水庫(kù)堤壩滲漏檢測(cè)技術(shù)探討及應(yīng)用

韓文娟 顧 梅

我國(guó)是水利大國(guó)，擁有世界上最多的水庫(kù)堤壩，目前達(dá)到9.8萬(wàn)余座，其中95%以上為土石壩；還有44.51萬(wàn)千米堤防，堤防多為土質(zhì)堆筑。而滲漏問(wèn)題是土質(zhì)堤壩的常見(jiàn)病害，汛期和雨季極易發(fā)生破壞，關(guān)系到人民生命及財(cái)產(chǎn)安全。因此，滲流檢測(cè)監(jiān)測(cè)和安全評(píng)價(jià)等需要深入研究，急待發(fā)展高效滲漏檢測(cè)技術(shù)。

一、水庫(kù)堤壩滲漏檢測(cè)技術(shù)

目前，進(jìn)行水庫(kù)堤壩滲漏檢測(cè)的常規(guī)方法主要有：

1.有損檢測(cè)

（1）工程地質(zhì)鉆探

工程地質(zhì)鉆探是指利用機(jī)械設(shè)備，在巖層中鉆孔并取出巖芯了解巖石透水性和裂隙性的手段。它是工程地質(zhì)勘察的一種勘探方法，目的是揭露與水工建筑物有關(guān)的工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)條件，了解巖土體的工程地質(zhì)性質(zhì)。通過(guò)調(diào)查巖土體的空間分布、厚度等變化情況，進(jìn)行土體結(jié)構(gòu)類(lèi)型的劃分；通過(guò)了解地質(zhì)構(gòu)造的變化、破碎帶的空間分布以及巖性隨鉆孔深度的變化情況，判斷可能造成水庫(kù)堤壩滲漏的位置。

（2）注水或提水試驗(yàn)

孔內(nèi)注水（提水）試驗(yàn)是通過(guò)鉆孔向試段內(nèi)注水（提水），保持固定水頭高度，量測(cè)注入（提入）試段內(nèi)的水量或水頭高度，得到其與試驗(yàn)時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)，用以判定土體滲透性能，測(cè)定巖土層滲透系數(shù)大小，分析巖土層接觸部位存在滲漏的可能性。注水（提水）試驗(yàn)適用于檢測(cè)滲透性較大的結(jié)構(gòu)不緊密的粘性土、存在明顯節(jié)理裂隙的巖土的透水性。壩體或土基鉆孔宜進(jìn)行注水試驗(yàn)。

（3）壓水試驗(yàn)

壓水試驗(yàn)是用止水設(shè)備隔離出一定長(zhǎng)度的鉆孔試驗(yàn)段，然后借助水泵或水柱自重將固定水頭壓入這一試驗(yàn)段中，根據(jù)試驗(yàn)記錄得到壓力和流量的P-Q關(guān)系曲線(xiàn)，用以確定試驗(yàn)段的透水率，一般用呂榮值（Lu）表示。壓水試驗(yàn)的目的是了解水工建筑物地基與水庫(kù)堤壩滲漏地段巖體滲透性。壓水試驗(yàn)常用于測(cè)定強(qiáng)度高、滲透系數(shù)低、處于飽和狀態(tài)巖體的透水性，為評(píng)價(jià)巖體的滲透特性、防滲和地基處理提供基本資料。基巖孔段應(yīng)進(jìn)行壓水試驗(yàn)。

（4）鉆孔電視

在工程勘察中，鉆孔是一種非常重要的方法，但由于不同巖性的巖石、破碎帶、裂隙、不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、多變的水壓及水溫等，極易造成鉆孔內(nèi)部存在復(fù)雜的環(huán)境，如存在鉆孔取芯率不足的情況，研究人員很難得到這些部位的各種特征及細(xì)微構(gòu)造，而這些信息又是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。在這種背景下，近年來(lái)鉆孔電視應(yīng)運(yùn)而生。鉆孔宜采用孔內(nèi)電視探查軟弱夾層或結(jié)構(gòu)面的分布規(guī)律及特征，能獲得鉆孔裂隙的分布位置，為滲漏檢測(cè)提供更準(zhǔn)確的科學(xué)依據(jù)。

2.無(wú)損檢測(cè)

（1）高密度電阻率法

又稱(chēng)電阻率影像法，是一種新興陣列勘探方法，它利用巖體、土體電性的差異，通過(guò)人工施加穩(wěn)定電流場(chǎng)的作用研究地層中傳導(dǎo)電流分布規(guī)律，該方法將多個(gè)電極置于測(cè)線(xiàn)上，通過(guò)電極轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和工程電測(cè)儀實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速自動(dòng)采集并能夠進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理、分析和成圖。當(dāng)水庫(kù)堤壩未出現(xiàn)滲漏時(shí)，壩體電阻率垂直分布將呈現(xiàn)出近似層狀均勻分布的狀態(tài)；若壩體或基礎(chǔ)存在滲漏點(diǎn)時(shí)，電阻率垂直分布會(huì)出現(xiàn)明顯的低電阻值區(qū)域。高密度電阻率法適用于電性不均勻體的探測(cè)，對(duì)于地質(zhì)資料缺乏的病險(xiǎn)水庫(kù)展開(kāi)滲漏探測(cè)，能較好地揭示壩體及壩基的電阻率分布情況，為堤壩的防滲加固提供科學(xué)依據(jù)。

（2）探地雷達(dá)

探地雷達(dá)技術(shù)利用寬帶天線(xiàn)發(fā)射和接收高頻電磁波來(lái)探測(cè)地下內(nèi)部目標(biāo)特性和分布規(guī)律，了解其結(jié)構(gòu)形態(tài)及確定其位置。當(dāng)水庫(kù)堤壩發(fā)生滲漏時(shí)，滲漏區(qū)域內(nèi)部力學(xué)特性以及電磁特性將會(huì)發(fā)生很大的變化。通過(guò)對(duì)滲漏區(qū)的形狀和范圍進(jìn)行探測(cè)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)資料，便能了解地質(zhì)特征信息，從而探測(cè)堤壩隱患位置。探地雷達(dá)技術(shù)具有迅速、準(zhǔn)確、高效、直觀、連續(xù)獲得結(jié)果、可重復(fù)探測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，其探測(cè)過(guò)程具有強(qiáng)抗干擾和高分辨率的能力，在無(wú)損探測(cè)中有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。探地雷達(dá)技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景，但也存在探測(cè)深度有限的局限性，且需要地下目標(biāo)體和周?chē)橘|(zhì)顯示明顯的電性差異，否則會(huì)影響探測(cè)效果。

（3）示蹤試驗(yàn)

隨著同位素技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，1957年德國(guó)科學(xué)家Moser首次提出利用同位素示蹤法測(cè)定含水層滲流速度、滲透流向的稀釋測(cè)井法。示蹤試驗(yàn)一般在含水層滲漏段的上游投源孔投入適當(dāng)?shù)氖聚檮?，在滲漏部位下游的檢測(cè)點(diǎn)（檢測(cè)孔）采取水樣檢測(cè)示蹤劑成分，繪制出水樣的電導(dǎo)率—時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)，判定投源孔與檢測(cè)孔之間是否存在徑流通道以及徑流量的大小。對(duì)于巖溶發(fā)育、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的地區(qū)，傳統(tǒng)滲漏檢測(cè)難度大，采用放射性同位素作為示蹤劑的示蹤試驗(yàn)對(duì)水庫(kù)堤壩的滲漏進(jìn)行探測(cè)可以取得較好效果。但由于放射性同位素對(duì)人體和環(huán)境易產(chǎn)生危害，所以示蹤劑的選擇需遵循一定原則。

（4）地下水流速測(cè)定

圖1 示蹤試驗(yàn)?zāi)硻z測(cè)孔電導(dǎo)率—時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)圖

圖2 地下水流速測(cè)定某斷面流速—高程曲線(xiàn)圖

該方法通過(guò)測(cè)定地下水流速，分析不同部位鉆孔不同深度處的地下水流速變化規(guī)律，判定滲漏部位及滲流強(qiáng)度，進(jìn)一步分析確定滲漏范圍。放射性同位素單孔稀釋示蹤法其基本原理是將放射性示蹤劑投進(jìn)投源孔中的水體，孔內(nèi)地下水的滲流會(huì)稀釋示蹤劑，根據(jù)示蹤劑濃度變化的快慢即可推求孔內(nèi)地下水流速。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)測(cè)量地下水流向流速的地下水流速流向儀已問(wèn)世并應(yīng)用于工程實(shí)踐，該儀器提供了一個(gè)直接準(zhǔn)確確定地下水流方向和速度的手段，在定量確定地下水流速方面，儀器測(cè)量誤差更小，精準(zhǔn)度更高。地下水流速測(cè)定作為水庫(kù)堤壩滲漏檢測(cè)技術(shù)的補(bǔ)充，用來(lái)驗(yàn)證其他檢測(cè)手段的結(jié)論，可以提高判斷的準(zhǔn)確性。

（5）水溫觀測(cè)

水庫(kù)表層水體溫度隨季節(jié)變化十分明顯，夏季自表層向下水溫一般呈遞減趨勢(shì)，且淺部變化梯度較大，深部變化梯度逐漸減?。欢咀员韺酉蛳滤疁匾话懵猿蔬f增趨勢(shì)，如果水深不大，上下層水溫相差很小。如果地下水徑流強(qiáng)度大、循環(huán)快，那么在徑流過(guò)程中水體熱能與周?chē)貙铀w熱能會(huì)產(chǎn)生相互影響和轉(zhuǎn)換。也就是說(shuō)，如果低溫水體通過(guò)徑流帶進(jìn)入較水體溫度高的地層區(qū)，會(huì)沿徑流帶形成一個(gè)地層低溫帶，由于大部分巖石屬于熱的不良導(dǎo)體，在一定溫度差與徑流強(qiáng)度下，沿徑流帶會(huì)形成較長(zhǎng)的低溫帶。因此，通過(guò)測(cè)定不同部位鉆孔及不同深度的水溫分布規(guī)律可以分析判斷地下水的徑流情況，間接判定水庫(kù)堤壩的滲漏部位。

（6）聲納滲漏檢測(cè)

圖3 某檢測(cè)孔流速曲線(xiàn)與鉆孔電視圖像對(duì)比圖

聲納是利用在水中發(fā)送和反射聲波對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、定位及跟蹤的技術(shù)，聲納滲漏檢測(cè)是利用聲波在水中得天獨(dú)厚的傳播條件實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫(kù)堤壩滲漏部位的探測(cè)。其檢測(cè)原理是：如果被測(cè)水庫(kù)堤壩存在滲漏部位，則在測(cè)區(qū)一定產(chǎn)生滲漏流場(chǎng)，使用聲納探測(cè)儀可以探測(cè)出聲波在水體中傳播的大小、分布以及速率，根據(jù)傳播速度之差與被測(cè)流體流速之間的關(guān)系可以建立連續(xù)的滲流場(chǎng)水流質(zhì)點(diǎn)流速方程，從而判斷堤壩滲漏位置、滲漏路徑、滲漏源頭等信息。聲納滲漏檢測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)檢測(cè)方法相比，不干擾流場(chǎng)，具有節(jié)水環(huán)保、費(fèi)用低廉的優(yōu)點(diǎn)，在水庫(kù)堤壩滲漏檢測(cè)、水文地質(zhì)勘察及城市開(kāi)挖基坑的滲漏檢測(cè)方面皆有廣泛應(yīng)用。

3.模擬分析

模擬是用近似的簡(jiǎn)化模型或者數(shù)據(jù)模仿真實(shí)的情況，并試圖找出簡(jiǎn)單有效的方法來(lái)解決現(xiàn)實(shí)中的問(wèn)題，用于水庫(kù)堤壩滲漏檢測(cè)的模擬主要有數(shù)值模擬和物理模擬。數(shù)值模擬運(yùn)用水庫(kù)堤壩已有的監(jiān)測(cè)資料和試驗(yàn)資料，建立三維滲流有限元數(shù)值模型，利用該模型進(jìn)行不同蓄水位的三維滲流計(jì)算，反饋分析蓄水后壩體和壩基的滲漏情況。物理模擬是在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M真實(shí)物理過(guò)程，對(duì)于數(shù)值計(jì)算難以處理的復(fù)雜情形一般可用物理模擬。物理模擬具有易控、省力、可重復(fù)，可進(jìn)行較全面和規(guī)律性實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)。模擬分析是滲流檢測(cè)技術(shù)重要的補(bǔ)充。

圖4 某檢測(cè)孔水溫—高程曲線(xiàn)圖

4.監(jiān)測(cè)資料的分析

水庫(kù)堤壩的滲漏檢測(cè)技術(shù)中較受歡迎的是監(jiān)測(cè)資料的分析。在水庫(kù)運(yùn)行期間，在堤壩邊坡適當(dāng)位置布置觀測(cè)孔，觀測(cè)各孔水位，繪制壩址地下水水位線(xiàn)圖和三維滲流場(chǎng)圖，分析地下水流場(chǎng)，確定不同部位地下水的徑流方向，初步判定堤壩下游地下水的來(lái)源，進(jìn)一步判定壩址滲漏部位。選擇兩個(gè)或多個(gè)觀測(cè)孔水位與庫(kù)水位進(jìn)行相關(guān)性分析，通過(guò)孔水位與庫(kù)水位的關(guān)系曲線(xiàn)，判斷可能存在的滲漏區(qū)域，了解壩基地下水滲流特征及其變化趨勢(shì)。

5.綜合檢測(cè)技術(shù)

上述堤壩的滲漏檢測(cè)技術(shù)在工程實(shí)踐中有很多成功的應(yīng)用案例，但由于壩體的滲漏原因多變，滲漏部位尺寸細(xì)小，且壩體所處地質(zhì)條件、填筑材料、填筑密度、含水量等因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果多有影響，導(dǎo)致滲漏隱患探測(cè)難度大。顯然，單一不變的檢測(cè)技術(shù)并不能滿(mǎn)足準(zhǔn)確查明堤壩滲漏原因、確定滲漏位置的要求，因此，對(duì)病險(xiǎn)堤壩的綜合檢測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，通過(guò)各種檢測(cè)結(jié)果的互相驗(yàn)證，可以有效提高準(zhǔn)確性。

二、工程應(yīng)用

1.工程概況

某水庫(kù)總庫(kù)容3.14億m3，正常蓄水位714.0m，設(shè)計(jì)洪水位719.1m，校核洪水位721.2m。該水庫(kù)堤壩為混凝土堆石壩，壩頂高程為720.8m。水庫(kù)通過(guò)安全鑒定后開(kāi)始蓄水，在蓄水至682.0m時(shí)，壩端上、下游出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。

2.滲流檢測(cè)

該工程滲漏檢測(cè)基于滲漏現(xiàn)象與水庫(kù)堤壩運(yùn)行期間監(jiān)測(cè)資料的分析，初步確定可能存在滲漏的部位，進(jìn)而采用工程地質(zhì)鉆探、水位觀測(cè)、示蹤試驗(yàn)、地下水流速測(cè)定、鉆孔電視、水溫觀測(cè)及模擬分析等多種手段對(duì)壩肩部位進(jìn)行綜合檢測(cè)，部分檢測(cè)成果見(jiàn)圖1～4，各檢測(cè)結(jié)果大部分具有明顯一致性，相互驗(yàn)證了分析結(jié)果的可靠性。

三、結(jié)語(yǔ)

水庫(kù)堤壩的滲漏檢測(cè)技術(shù)多種多樣，采用單一方法往往具有多解性，且存在精度不高的現(xiàn)象，根據(jù)實(shí)際情形合理選擇、組合探測(cè)技術(shù)對(duì)水庫(kù)堤壩隱患進(jìn)行綜合檢測(cè)，各種檢測(cè)結(jié)果相互驗(yàn)證，如果高度統(tǒng)一，則可以說(shuō)明其高精度與高準(zhǔn)確率