土壩滲漏探測方法探討

唐 波，張莉萍，邱德俊，曹凱波，孫 輝

(南京市水利規(guī)劃設計院有限責任公司，江蘇 南京 210022)

0 引言

據(jù)水利部統(tǒng)計，全國有5 萬多座小型水庫，大都因為建筑年代久遠，不同程度地存在滲漏、穩(wěn)定等安全隱患，中央明確提出，到2015年底基本完成小型水庫除險加固任務，到2012年底前，完成小(Ⅰ)型水庫除險加固任務。病險水庫的除險加固工程勘察按照《中小型水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(SL55—2005)執(zhí)行，特別是在土石壩滲漏勘察中需重點查明壩體填土的顆粒組成、滲透性、分層填土結(jié)合情況，填土中砂性土的位置、厚度及分層結(jié)合部位的滲透系數(shù);壩體下游坡滲水、漏水部位、特征、滲漏量變化規(guī)律及滲透穩(wěn)定性等。

滲漏問題是小型病險水庫比較突出的問題，通過地質(zhì)勘察工作掌握滲漏位置、分析滲漏原因等地質(zhì)信息是防滲設計的基礎(chǔ)?？茖W的防滲處理方案設計需要準確的地質(zhì)資料，要達到事半功倍的勘察效果，同樣需要有的放矢地開展地質(zhì)勘察工作。

對于大壩滲漏的勘察，傳統(tǒng)上，可以通過鉆探、土工試驗及現(xiàn)場注(壓)水試驗、連通試驗及同位素示蹤試驗等等，《中小型水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(SL55—2005)中7.3.3 條也規(guī)定:“宜采用電法、地質(zhì)雷達、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?！惫P者根據(jù)多年小水庫勘測工作實踐，提出了一種利用土的飽和度突變特征來初判土壩滲漏位置的方法，并將其應用到工程實踐中去，經(jīng)過進一步注水試驗驗證，結(jié)果表明初判所獲得的大壩可能滲漏位置土體滲透系數(shù)偏大，進而說明利用該方法初步判斷大壩滲漏位置有一定的可行性［1］。

1 土壩滲漏探測傳統(tǒng)方法綜述

1.1 物探方法

為了查找堤壩的滲漏通道，地質(zhì)工作者常采用地球物理探測的方法來檢測水庫大壩，取得了較好的效果。目前用于大壩、堤防探測的地球物理探測的方法可歸納為高密度電阻率法、探地雷達、瞬變電磁法和面波法四類。

1.2 綜合示蹤方法［2，3］

利用指示劑或示蹤劑來探測堤壩滲漏位置，包括以電導、水化學、溫度、環(huán)境同位素為主的天然示蹤和以流速、流向測定為主的人工示蹤。

20世紀50年代就有學者利用地下水的溫度差異來研究滲水堤壩。其運用依據(jù)主要是由于壩基地下水溫度的變化幅度和速度受補給水源的溫度以及地下水強烈的循環(huán)交替條件的影響。此外，地下水本身具有天然的化學成分，在壩基滲漏評價時，可以利用地下水化學成分特征分析堤壩滲漏的部位、強度等。

人工同位素監(jiān)測技術(shù)是借助放射性示蹤劑運移在滲流場中不同部位的不同表現(xiàn)，進而推斷其滲流特征的一種間接手段。國外自20世紀50年代初將該技術(shù)應用于地下水滲流場的理論和技術(shù)中，并將同位素示蹤法廣泛應用于水利工程。中國在80年代才開始引進該技術(shù)，發(fā)展較快，并成功解決了諸多重要堤壩的滲漏問題。

2 含水率突變特征初判滲漏位置原理及方法介紹

土壩滲漏探測傳統(tǒng)方法中的溫度電導示蹤方法運用水庫水的溫度隨深度變化的規(guī)律，可以判斷水庫漏水位置，進而達到查明水庫漏水部位的目的。受此啟發(fā)，水庫大壩土體含水率變化也有相似的規(guī)律，正常情況下從地表向下隨著深度的變化，大壩土體的含水率隨之規(guī)律變化。倘若在土體中某深度處存在滲漏通道，那么隨深度變化的含水率曲線必將出現(xiàn)大的變化。我們的依據(jù)是:在土體中從地表向下隨著深度的變化，從包氣帶往下到潛水位以下，從總體上土體的含水率隨之增大規(guī)律變化，不排除局部因為上層滯水土體含水率變大的情況。

土體含水率測定是地質(zhì)技術(shù)人員經(jīng)常運用的一種常規(guī)室內(nèi)試驗手段，主要試驗設備包括為天平、烘箱及鐵盒等。為保證測得土樣天然含水率，需現(xiàn)場進行含水率試驗?，F(xiàn)場取樣采用小口徑人力麻花鉆，由于小型水庫、中小河流等工程的堤壩多以均質(zhì)土壩為主，采用小口徑人力麻花鉆簡單易操作。利用這種簡易的鉆進工具把取上來的土進行現(xiàn)場含水率測定，并繪制含水率隨埋深變化曲線圖，利用含水率突變特征即可初判土壩滲漏位置及滲漏通道走向。

3 工程應用

3.1 工程概況

邵處水庫［4］位于南京市江寧區(qū)西南部的谷里鎮(zhèn)境內(nèi)，是一座以防洪為主，結(jié)合灌溉、旅游、養(yǎng)殖等綜合利用的小(Ⅰ)型水庫。邵處水庫建于1958年12月，后經(jīng)過多次加高培厚達到現(xiàn)有規(guī)模。水庫大壩為均質(zhì)土壩，壩長233 m，壩頂高程34.00～34.30 m(吳淞高程，下同)，最大壩高11.60 m，設計洪水位32.03 m，水庫汛限水位30.06 m，死水位23.70 m，最大庫容133×104m3。

3.2 滲漏通道位置初步分析

水庫運行多年一直存在右壩端滲漏問題，右壩端壩后坡面、坡腳均存在集中滲漏點。受江寧區(qū)水利局的委托，南京市水利規(guī)劃設計院對邵處水庫右壩端滲漏原因進行分析研究，并提出了防滲處理方案。為了查明邵處水庫大壩右壩端的滲漏通道及滲漏原因，采用了現(xiàn)場鉆探、含水率測量，通過分析隨深度遞增土樣含水率變化規(guī)律，初步分析滲漏通道位置。倘若在土體中某深度處存在滲漏通道，那么隨深度變化的含水率曲線必將出現(xiàn)大的變化。

根據(jù)水庫管理員介紹及現(xiàn)場踏勘，邵處水庫右壩端滲漏點位于壩體背水坡腳處(常年有明水流出，汛期庫水位較高時流量達8 L/s)。

針對滲漏點位置，外業(yè)勘察時在右壩端布置勘探孔3 個(B1、B2 及B3)，揭露邵處水庫右壩端地層分布如圖1 所示。

圖1 邵處水庫右壩端地質(zhì)剖面、注水試驗段位置圖Fig.1 Diagram showing the geological section of the right ofShaochu Reservoir Dam and location of injection test

分別對壩頂軸線上3 個鉆孔進行含水率測定。具體方法是:先鉆探取樣，現(xiàn)場從0.5 m 開始分別對覆蓋層深度內(nèi)每隔0.5 m 采取土樣，經(jīng)現(xiàn)場測試含水率，試驗結(jié)果見圖2。

圖2 土體含水率隨埋深變化曲線Fig.2 The curve of soil moisture content changing with different depths

含水率試驗結(jié)果表明:大壩壩體及壩基土體含水率隨深度總的變化趨勢是增加或變化不大，僅B1 鉆孔局部深度處含水率突然變高，該處土體含水率較高，由此可初步推斷B1 孔附近壩端在埋深5.0 m(標高?28.0 m)、12.5 m(標高?20.85 m)附近土體存在滲漏可能。

表1 壩體現(xiàn)場注水試驗成果匯總表Table 1 The results of water injection test for dam body

3.3 注水試驗驗證

通過現(xiàn)場鉆探和土體含水率試驗初步探明邵處水庫右壩端滲漏通道的基礎(chǔ)上，在B1、B2 及B3 鉆孔內(nèi)分別分段進行注水試驗，目的是進一步分析可能存在的滲漏通道，并測定各巖土體滲透性指標，為防滲設計提供地質(zhì)參數(shù)，試驗段位置詳見圖1。

根據(jù)B1 孔注水試驗，深度1.5～6.0 m、10.0～13.0 m 兩處滲透系數(shù)均＞1×10－4，屬中等透水。注水試驗結(jié)果與現(xiàn)場含水率試驗基本吻合，基本可以確定B1 孔附近壩端在埋深5.0 m(標高?28.0 m)、12.5 m(標高?20.85 m)附近土體存在滲漏情況。

4 結(jié)論

本文在綜述土壩滲漏探測傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)介紹了通過鉆探及土樣含水率試驗初步查明可能滲透通道，分段對可能存在滲漏通道的松散巖土體進行注水測定其滲透參數(shù)，確定滲漏位置。并通過工程實例，說明了該方法的合理性和可行性。

建議在今后的工作中多積累經(jīng)驗，可以從考慮庫水位對含水率的影響，或是利用土的飽和度來分析大壩滲漏位置等等。這種簡易的探測方法仍處于嘗試階段，對于初判土壩滲漏有一定的實用性。

［1］GB50487—2008，水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2009.

［2］劉建剛，陳建生.堤壩滲漏探測方法研究綜述［C］//中國地球物理.2003 中國地球物理學會第十九屆年會論文集.南京:南京師范大學出版社，2003.

［3］吳懷宇，周兆英，等.堤壩隱患探測技術(shù)的現(xiàn)狀與展望［J］.長江科學學院報，2000(3):39－41.

［4］唐波，等.南京市邵處水庫右壩端滲漏原因分析及防滲方案探討［J］.江蘇水利，2012(1):11－13.