綜合物探法在小排吾水庫大壩滲漏探測(cè)中的應(yīng)用

王 祥，宋子龍，姜 楚，李 璐

（湖南省水利水電科學(xué)研究所，湖南長(zhǎng)沙，410007）

0 前言

小排吾水庫位于花垣縣小排吾鄉(xiāng)境內(nèi)的沅水三級(jí)支流兄弟河上游，壩址距花垣縣城36 km。該工程是兄弟河流域4級(jí)開發(fā)中的第一級(jí)工程，壩址以上干流長(zhǎng)度7.35 km，控制集雨面積50.60 km2，正常庫容1 020萬m3，是一座以灌溉為主的中型水利工程。水庫樞紐工程由主壩、副壩、溢洪道、引水隧洞等建筑物組成，主、副壩均為粘土均質(zhì)壩。自水庫蓄水以來，滲漏問題就一直存在。經(jīng)重點(diǎn)地段防滲帷幕灌漿及2002年除險(xiǎn)加固工程處理后，仍未從根本上解決水庫滲漏問題。而且隨著水庫運(yùn)行年限的增長(zhǎng)，防滲帷幕體逐漸失效、溶洞充填物被擊穿產(chǎn)生滲透破壞，滲漏現(xiàn)象日趨嚴(yán)重。

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和對(duì)運(yùn)行期觀測(cè)資料的綜合分析，小排吾水庫壩基（肩）巖溶滲漏是其存在的主要工程地質(zhì)問題。主、副壩之間已封堵涵洞的巖溶泉仍然以0.45 m3/s的流量長(zhǎng)期溢出，壩肩夯彩巖溶泉流量達(dá)1.38 m3/s。為確定漏水通道，并為地質(zhì)勘察提供資料，采用綜合物探方法對(duì)壩體進(jìn)行了勘查。

1 滲漏成因分析及探測(cè)方法選擇

1.1 水庫大壩滲漏成因分析

要準(zhǔn)確探測(cè)水庫滲漏，首先應(yīng)該對(duì)水庫大壩滲漏隱患產(chǎn)生的機(jī)理有一定的認(rèn)識(shí)，以便有針對(duì)性地開展探測(cè)工作。小排吾水庫大壩為均質(zhì)土石壩，而土石壩滲漏問題的主要表現(xiàn)形式為壩體滲漏、壩基滲漏、繞壩滲漏及輸水設(shè)施（涵、洞）滲漏，其形成原因詳見表1。這些滲漏問題，無論是壩體壩基滲漏、接觸面滲漏或壩肩繞滲，都是由于原有的防滲結(jié)構(gòu)受到破壞，使物理場(chǎng)發(fā)生變化，出現(xiàn)異常，從而為各物探方法的應(yīng)用提供了前提條件。

1.2 探測(cè)方法選擇

目前國(guó)內(nèi)探測(cè)滲漏隱患的技術(shù)方法很多，如電法、地質(zhì)雷達(dá)法、瞬變電磁法、同位素示蹤法以及中南大學(xué)何繼善院士發(fā)明的流場(chǎng)法等。小排吾水庫主要滲漏問題是壩基（肩）巖溶滲漏，滲漏量大、異常物理場(chǎng)明顯，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形條件和各物探方法特點(diǎn)，選擇綜合物探法技術(shù)方案：自然電場(chǎng)法用以探查壩體、左右?guī)彀稘B漏通道；流場(chǎng)法用以探查庫區(qū)滲漏入水口位置，高密度電法用以確定壩體、壩基巖土特性，判別滲漏深度與范圍［1-2］。

表1 土石壩滲漏成因分析一覽表Table 1 Statistics of seepage causes of earth dam

2 各物探方法工作原理及適用條件

2.1 自然電場(chǎng)法

所謂自然電場(chǎng)，即無須人工供電，利用地下天然存在著的電場(chǎng)。大壩滲漏水是一種特殊的地下水，與它有關(guān)的自然電場(chǎng)有擴(kuò)散吸附電場(chǎng)、氧化還原電場(chǎng)和過濾電場(chǎng)三種形式，水庫大壩自然電場(chǎng)是以過濾電場(chǎng)為主，過濾電場(chǎng)是自然電場(chǎng)法探測(cè)滲漏隱患的場(chǎng)源。當(dāng)水流在一定的滲透壓力作用下通過巖石的孔隙或裂隙時(shí)，由于巖石顆粒表面對(duì)地下水中的陰離子具有選擇的吸附作用，因此，在水流的上游會(huì)留下多余的陰離子，而下游有多余的陽離子，從而將在水流方向產(chǎn)生電位差，形成自然電位異常。通常在漏水點(diǎn)形成負(fù)自然電位異常，而在出水點(diǎn)出現(xiàn)正的自然電位異常，這便為開展自然電場(chǎng)法檢測(cè)滲漏通道提供了前提條件［3］。

自然電場(chǎng)法在土石壩安全隱患探測(cè)中具有一定的局限性，具體體現(xiàn)為：需要土壤濕潤(rùn)均勻，保持接地條件良好，不得選擇在地形切割嚴(yán)重、地表干燥的地方或亂石堆上進(jìn)行探測(cè)，還要避免能產(chǎn)生氧化還原的巖土層或流水溝。

2.2 流場(chǎng)法

流場(chǎng)法（流場(chǎng)偽擬合法）是利用水流場(chǎng)與電流場(chǎng)的相似原理，在水中發(fā)送一種特殊波型的電流場(chǎng)（偽隨機(jī)信號(hào)），通過測(cè)量水中電流密度分布，間接確定管涌與滲漏入口位置。流場(chǎng)法的核心技術(shù)是用電流場(chǎng)擬合滲漏的水流場(chǎng)，電流場(chǎng)的密度向量分布與滲漏水流場(chǎng)的水流密度向量相似，電流場(chǎng)的密度向量將集中指向滲漏水的入口，根據(jù)電流場(chǎng)的密度變化確定滲漏區(qū)的部位［4］。

此方法可非常準(zhǔn)確地找到滲漏的入水口，但無法確定滲漏水通道位置，而且對(duì)滲漏量級(jí)也有一定要求。

2.3 高密度電法

高密度電法是地球物理電法勘探的一種重要方法，就其原理而言，與常規(guī)電阻率法完全相同。高密度電法實(shí)際上是一種陣列式電阻率測(cè)量方法，它將常規(guī)直流電法勘探技術(shù)與計(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)相結(jié)合，集電剖面和電測(cè)深于一體，采用高密度布點(diǎn)，進(jìn)行二維地電斷面的測(cè)量，既能揭示地下某一深度水平巖性的變化，又能提供巖性沿縱向的變化情況。高密度電法的成果以視參數(shù)剖面圖、斷面等值線圖等形式給出，在縱向上或者橫向上都能直觀地反映出地質(zhì)體不同電性結(jié)構(gòu)分布特征［5］。

當(dāng)土石壩中出現(xiàn)滲漏、空洞等安全隱患時(shí)，該隱患區(qū)域的電阻率會(huì)出現(xiàn)很明顯的變化，因此該方法在探測(cè)滲漏、空洞時(shí)效果顯著。高密度電法探測(cè)技術(shù)的缺點(diǎn)是對(duì)沒有明顯地電差異的地質(zhì)體反應(yīng)不太敏感，探測(cè)結(jié)果大多為定性分析，對(duì)滲漏量大小等參數(shù)無法進(jìn)行定量分析。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)線布置與資料解釋

3.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)線布置

（1）在主壩布設(shè)了3條自然電場(chǎng)法測(cè)線，分別位于下游一級(jí)平臺(tái)（高程約574.30 m）、二級(jí)平臺(tái)（高程約566.90 m）和三級(jí)平臺(tái)（高程約559.80 m）；副壩布設(shè)了2條自然電場(chǎng)法測(cè)線，上游近水平臺(tái)（高程約579.50 m）和壩頂（高程585.00 m），測(cè)點(diǎn)間距為2～4 m。自然電場(chǎng)法測(cè)試使用直流電法（激電）儀和Cu-CuSO4不極化電極。

（2）流場(chǎng)法主要在主、副壩近水面區(qū)域探測(cè)滲漏入口。在近水面布置3條測(cè)線，在庫區(qū)（庫岸）布置7條測(cè)線，測(cè)線間距4 m。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際探測(cè)情況，判斷標(biāo)準(zhǔn)如下：正常區(qū)的強(qiáng)度值定為J＜15，異常區(qū)的強(qiáng)度值定為J≥15?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量采用劃船沿測(cè)線行走，每隔1 m測(cè)讀一次數(shù)據(jù)；每次測(cè)讀數(shù)據(jù)時(shí)，將探頭置入河堤底，然后拉起約20 cm，查看接收機(jī)顯示值，若發(fā)現(xiàn)J≥20則利用浮標(biāo)進(jìn)行定位。流場(chǎng)法測(cè)試使用堤壩管涌滲漏檢測(cè)儀，選擇已封堵涵洞的巖溶泉滲漏出口為B極。

（3）高密度電法重點(diǎn)探測(cè)副壩壩體與基礎(chǔ)，共布設(shè)2條測(cè)線，1號(hào)測(cè)線對(duì)應(yīng)自然電場(chǎng)法壩頂測(cè)線（高程585.00 m）位置，2號(hào)測(cè)線位于副壩下游壩腳平臺(tái)處（高程約579.50 m）。兩條測(cè)線長(zhǎng)均為120 m，測(cè)點(diǎn)距2.0 m。高密度電法探測(cè)使用高密度電法測(cè)量系統(tǒng)，采用溫納裝置，60路電極，最大間隔系數(shù)為10層。

3.2 資料分析

3.2.1 流場(chǎng)法

根據(jù)實(shí)測(cè)資料，主副壩近水面3條測(cè)線的測(cè)值均在15以內(nèi)，屬于正常場(chǎng)范圍。發(fā)現(xiàn)集中滲漏區(qū)兩處，散浸區(qū)一處：原臥管高程約571.7 m處，偽隨機(jī)流場(chǎng)強(qiáng)度值高達(dá)55，屬于嚴(yán)重異常；副壩右壩端上游92 m處（枯水期時(shí)為一陡坡），強(qiáng)度測(cè)值為35～40，屬于嚴(yán)重異常。副壩左岸上游65 m處測(cè)值維持在20～30，存在明顯異常，面積約30 m2，判斷為散浸滲漏口，滲漏入口平面分布詳見圖1。

為驗(yàn)證流場(chǎng)法判斷滲漏入口的準(zhǔn)確性和可靠性，在枯水期時(shí)，對(duì)庫區(qū)出露區(qū)域進(jìn)行了詳細(xì)查勘，發(fā)現(xiàn)以上三處異常區(qū)均存在不同程度的孔洞和流水痕跡。

3.2.2 自然電場(chǎng)法

圖2是副壩近水平臺(tái)和壩頂?shù)膬蓷l自然電位曲線圖，1號(hào)測(cè)線樁號(hào)F0+030～0+050段和F0+060～F0+068段均處于低值電位區(qū)，自然電位值均在-5 mV以下，為滲漏區(qū)域；F0+054和F0+074存在高值異常，最高達(dá)17 mV，系表層堆石所致。2號(hào)測(cè)線樁號(hào)F0+076和F0+016處明顯低電位屬異常，最小值為-13.5 mV，屬異常滲漏帶；壩頂F0+152處電位值高達(dá)11 mV，其位置對(duì)應(yīng)于封堵涵洞正上方，且靠近灌漿位置，故存在高值異常。

圖3是主壩下游平臺(tái)3條測(cè)線的自然電位曲線圖，三條測(cè)線初始段均出現(xiàn)自然電位負(fù)值，明顯低于其他位置的測(cè)值，可判斷主壩右壩肩自上而下有不同程度的繞壩滲漏。主壩下游三級(jí)平臺(tái)5號(hào)測(cè)線的Z0+062處電位值低于-18 mV，存在滲漏異常區(qū)，與3號(hào)測(cè)線的Z0+042測(cè)點(diǎn)和4號(hào)測(cè)線的Z0+052測(cè)點(diǎn)低電位值對(duì)應(yīng)，可判斷其極有可能為一滲漏通道。根據(jù)下列經(jīng)驗(yàn)公式可推測(cè)滲漏通道頂部埋深：

式中：H——滲漏通道頂部埋深，m；h——低值異常區(qū)寬度，m。

推測(cè)5號(hào)測(cè)線Z0+062處的滲漏通道埋深約為30 m。后經(jīng)地質(zhì)鉆探驗(yàn)證，進(jìn)尺31.2 m時(shí)出現(xiàn)掉鉆現(xiàn)象。

圖1 庫區(qū)滲漏入口平面分布圖Fig.1 Distribution of leakage entrance in reservoir area

圖2 副壩自然電位曲線圖Fig.2 Pontaneous potential curve of auxiliary dam

圖3 主壩自然電位曲線圖Fig.3 Spontaneous potential curve of main dam

3.2.3 高密度電法

圖4是副壩下游壩腳高密度電阻率反演結(jié)果，從圖中可以看出：（1）剖面深度1～3 m處有一條帶狀低阻異常區(qū)，分析為下雨形成的浸水區(qū)；（2）樁號(hào)F0+069～F0+085段、深度4～10 m范圍有一處40～80 Ω·m的低阻異常區(qū)，分析為嚴(yán)重滲水區(qū)域；樁號(hào)F0+160～0+170段、深度4～9 m范圍有一處50～80 Ω·m的低阻異常區(qū)，分析為嚴(yán)重滲水區(qū)域；（3）樁號(hào)73.5 m和121 m附近、深度11～15 m范圍各有一處100～150 Ω·m的低阻異常區(qū)，分析為滲水區(qū)。由此，判斷副壩樁號(hào)F0+069～F0+085段、高程570.5～567.5 m區(qū)域?yàn)闈B漏帶。

圖4 副壩下游壩腳高密度電阻率剖面圖Fig.4 Profile of high-density resistivity in downstream toe of auxiliary dam

3.2.4 綜合分析

綜合自然電場(chǎng)法、高密度電法及流場(chǎng)法三種方法所測(cè)得的資料進(jìn)行分析，并結(jié)合地質(zhì)資料和現(xiàn)場(chǎng)勘查得出如下結(jié)論：副壩上游近壩庫岸存在三處滲漏入口，其中兩處為集中滲漏入口；主壩右壩肩存在繞壩滲漏，壩基存在一條深層滲漏通道；涵洞封堵段無滲漏跡象，副壩樁號(hào)F0+069～F0+085段、高程570.5～567.5 m區(qū)域?qū)贊B漏嚴(yán)重區(qū)。

上述物探結(jié)論在水庫枯水期查勘和地質(zhì)勘探中得到了進(jìn)一步的驗(yàn)證。綜合物探法充分發(fā)揮了各方法技術(shù)優(yōu)勢(shì)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，最終準(zhǔn)確直觀地對(duì)水庫滲漏情況進(jìn)行了有效分析和判斷。

4 結(jié)語

物探是一種間接的勘探方法，以一定的地質(zhì)因素與物理現(xiàn)象間的相關(guān)性為前提。在水庫大壩滲漏隱患的探測(cè)中，需要充分發(fā)揮綜合物探的作用，根據(jù)不同方法原理和適用條件，通過多種方法測(cè)試成果的綜合對(duì)比分析，克服單一方法的局限性，消除推斷解釋中的多解性。當(dāng)然，單靠物探方法是不全面的，還需要結(jié)合有關(guān)地質(zhì)資料加以佐證，以提高綜合物探成果的準(zhǔn)確性。針對(duì)水庫大壩滲漏問題，充分利用水的“低電阻率、高介電常數(shù)”的物理特性，提出了基于“自然電場(chǎng)法”、“流場(chǎng)法”和“高密度電法”的綜合物探法應(yīng)用，是綜合使用物探方法的一次有效嘗試。

[1]SL 326-2005,水利水電工程物探規(guī)程[S].

[2]譚界雄,任翔.我國(guó)小型病險(xiǎn)水庫病害特點(diǎn)及除險(xiǎn)加固技術(shù)[J].中國(guó)水利,2011(14):31-33.

[3]鄭燦堂.應(yīng)用自然電場(chǎng)法檢測(cè)土壩滲漏隱患的技術(shù)[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2005(3):854-858.

[4]何繼善.堤防滲漏管涌“流場(chǎng)法”探測(cè)技術(shù)[J].銅業(yè)工程,2000(1):5-8.

[5]宋子龍,王祥,黃斌.基于高密度電法的土石壩滲漏探測(cè)技術(shù)探討[J].大壩與安全,2013(1):38-41.