱患和缺陷的存在和繼續(xù)發(fā)展常導(dǎo)致水庫大壩失穩(wěn)，甚至潰壩，造成巨大災(zāi)難。為此，許多學(xué)者在綜合物探法探測水庫壩體、壩基滲漏源[1-3]、滲漏通道[4]、缺陷[5-7]的理論和實踐運用研究。但由于巖溶發(fā)育的隨機性及壩體填筑土的不均勻性，導(dǎo)致庫壩區(qū)滲漏源、滲漏通道和缺陷的探測尤為復(fù)雜，因此，探索出一種準確率高、可操作性強的巖溶水庫滲漏探測的綜合物探法是十分必要和迫切的。

滲漏存在常引發(fā)場地物性特征變化和異常[8]，單一物探法受其本身局限性，揭露的場地物性特征常具局限性，致使水庫滲漏源、滲流通道位置等信息存在偏差或誤差。而綜合物探法可獲得多種物性探測成果，彼此驗證、相互補充，減少多解性，去偽求真，可較準確反演出庫壩區(qū)滲漏和缺陷發(fā)育特性。 本文通過深入分析多種物探法，并考慮到巖溶水庫滲漏源和滲流通道等探測的復(fù)雜性，綜合采用流場法、自然電場法、高密度電阻率法查明運行期某巖溶水庫某時期內(nèi)滲漏缺陷發(fā)育特征和原因。以期為類似工程滲漏、缺陷探測提供實踐經(jīng)驗。

1 工程概況

某水庫位于溆浦縣溆水支流，為巖溶水庫，水庫大壩為均質(zhì)壩，壩頂高程均為297.3 m，最大壩高20.9 m，壩頂軸線長150 m，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、養(yǎng)殖等綜合效益的重點中型水利工程。大壩及左岸庫區(qū)基巖為石炭系中上統(tǒng)婁山關(guān)群(∈2+3)白云質(zhì)灰?guī)r，巖溶相對不甚發(fā)育；為F2所割的大壩右岸基巖為寒武系下統(tǒng)清虛洞組(∈1q)灰?guī)r，巖溶極其發(fā)育，地表見溶溝、溶穴和溶洞；壩體為均質(zhì)壩，填土巖性為含碎石粉質(zhì)黏土。壩址發(fā)育有NNW斷裂，非活性張性正斷層。受右壩肩正斷層F2的影響，某水庫巖溶更為發(fā)育，滲漏問題更嚴重。經(jīng)多次防滲處理后，庫壩區(qū)下游滲漏水依然存在，且日趨嚴重。

2015年6月4號(此時庫水位約290.2 m)現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)壩下老隧洞出口右岸見一滲漏量約為0.42 L/s集中滲漏點，其附近壩體也見面積約為15 m2左右的散浸區(qū)；右壩肩下游F2斷層出露點(高程275 m左右)見一滲漏量約為0.76 L/s集中滲漏；大壩壩體中部下游二級壩坡坡腳較一面積約為20 m2的散浸區(qū)；右岸山體下游山腳(高程280 m左右)見一滲漏量約為0.64 L/s集中涌水點(如圖1)，據(jù)當?shù)卮迕窠榻B只有汛期才能看到此涌水點。且下游集中滲漏點滲漏量和散浸區(qū)面積出現(xiàn)低水位時部分消失，但也隨著庫水位升高顯著增大，且近年來滲漏逐月增大，已嚴重威脅著大壩安全。

可見，庫壩區(qū)存在壩體、壩基、涵管滲漏等問題，傳統(tǒng)地質(zhì)鉆探方法根本無法揭露出庫壩區(qū)存在的滲漏源和滲漏通道，進而難以實現(xiàn)對庫壩區(qū)滲漏問題進行針對性地加固處理。而綜合物探法可在平面、垂直向及水平向解釋出這些信息。

圖1 物探法測線現(xiàn)場布置及庫壩區(qū)滲漏出入口示意Fig.1 Site layout of geophysical survey line and schematic diagram of leakage inlet and outlet of reservoir dam area

為獲得工程區(qū)內(nèi)巖土的電性特征，對地質(zhì)鉆探時取得的壩體、壩基及壩肩巖芯進行電阻率測定，其中壩體土芯取樣位置從壩頂?shù)綁蔚?、左岸到右岸均勻分布，壩基、壩肩巖芯從強風(fēng)化到微風(fēng)化也分布較均勻。由物性參數(shù)(表1)可知庫壩區(qū)巖土體電性特征：寒武系下統(tǒng)清虛洞組(∈1q)灰?guī)r為中高阻，平均電阻率約為1 227.4 Ω·m；石炭系中上統(tǒng)婁山關(guān)群(∈2+3)白云質(zhì)灰?guī)r為中低阻，平均電阻率為613.8 Ω·m；壩體含碎石粉質(zhì)黏土則表現(xiàn)為低阻特征，平均電阻率低于100 Ω·m；可見，庫壩區(qū)不同巖土體相互之間電性差異較大，具備地球物理勘探前提。

表1 工程區(qū)巖土體電阻率Table 1 Resistivity of rock and soil in engineering area

2 野外工作方法與技術(shù)

鑒于流場法、自然電場法和高密度電阻率法，以及庫壩區(qū)滲漏問題在垂直、水平和平面位置上的復(fù)雜性，加之水庫滲漏情況和原因查明的迫切性。本次現(xiàn)場綜合采用流場法、自然電場法和高密度電阻率法(表2)，在充分利用三種方法各自優(yōu)點的基礎(chǔ)上，并結(jié)合工程地質(zhì)條件，相互補充、相互佐證，查明滲漏情況，并深入分析其緣由，以期為水庫防滲加固提供基礎(chǔ)資料和有力支撐。

2.1 流場法

壩體(基)滲漏水和正常滲流形成的物性場具有明顯差異性，導(dǎo)致其在巖土體中的運移特點、水土(巖)作用方式和作用時間顯著迥異[9]。

正常情況下，地下水流場為正常場，當水從高水頭滲漏源向滲漏出口發(fā)生運移，則變成異常場，其中高水頭區(qū)滲漏入口位置異常最顯著，其水流速度的矢量場同時指向下游滲漏排泄口，這種流場異常性成為探測滲漏入口可以利用的物理實體[10]。

表2 主要探測方法和儀器設(shè)備Table 2 Main detection methods and instruments

實踐中現(xiàn)場采用偽隨機流場法在滲漏出口和庫內(nèi)高水頭區(qū)發(fā)射信號電流形成異常信號電流場，同時異常滲流場得到強化，綜合兩種流場成果，利用其數(shù)學(xué)形式上的相互關(guān)系，擬合其時空分布形態(tài)間內(nèi)在聯(lián)系。通常情況下，信號電流主要沿漏水通道運移，信號電流場差異顯著，而其他地段信號電流很小，處于正常場狀態(tài)，因此測定到異常場位置就大致測定滲漏源位置[11]?？梢?，偽隨機流場法適合用于探測滲漏源位置，無法揭露庫壩區(qū)巖土體中滲漏通道和缺陷的位置，更無法測定滲漏量大小。

工作時，在大壩及左壩肩山體近水面布設(shè)測線3條(測線c、測線d和測線e)、右壩肩山體近水面布設(shè)2條(測線a和測線b)，共計5條測線，測線間距為4 m。依次將A電極放置在庫壩區(qū)下游多個集中滲漏處，B電極放置庫區(qū)離5條測線距離皆約200 m左右位置處；分別用絕緣導(dǎo)線將A、B電極連至大壩壩頂上的發(fā)送機上(見圖1)。

沿每一根測線劃船行走，每隔1～2 m先將探頭置入水下至觸碰到巖(土)體，后拉起約20 cm，讀取接收機上顯示數(shù)據(jù)，大于等于20 mA時進行定位標記。主要探測近壩庫區(qū)內(nèi)滲漏源位置。根據(jù)偽隨機流場法接收機測得強度值J判斷是否屬于異常。測區(qū)電流密度一般在1～15 A/m2范圍屬于正常場， 異常部位電流密度通常為正常值2～3倍以上，且滲漏進水口電流密度曲線呈“峰”形[12]。

2.2 自然電場法

當水在巖土體孔隙中運移時，地質(zhì)體表面的過剩離子鍵會與水中的H+或OH-離子結(jié)合，導(dǎo)致流動水體中H+或OH-離子局部過剩，造成了電位異常[13]。在水庫高水頭作用下，庫壩區(qū)滲漏通道中運移的水一般流速較快，導(dǎo)致水體中H+或OH離子不均衡性更嚴重，引起滲漏源和通道一定區(qū)域內(nèi)自然電位出現(xiàn)顯著異常，利用這種異常性可大致推測出巖土體中滲漏通道和滲漏缺陷等的水平位置。但自然電場電位易受地電干擾，時有波動，出現(xiàn)異常電位，即并非一切異常皆為滲漏隱患所致，但顯著出現(xiàn)較大負或正電位部位常為滲漏隱患。據(jù)統(tǒng)計，當自然電位異常值超過正常值的1.3～1.5倍時，滲漏隱患的可能性高達95%以上[14]。

在工作現(xiàn)場平行于大壩壩軸線布置3條測線。Ⅰ測線位于大壩上游側(cè)近水面斜坡(高程約290.70 m)，測線起點為樁號D0+016(0+000樁號均從壩頂面與右岸山體交界處起算)，終點樁號為D0+146，測點間距為4 m。Ⅱ測線位于壩頂面與右岸山體交界處(高程297.30 m)，測線起點樁號為D0+000，終點樁號為D0+155，測點間距為4 m；Ⅲ測線位于主壩下游一級平臺(高程約289.00 m)，測線起點樁號為D0+020，終點樁號為D0+150，測點間距為4 m，主要為探測壩體、壩基及壩址區(qū)左右岸山體中滲漏通道的水平大致位置。測線上出現(xiàn)連續(xù)自然電位小于0或大于0時，為異常電位，可判斷為滲漏通道疑似位置，且異常的幅度越大，其可能性就越高。

2.3 高密度電阻率法

高密度電阻率法是一種將電法勘探技術(shù)與計算機數(shù)字技術(shù)相結(jié)合的陣列式電阻率測量方法，集中了電剖面法和電測深法的特點，能揭示地下一定深度范圍內(nèi)巖土體橫向和縱向電性變化情況。當?shù)叵侣癫貛r土體中出現(xiàn)滲漏通道、空洞、缺陷或與周圍顯著差異時，這些區(qū)域的電阻率會出現(xiàn)明顯異常，結(jié)果顯著偏高或偏低。因此，可利用該方法探測巖土體中滲漏通道或缺陷大致位置，但結(jié)果多為定性分析，對滲漏量等無法進行定量分析[15-17]。且若巖土體受到干擾電差異不明顯或不敏感，將導(dǎo)致其探測結(jié)果失真。

在大壩壩體上布設(shè)2條測線(測線α和測線β)。測線α位置位于自然電場法Ⅰ測線上游側(cè)(高程約293.80 m)，測線β位于大壩下游二級壩坡中上部(高程約286.70 m)。兩條測線長均為150 m，測點距3.0 m，主要為探測壩體、壩基中滲漏通道的水平和垂直方向上大致位置。本次采用溫納四極排列裝置，電極數(shù)為 60，勘探工作使用的電極距測線α、測線β為3 m，測量層數(shù)為10層。

3 探測結(jié)果與分析

3.1 流場法探測結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場測定結(jié)果，大壩及右岸山體近水面只有測線e，測量數(shù)值均在1～15 A/m2以內(nèi)，屬于正常場范圍。

測線c、測線d測線的中部出現(xiàn)明顯異常，測值高達42～68 mA，該測點位于封堵老隧洞的正上方，距離水面約12 m，可判斷為集中滲漏入口B。

測線c測線的大壩壩體中部出現(xiàn)明顯異常，測值高達52～64 mA，可判斷為大壩壩體上游壩坡一集中滲漏入口A。

測線a和測線b兩條測線，在測量過程中3處區(qū)域出現(xiàn)明顯異常，分別位于左岸小山包中部、斷層F2與測線相交處和小山包左側(cè)近壩區(qū)測值維持在40～90 mA，屬異常場，因此可判斷該三處區(qū)域為3個集中滲漏口E、D、C(如圖1)

3.2 自然電場法探測結(jié)果

自然電場法3條測線測量結(jié)果見圖2?？梢?，大壩壩頂Ⅱ測線從D0+006～0+014段處于低電位區(qū)，D0+118～0+122存在高電位異常；上游壩坡Ⅰ測線D0+114～0+118存在高電位異常；下游一級壩坡中上部Ⅲ測線D0+122存在高電位異常；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ測線在D0+070～0+088皆存在低電位異常。為此，可做如下推斷：

1) 大壩D0+006～0+014段可能存在滲漏通道或積水區(qū)，應(yīng)為F2斷層破碎帶滲漏通道或破碎帶內(nèi)積滿水；

2) 從上游壩坡Ⅰ測線D0+116至下游壩坡Ⅲ測線D0+112連線及兩側(cè)3～6m內(nèi)應(yīng)存在一滲漏通道，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)此處為已被封堵的老隧洞，隧洞封堵不密實，存在滲漏水。

3) Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ測線在D0+070～0+088連線范圍內(nèi)存在嚴重滲漏通道。

3.3 高密度電阻率法探測結(jié)果

高密度電阻率法2條測線α、β測量結(jié)果見圖3、4。兩圖深度1～3 m處有一低阻異常(淺藍色)，應(yīng)為下雨形成的潛水區(qū)所導(dǎo)致的。圖3深度9～12 m處有92.8～120 Ω·m的低阻異常，為滲水區(qū)，圖4點位D0+069～0+085，深度4～10 m處有40～80 Ω·m的大面積低阻異常體(藍色、深藍色)，為嚴重滲水區(qū)域；推測該兩處上下游滲水區(qū)與大壩右壩段距離相當，應(yīng)在壩體內(nèi)相連通。圖4深度11～15 m處有100～150 Ω·m的低阻異常，為滲水區(qū)，此位置大致位于已封堵隧洞上方，推測封堵隧洞應(yīng)存在滲漏水。

圖2 大壩Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ測線自然電位曲線Fig.2 Spontaneous potential maps of dam lines Ⅰ，Ⅱ and Ⅲ

圖3 大壩α測線高密度電阻率反演結(jié)果Fig.3 Inversion results of high density resistivity of α line

圖4 大壩β測線高密度電阻率反演結(jié)果Fig.4 Inversion results of high density resistivity of β line

3.4 綜合分析討論

綜合流場法、自然電場法和高密度電阻率法三種物探法的探測結(jié)果，可得出庫壩區(qū)滲漏情況如下結(jié)論：

1) 小山包上游側(cè)中部的集中入滲點E與其下游山腳涌水點可能是相連通的，山體內(nèi)可能發(fā)育有巖溶通道。

2) 庫內(nèi)滲漏入口C、D應(yīng)與F2斷層帶及下游斷層露頭相連通，斷層內(nèi)存在從上游庫內(nèi)至下游貫通的滲漏通道。

3) 大壩壩體中部滲漏入口B應(yīng)與下游壩體壩坡散浸區(qū)相連通，大壩壩體中部存在向下游滲漏的滲漏通道。

4) 庫內(nèi)滲漏入口A應(yīng)與下游左岸壩腳集中滲漏點和散浸區(qū)相連通，封堵老隧洞內(nèi)存在向下游滲漏的滲漏通道。據(jù)水庫管理人員回憶，老隧洞為前部四分之三隧洞段和出口四分之一涵管段組成，涵管段于2005年進行徹底挖除，并用壩體填土夯實壓密；隧洞段上、下游段進行砼回填。本次綜合物探法探測結(jié)果表明，2005年封堵老隧洞的封堵質(zhì)量較差，存在滲漏，且水從老隧洞出口滲漏出溢流至下游側(cè)壩體回填土內(nèi)，造成壩體外坡左側(cè)大面積散浸區(qū)和集中滲漏。

4 除險加固措施及效果分析

根據(jù)綜合物探結(jié)果，對庫壩區(qū)針對性采取了以下加固措施：①大壩右岸小山包集中入滲點E、D、C進行注漿封堵，表部5 m×5 m范圍內(nèi)加設(shè)黏土鋪蓋防滲；②斷層F2走向與壩軸線相交位置采用雙排帷幕灌漿，第二排灌漿孔布置于第一排孔之間，并向左右岸延伸30 m；③老隧洞進行重新灌漿封堵，滲漏入口B、A挖開，更換防滲土料重新回填壓實，并在大壩壩軸線上壩體自然電位異常位置進行雙排高壓旋噴灌漿加固，灌漿孔深入壩基1 m。

2016年年底除險加固方案實施后，庫壩區(qū)下游散浸區(qū)和集中滲漏點消失，效果顯著，極大降低了庫壩區(qū)防滲加固工程造價，且在經(jīng)歷了2017年和2019年汛期水庫水位連續(xù)多天高于正常蓄水位的考驗下，水庫下游依然未見明顯的散浸和集中滲漏水現(xiàn)象?？梢?，綜合物探法探測的庫壩區(qū)滲漏源、滲漏通道等信息是較為準確、可靠的。

5 結(jié)論

1) 綜合利用流場法、自然電場法、高密度電阻率法探測某巖溶水庫滲漏源、滲漏通道位置等信息，揭露了滲漏發(fā)育特征和原因。且依據(jù)探測分析結(jié)果對該水庫進行了針對性重點部位堵漏防滲，效果顯著?？梢姡C合物探法探測的水庫滲漏信息是可信的，并與實際較為相符。

2) 探測結(jié)果表明：每一種物探方法在探測滲漏和滲流通道有其側(cè)重和不足，單一物探法具有片面性和多解性，而多種物探法卻可相互補充、相互印證，去偽求真，可較準確地獲得滲漏源、滲流通道等信息。

3) 探測結(jié)果還表明：老隧洞封堵質(zhì)量較差，存在滲漏問題，并導(dǎo)致其下游側(cè)壩體集中滲漏和大面積散浸；大壩壩體中部存在從上游壩坡至下游滲漏通道，是壩體下游二級壩坡出現(xiàn)散浸的主要原因；大壩右岸低矮山體存在滲漏入口，并可能與下游山腳的泉水點相連通；大壩右壩肩F2斷層帶防滲性差，存在與下游斷層露頭集中滲漏點相通的滲漏通道。

4) 綜合物探法只能定性在空間上大致確定滲漏源和滲流通道位置，但無法精準獲得其空間位置、規(guī)模大小和滲漏量大小等定量信息，應(yīng)加強水庫滲漏缺陷探測手段、理論模型、信息化監(jiān)測和成果處理等方面優(yōu)化創(chuàng)新研究與應(yīng)用。