邊坡與堤壩滲流監(jiān)測和滲漏檢測技術(shù)綜述

顧家慧 房欣如 陳亮

摘 ?要：根據(jù)大量的文獻資料，對堤壩和邊坡滲流監(jiān)測與滲漏檢測技術(shù)研究在我國的發(fā)展過程進行了綜述。結(jié)合工程實例，詳細列舉了目前滲透探測技術(shù)包括傳統(tǒng)的滲漏探測方法、地球物理法、示蹤法、流場法和分布式光纖溫度傳感勘探方法，并闡述了典型的滲漏探測技術(shù)的原理、優(yōu)點缺點以及使用范圍。最后，對堤壩和邊坡滲流監(jiān)測研究的發(fā)展方向予以展望。

關(guān)鍵詞：滲流 ?滲漏 ?發(fā)展 ?監(jiān)測 ?分析

中圖分類號：TV698 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2020）12（c）-0050-03

Discussion on Seepage Monitoring and Leakage Detection Technology of Slope and Dam

GU Jiahui ?FANG Xinru ?CHEN Liang

（College of Civil Engineering and Transportation， Hohai University， Nanjing， Jiangsu Province， 210098 ?China）

Abstract： Based on a large number of literature， the development of seepage monitoring and leakage detection technology for dam and slope in China is reviewed. The paper， combining engineering practice， states the typical methods of seepage monitoring and leakage detection technology embracing traditional leakage detection methods、geophysical methods、trace methods、flow field methods and distributed optical fiber tempera ? ? ?ture sensing leakage detection methods.The paper also states the principle， advantages and disadvantages and application range of each method. In the end， the development direction of seepage monitoring research on dam and slope is prospected.

Key Words： Seepage; Leakage; Development; Monitoring; Analysisa

滲透變形的基本形式包括流土和管涌，指土體在一定水力坡降作用下常常發(fā)生變形或破壞的現(xiàn)象。對于巖土和地下工程，考慮地下水滲流作用的影響，防治滲透變形的發(fā)生對于工程安全性、開發(fā)地下水資源、 防治地下水污染等情況[1]具有重要意義。滲流引發(fā)的管涌和流土等滲透變形現(xiàn)象，容易使得隔水層被頂破，造成基坑涌水，基坑承載力下降等危害。

因此，在地下工程和巖土工程中，常常需要對滲流和滲透變形進行監(jiān)測和檢測。

1 ?滲漏探測技術(shù)的發(fā)展

根據(jù)王家琛等人[2]基于CNKI數(shù)據(jù)庫甄別出與滲流監(jiān)測有關(guān)的文獻，分析闡述滲流監(jiān)測領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢和熱點方向。

根據(jù)1983—2018年滲流監(jiān)測研究發(fā)文量，可將我國滲流監(jiān)測發(fā)展分為如下3個階段：第一階段，1983—2002年，萌芽期;第二階段，2003—2012年，發(fā)展期;第三階段，2013—2018年，爆發(fā)期。受長江三峽工程（修建時間1994—2006年）、錦屏一級大壩（修建時間2005—2006年）等一批國家重大水利、交通工程項目修建的影響，自2002年后，我國滲流監(jiān)測進入較快發(fā)展的階段。

滲漏探測技術(shù)主要利用滲漏隱患區(qū)含水量較大所表現(xiàn)出的物理、化學性質(zhì)不同，分為以測流量和測量滲透壓力為主的傳統(tǒng)滲漏探測方法;主要以電法和磁法為原理的地球物理勘探方法;以測溫度和同位素為主的示蹤法勘探方法;以電流場推測水流場為原理的流場法勘探方法;以測量溫度為原理的分布式光纖溫度傳感勘探方法，等等。監(jiān)測方法按照監(jiān)測方法的性質(zhì)分為點式監(jiān)測，整體式監(jiān)測和分布式監(jiān)測。

2 ?傳統(tǒng)的滲漏探測方法

傳統(tǒng)的滲漏探測方法包括人工巡查、以容積法和量水堰法為主的滲流量監(jiān)測法、以滲壓計法和測壓管法為主的滲透壓力監(jiān)測法。

傳統(tǒng)的監(jiān)測方法因其結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便的優(yōu)點，在已經(jīng)建成的大壩水庫中應用廣泛。自1953年始，官廳水庫采用測壓管、量水堰、集水井等水庫滲流監(jiān)測設施監(jiān)測水庫浸潤線和滲流量。此外，滲壓計法、量水堰法等傳統(tǒng)滲漏監(jiān)測方法廣泛應用于湘江長沙綜合樞紐工程、黃河積石峽水電站工程樞紐等工程中。

然而，傳統(tǒng)滲漏監(jiān)測方法有其無法忽視的弊端，如孔與孔之間距離過長、材料的不均勻性等因素都會導致觀測效果有時并不理想。傳統(tǒng)監(jiān)測方法為點式監(jiān)測法，難以實現(xiàn)整體式覆蓋監(jiān)測，容易產(chǎn)生因漏檢而存在安全隱患的現(xiàn)象。

3 ?地球物理勘探方法

3.1 電探法探測技術(shù)

3.1.1 電容式傳感器滲漏監(jiān)測

該方法的本質(zhì)是液體流穿透防滲層，使得防滲層的介電常數(shù)增大。電容與介質(zhì)介電常數(shù)近似呈線性關(guān)系，通過對電容變化實現(xiàn)對壩體滲流的監(jiān)測[3]。利用電容法探測滲漏，該法具有較高的靈敏度。

3.1.2 直流電阻率法滲漏監(jiān)測

常規(guī)電法探測通常指剖面法和測深法，壩體材料導電性與介質(zhì)類型、介質(zhì)孔隙率、含水率、電解率有關(guān)，通過電阻率測量所得的差異了解地下結(jié)構(gòu)的分布[4]。電阻率探測的關(guān)鍵是分別布置形成電場以及測電流電壓的兩對電極，電極排列方式主要有溫納排列、庫勒伯格排列、不等距四極布置等。壩體內(nèi)存在含水率較高的部分，則會出現(xiàn)明顯的低阻區(qū)。

常規(guī)法反應靈敏、探測方法簡單，節(jié)約成本，但是常規(guī)方法無法反映豎直方向的電性變化，測量精度不高，且無法連續(xù)測量，因此高密度電阻率法應運而生。20世紀70年代由英國首先提出高密度電阻率法，日本地質(zhì)株式會社于20世紀80年代實現(xiàn)，80年代末我國引入電法探測新技術(shù)。高密度電阻率法將普通電阻率方法的原理和陣列概念相結(jié)合。高密度電法將電剖面和電測深結(jié)合為一整體，結(jié)合二維電影反演的電阻率層析成像技術(shù)，使得所測數(shù)據(jù)更密的同時進一步提高了分辨率。并且，高密度電法可以同時反映水平方向和垂直方向的電性變化規(guī)律。

實際工程中也常常利用電阻率測量法進行滲漏探測，對大壩進行安全評估。

3.1.3 自然電位法滲漏監(jiān)測

自然電位法基于Maclnnes等人[5]的研究發(fā)現(xiàn)，水流在可滲透介質(zhì)中的電動耦合作用會產(chǎn)生電位，成為自然電位。探測地下水的自然電位需要普通的電測儀，對于可能滲漏的部位，布置測網(wǎng)，通過不極化電極測量電位差，聯(lián)合測網(wǎng)所得的數(shù)據(jù)，繪制等電位線圖，電位最低處即為滲漏嚴重處。該方法操作簡單，成本低，可以確定滲漏源的幾何形狀，一般只能用于沒有散浸的、滲漏量小的單一含水層，無法明顯地反映微小滲透破壞和滲流量。

3.1.4 激發(fā)極化法滲漏監(jiān)測

20世紀50年代，美國和前蘇聯(lián)等國家的學者，對利用含水巖石的激發(fā)極化效應勘查地下水的可能性進行理論分析與試驗研究，取得一定的成果。激發(fā)極化效應即IP效應是指電流的滯后效應。當恒定強度的電流輸入地下，或者切斷電源后，電極之間的電流會隨著時間漸趨平穩(wěn)。根據(jù)不同的介質(zhì)對電流的衰減影響程度不同的原理，通過IP效應中電流增強和衰減的程度分析堤防中的滲漏異常部位。激發(fā)極化法可以有效地測出滲漏異常處，同時可基于此判斷壩體滲漏部位、規(guī)模、破壞形式及檢測防滲墻的施工質(zhì)量。該方法的弊端為激化異常需要一定的規(guī)模，實際工程中滲漏異常處常常尺寸較小，并不適用。

3.2 電磁法探測技術(shù)

3.2.1 瞬時電磁法滲漏探測

瞬變電磁法（TEM）即時間域電磁法，其基本原理為不同位置、不同深度地層對磁場變化產(chǎn)生不同渦流強度，因為含水率越大，產(chǎn)生的渦流場越強。中國水利水電科學研究院房純剛教授等人[6]1989年開始進行瞬變電磁法探測壩體及壩基滲漏研究，并于1998年將該方法應用于土壩和堤防滲漏隱患探測，效果顯著。該方法探測深度大、速度快、不受地形和接地電阻的影響，但是存在淺層探測盲區(qū)的弊端，對實際工程的滲漏探測也埋下了一定的隱患。

3.2.2 地質(zhì)雷達法滲漏探測

地質(zhì)雷達（GRE）法基于高頻電磁波理論的原理，根據(jù)接收到的反射波的波形特征、強度、時間等因素推斷地下介質(zhì)的空間位置、結(jié)構(gòu)、電性質(zhì)及幾何形態(tài)，從而達到對地下地層或目標體的探測。吳相安等人[7]運用自制的100 MHz發(fā)射頻率天線查出了壩下10 m深的涵管，利用400 MHz發(fā)射頻率天線探測3 m以上10～20 cm的蟻巢。

3.3 彈性波法探測技術(shù)

彈性波法探測技術(shù)主要包括地震反射波法、地震折射波法、地震映像法和瑞雷面波法。依據(jù)堤壩隱患與背景場的波速及波阻抗差異， 可采用縱波、橫波反射技術(shù)及面波探測技術(shù)向地層發(fā)射合適的波形，實現(xiàn)對堤壩隱患的檢測。

4 ?示蹤法勘探方法

在水庫檢測滲漏中，示蹤法包括環(huán)境同位素示蹤法和溫度示蹤法。溫度示蹤法利用地球表面溫度低，地下溫度高的特點，依次推測強滲漏區(qū)域，若某處溫度過高，該區(qū)域極有可能發(fā)生滲漏。同位素示蹤法，通過同位素的天然特征，測定各地層水的滲漏流速、水平流向、垂直流向，以及注水條件下的垂直流向，進而確定堤壩滲漏區(qū)[8]。示蹤法通常需要進行鉆孔投放示蹤劑或者鉆孔測溫，但某些地區(qū)，鉆孔難度較大，該法不可行。

5 ?流場法勘探方法

流場法是中南大學何聚善院士、湯井田教授等人[9]提出的探測水流場流向和相對流速的全新物理探測滲漏技術(shù)。利用水流場與電流場在一定條件下的某些數(shù)學物理相似性，通過建立特殊電流場擬合滲漏水流場，通過此電流場的分布推測水流場的流向和相對流速。

目前，該技術(shù)只能用于壩體上游的水庫之中，并且只能找到滲漏點，不能測定滲漏在防滲體內(nèi)部的分布情況。

6 ?分布式光纖溫度傳感勘探方法

對于利用溫度勘測滲漏，M Adrea等人利用BODTA對海水管道進行檢測，通過溫差確定了滲漏發(fā)生的位置。但由于溫度場分布不均，改進為分布式光纖溫度傳感法。分布式光纖溫度傳感方法于20世紀70年代提出。通過光纖測溫系統(tǒng)實現(xiàn)對光纖沿途所經(jīng)過地方的溫度場進行連續(xù)、分布式的實時測量;同時與光時域反射技術(shù)相結(jié)合獲取測溫點的位置。分布式光纖傳感器法可以實時監(jiān)測防滲體全部范圍，但是只能監(jiān)測溫度，無法測量滲流速度等參數(shù)，此外光纖對應力比較敏感，在實際鋪設中存在一些困難。

7 ?結(jié)論

（1）按照監(jiān)測方法的性質(zhì)，將監(jiān)測方法大體分為點式、整體式和分布式監(jiān)測3種，其中，點式監(jiān)測方法包括滲流量監(jiān)測、滲透壓力監(jiān)測、電探法監(jiān)測;整體式監(jiān)測方法包括電磁法監(jiān)測和彈性波監(jiān)測;分布式監(jiān)測方法包括分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)。整體式監(jiān)測方法反應全面，操作簡捷，越來越受到關(guān)注。

（2）雖然電學、電磁學和光學等原理均與滲漏測試相結(jié)合，但提高效率、覆蓋面變廣的同時每種方法均有其局限性，因而傳統(tǒng)的滲漏探測法包括滲流量探測以及滲透壓力的探測，以其成本低、操作簡單等優(yōu)點，仍在工程實際中被廣泛應用。

（3）根據(jù)工程實際選用合適的測量方法，有時，單一的方法不能完成全方位的測量工作，需將多種方法結(jié)合使用。

參考文獻

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