水庫(kù)大壩滲漏常用探測(cè)技術(shù)及工程應(yīng)用

徐 軼 ，譚 政 ，位 敏

（1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，430010，武漢；2.國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心，430010，武漢；3．中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，510610，廣州）

大壩防滲是水利水電工程設(shè)計(jì)和施工中最重要的關(guān)注點(diǎn)之一，但由于各方面原因，滲漏一直以來(lái)都是水庫(kù)大壩最常見的病害。大壩滲漏不僅影響水庫(kù)發(fā)電、供水、灌溉等工程效益的正常發(fā)揮，嚴(yán)重者甚至直接威脅工程的防洪安全，造成潰壩風(fēng)險(xiǎn)。滲漏問(wèn)題是影響大壩整體安全的重要因素，深入研究大壩滲漏的探測(cè)技術(shù)、評(píng)價(jià)方法及其處理對(duì)策，總結(jié)工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于保障我國(guó)水庫(kù)大壩的安全運(yùn)行具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

有效、準(zhǔn)確地探測(cè)滲漏病害是評(píng)價(jià)大壩滲漏安全和進(jìn)行加固處理的重要前提，但由于水庫(kù)大壩建筑物規(guī)模大、范圍廣，滲漏病害的滲漏點(diǎn)分散，滲漏病害具有較強(qiáng)的復(fù)雜性與隱蔽性，其探測(cè)一直以來(lái)都是大壩安全領(lǐng)域的一項(xiàng)技術(shù)難題。

一方面，由于各類大壩建筑物型式繁雜、工作條件各不相同，不同壩型導(dǎo)致滲漏的表現(xiàn)形式及原因千差萬(wàn)別，且同一時(shí)期大壩可能存在多種滲漏現(xiàn)象，滲漏病害呈現(xiàn)多樣化、多元化特征。單一滲漏探測(cè)技術(shù)在水庫(kù)大壩中的應(yīng)用均存在一定局限性，需要采用多種可行方法進(jìn)行補(bǔ)充與印證。

另一方面，近年我國(guó)壩工技術(shù)及大壩建設(shè)發(fā)展迅速，已建大壩中有相當(dāng)數(shù)量的高壩大庫(kù)，高壩深水環(huán)境下滲漏病害因探測(cè)部位水深更大、范圍更廣、水下環(huán)境更復(fù)雜，常規(guī)檢測(cè)技術(shù)難以實(shí)施或?qū)嵤┬Ч^差。

本文對(duì)不同滲漏探測(cè)手段技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用效果進(jìn)行總結(jié)，提出滲漏探測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)；結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，提煉不同壩型滲漏探測(cè)技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)，以期為類似工程滲漏探測(cè)提供依據(jù)和參考。

一、水庫(kù)大壩滲漏探測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

隨著現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展，水庫(kù)大壩滲漏病害探測(cè)技術(shù)得到了快速發(fā)展，基于聲、光、電、電磁等原理的探測(cè)方法得到了廣泛應(yīng)用，聲吶滲漏檢測(cè)、潛水員檢測(cè)、水下機(jī)器人檢測(cè)等手段也應(yīng)用于水庫(kù)大壩的滲漏檢測(cè)。根據(jù)技術(shù)特點(diǎn)及原理，可以將常用滲漏探測(cè)技術(shù)分為5大類，即電磁法類、彈性波法類、示蹤法類、視頻法類及其他類。

1.電磁法類

電磁法類主要包括自然電場(chǎng)法、高密度電阻率法、瞬變電磁法、大地電磁法、探地雷達(dá)法、電磁波CT法等。此類方法通過(guò)測(cè)量巖土材料本身電磁特性及其在天然或人工激發(fā)電磁信號(hào)作用下響應(yīng)來(lái)探測(cè)壩體內(nèi)部缺陷情況，若壩體內(nèi)存在集中滲漏通道時(shí)會(huì)呈現(xiàn)明顯電磁信號(hào)異常。由于電磁信號(hào)在巖土地質(zhì)體中衰減速率較快，電磁法類有效探測(cè)距離較短，且電磁信號(hào)易受外界環(huán)境及地層本身非均勻性干擾，探測(cè)精度常受到限制。

2.彈性波法類

彈性波法類主要包括地震折射波法、瑞雷波法、彈性波CT法、聲吶法等。此類方法利用人工激發(fā)的地震波、瑞雷波、聲波等彈性波在被測(cè)介質(zhì)中的不同傳播速度及反射、折射、透射等原理對(duì)介質(zhì)內(nèi)部的缺陷進(jìn)行檢測(cè)。如聲吶法利用聲波在水中的優(yōu)異傳導(dǎo)特性，基于多普勒原理實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫(kù)庫(kù)底流速場(chǎng)的檢測(cè)，以定位入滲點(diǎn)。近年聲吶法在閘壩、面板壩及瀝青心墻壩等壩型滲漏檢測(cè)中得到了成功應(yīng)用,但此類方法多采用二維斷面檢測(cè)，需要布置大量斷面才能顯示整體檢測(cè)結(jié)果。

3.示蹤法類

示蹤法類主要包括同位素示蹤法、連通性試驗(yàn)、水化學(xué)分析等。此類方法通過(guò)在大壩上游或滲漏入口投入同位素示蹤劑、熒光素、食品級(jí)顏料或其他對(duì)環(huán)境無(wú)毒害的顏料示蹤劑，調(diào)查滲漏入口的水化學(xué)成分（如氯離子、硫酸根離子、重碳酸根離子，鈣、鎂、鉀、鈉等離子），并在大壩下游滲漏出口進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以判斷水流的連通性及滲漏通道的存在。此類方法一般作為滲漏探測(cè)的輔助驗(yàn)證手段，無(wú)法確定滲漏通道在大壩內(nèi)部的分布情況。

4.視頻法類

視頻法類主要包括潛水員視頻檢查、彩色電視視頻檢查、水下機(jī)器人（ROV）探測(cè)、水下噴墨攝像、鉆孔彩色電視成像技術(shù)等。通過(guò)近距離視頻攝像等方式可以直觀檢查水下部位等隱蔽性較強(qiáng)的滲漏病害，隨著水下無(wú)人技術(shù)、視頻成像技術(shù)的不斷發(fā)展，ROV視頻檢查、水下噴墨攝像、鉆孔彩色電視成像技術(shù)在水庫(kù)大壩滲漏探測(cè)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。由于水庫(kù)大壩規(guī)模龐大、水庫(kù)環(huán)境復(fù)雜，視頻檢查也存在檢測(cè)工作量大、效率低、水下復(fù)雜環(huán)境難以覆蓋等不足。

5.其他類

除上述方法外，也有一些其他方法可用于水庫(kù)大壩滲漏探測(cè)，如流場(chǎng)法、溫度場(chǎng)法等。流場(chǎng)法測(cè)定“偽隨機(jī)”電流場(chǎng)與滲漏水流場(chǎng)時(shí)空分布形態(tài)之間的擬合關(guān)系，來(lái)判斷滲漏入口；溫度場(chǎng)法是在獲得滲漏通道上各測(cè)點(diǎn)溫度的情況下，運(yùn)用反分析法研判溫度異常確定滲漏通道的具體位置。但此類方法應(yīng)用于水庫(kù)大壩滲漏探測(cè)中時(shí)，需假設(shè)具備一條或者多條集中的滲漏通道，邊界條件太過(guò)理想化，實(shí)際工程應(yīng)用中并不多見。

二、滲漏探測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

目前滲漏已成為水庫(kù)大壩的常見病害之一，亟須能夠快速準(zhǔn)確查明滲漏病害的探測(cè)技術(shù)。總結(jié)水庫(kù)大壩常用滲漏探測(cè)技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)，今后需要加強(qiáng)關(guān)注以下幾個(gè)方面：

1.需發(fā)展綜合性探測(cè)技術(shù)，融合多源信息進(jìn)行滲漏診斷

采用單一探測(cè)方法往往不能全面反映大壩滲漏情況，且探測(cè)成果得不到驗(yàn)證，準(zhǔn)確率不高。在實(shí)際工程應(yīng)用中，常需要采用多種可行的方法進(jìn)行檢測(cè)與印證，對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合分析和綜合評(píng)價(jià)。一些學(xué)者提出了采用兩種或多種物探手段的綜合物探方法，進(jìn)行大壩滲漏檢測(cè)。但除物探方法外，滲流監(jiān)測(cè)資料分析、數(shù)值反演分析等多種手段均可以應(yīng)用到滲漏探測(cè)中。應(yīng)綜合利用不同分析方法及檢測(cè)手段的優(yōu)勢(shì)，發(fā)展融合多源信息的綜合探測(cè)技術(shù)。

2.狹窄水域深水滲漏探測(cè)技術(shù)需得到加強(qiáng)

近年，不少高壩大庫(kù)建成伊始即存在滲漏，滲漏探測(cè)呈現(xiàn)范圍深水化的特點(diǎn)。水下滲漏探測(cè)主要采用潛水員檢測(cè)及ROV檢測(cè)，但常規(guī)空氣潛水深度受限（60m以內(nèi)），ROV對(duì)于深水復(fù)雜作業(yè)環(huán)境適應(yīng)性差。有必要進(jìn)一步研究氦氧混合氣潛水技術(shù)（深度可達(dá)60～120m）以及水利水電行業(yè)專業(yè)機(jī)器人等在深水環(huán)境滲漏探測(cè)中的應(yīng)用。

3.滲漏病害的可視化探測(cè)方法需要深入研究

目前大壩滲漏無(wú)損檢測(cè)主要針對(duì)上游壩面滲漏入口檢測(cè)，對(duì)內(nèi)部通道和對(duì)壩體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響只能通過(guò)鉆孔等破壞性檢查?？蛇M(jìn)一步研發(fā)聲吶掃描成像、超聲成像等成果可視化的探測(cè)方法，提高成果解譯的直觀性，以準(zhǔn)確探知大壩建筑物滲漏通道的位置。

4.測(cè)量精準(zhǔn)化是今后滲漏探測(cè)技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)

現(xiàn)有物探檢測(cè)數(shù)據(jù)繁雜、解譯精度低，難以準(zhǔn)確定位滲漏位置。研究在高山峽谷地區(qū)的水庫(kù)水域范圍內(nèi)入滲點(diǎn)的精準(zhǔn)定位探測(cè)技術(shù)，對(duì)于滲漏處理及加固具有重要意義。

三、水庫(kù)大壩滲漏探測(cè)技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)

水庫(kù)大壩病害情況各異，其滲漏病害的探測(cè)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作。在不斷提高和發(fā)展各種探測(cè)技術(shù)手段的同時(shí)，應(yīng)注意結(jié)合實(shí)際工程特點(diǎn)對(duì)滲漏病害進(jìn)行診斷和研判。水工建筑物型式繁雜，不同壩型、不同類型滲漏適用的探測(cè)技術(shù)也不盡相同。因此有必要針對(duì)不同壩型滲漏病害的特點(diǎn)提煉滲漏探測(cè)技術(shù)工程應(yīng)用要點(diǎn)。

1.水庫(kù)大壩滲漏病害特點(diǎn)

根據(jù)水庫(kù)大壩滲漏發(fā)生部位的不同，一般分為三種類型：壩體滲漏、壩基滲漏、繞壩滲漏。

（1）壩體滲漏

作為水庫(kù)主要擋水建筑物的各類壩型均具備完善的防滲體系，壩體本身的滲漏主要源于防滲體系出現(xiàn)缺陷或存在薄弱環(huán)節(jié)，庫(kù)水沿薄弱部位發(fā)生滲漏。但不同壩型因結(jié)構(gòu)型式存在差異，其防滲體系具有不同特點(diǎn)，呈現(xiàn)不同的滲漏規(guī)律。我國(guó)水庫(kù)大壩壩型種類繁多，從筑壩材料來(lái)看，土石壩和混凝土壩是兩類主要壩型。此外，近數(shù)十年來(lái)，我國(guó)瀝青混凝土心墻堆石壩和混凝土面板堆石壩工程應(yīng)用發(fā)展較快，這兩種壩型的滲漏病害問(wèn)題也比較突出。

對(duì)于土質(zhì)防滲體土石壩（如均質(zhì)土壩、黏土心墻壩、黏土斜墻壩等），其滲漏病害主要表現(xiàn)為壩體長(zhǎng)期存在滲漏、管涌、散浸、流土，甚至有的壩腳存在沼澤化。滲漏主要成因是防滲土料抗?jié)B指標(biāo)不足、防滲體或壩體填筑質(zhì)量差、防滲體開裂老化、白蟻及其他動(dòng)物危害等。

混凝土壩 （包括混凝土重力壩、拱壩及碾壓混凝土壩等）滲漏主要表現(xiàn)為壩面裂縫、結(jié)構(gòu)縫集中滲水，甚至大量析鈣問(wèn)題，主要成因是壩體澆筑質(zhì)量差而產(chǎn)生裂縫或孔洞、混凝土抗?jié)B性能低及結(jié)構(gòu)縫止水失效等形成滲漏通道。

瀝青混凝土心墻壩主要為心墻或心墻與基礎(chǔ)接觸部位滲漏，導(dǎo)致滲漏的主要因素有：瀝青混凝土心墻質(zhì)量缺陷、心墻開裂、心墻老化、瀝青心墻與混凝土基座連接處理不善等。

混凝土面板堆石壩依靠堆石體上部設(shè)置的較薄混凝土面板作為主要防滲體，其滲漏通道多發(fā)生在面板，且主要表現(xiàn)為混凝土面板裂縫、破損或局部缺失、面板錯(cuò)臺(tái)、面板結(jié)構(gòu)縫的止水失效等引起的滲漏，主要原因有壩體與兩岸基巖變形不協(xié)調(diào)、壩體填筑材料的特性和壓實(shí)不密實(shí)，面板止水結(jié)構(gòu)存在缺陷等。

（2）壩基滲漏及繞壩滲漏

各類壩型壩基滲漏主要表現(xiàn)為壩基覆蓋層、強(qiáng)風(fēng)化巖體、基巖裂隙或結(jié)構(gòu)面發(fā)生滲漏，巖溶地區(qū)還存在巖溶滲漏問(wèn)題。繞壩滲漏一般表現(xiàn)為滲水通過(guò)大壩兩岸壩端山體從下游岸坡逸出，滲漏通道主要為透水性較高的覆蓋層、巖石斷層裂隙、溶洞和生物洞穴等。壩基滲漏及繞壩滲漏主要原因是覆蓋層或強(qiáng)風(fēng)化巖體清基不徹底、帷幕灌漿質(zhì)量較差等。

2.滲漏探測(cè)技術(shù)工程應(yīng)用

在認(rèn)識(shí)水庫(kù)大壩滲漏病害基本規(guī)律的基礎(chǔ)上，結(jié)合不同滲漏探測(cè)技術(shù)的適用特點(diǎn)及工程實(shí)踐，提出常見壩型滲漏探測(cè)技術(shù)工程應(yīng)用要點(diǎn)。

（1）土質(zhì)防滲體土石壩滲漏

土質(zhì)防滲體土石壩要依靠壩內(nèi)土料防滲，滲漏通道分布較廣，也較為隱蔽。一般可先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)查勘、監(jiān)測(cè)資料分析等，初步判定滲漏類型。針對(duì)其滲漏流速慢、隱蔽性強(qiáng)的特點(diǎn)，可采取物探方法進(jìn)行滲漏區(qū)域及滲漏流向的檢測(cè)，常用的檢測(cè)方法包括電磁法（如自然電場(chǎng)法、高密度電阻率法、探地雷達(dá)法、大地電磁法、瞬變電磁法）和流場(chǎng)法等。如《中小型水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(SL 55—2005)中7.3.3條也規(guī)定：“宜采用電法、地質(zhì)雷達(dá)、電磁波等物探方法探測(cè)壩體病害、喀斯特的空間分布、滲漏通道位置及埋藏深度。”在此基礎(chǔ)上，可采取地勘鉆孔及探坑，通過(guò)孔內(nèi)電視、壓水試驗(yàn)、連通性試驗(yàn)等手段進(jìn)一步判斷大壩滲漏部位及量級(jí)，排查滲漏通道。

江西省高泉水庫(kù)大壩為土石壩，上游為均質(zhì)土體，下游為堆石體，壩頂長(zhǎng)240m，最大壩高41.50m。2009—2010年水庫(kù)除險(xiǎn)加固，大壩增設(shè)混凝土防滲墻，并進(jìn)行了帷幕灌漿。水庫(kù)蓄水至234.7m時(shí)，發(fā)現(xiàn)壩后存在兩處滲漏點(diǎn)。采用大地電磁法及高密度電法對(duì)土石壩壩體進(jìn)行整體探測(cè)，兩種方法探測(cè)結(jié)果互相驗(yàn)證，初步判斷出大壩滲漏重點(diǎn)區(qū)域主要位于左壩區(qū)；再采用高密度電法和微動(dòng)法的綜合物探手段，對(duì)重點(diǎn)部位進(jìn)行局部精細(xì)探測(cè)，查明左壩區(qū)內(nèi)存在2條滲漏優(yōu)勢(shì)通道。

（2）混凝土壩滲漏

相比土石壩而言，混凝土壩的壩面形狀較為規(guī)整，壩面相對(duì)較陡，為滲漏檢測(cè)帶來(lái)便利。對(duì)混凝土壩滲漏通道可采用示蹤技術(shù)、電磁法、聲發(fā)射、地質(zhì)雷達(dá)、核磁共振及溫度場(chǎng)法等進(jìn)行檢查；對(duì)水面以下的裂縫滲漏或變形縫滲漏調(diào)查可采用潛水員、水下機(jī)器人視頻檢查與噴墨示蹤檢查相結(jié)合的方式進(jìn)行。

云南省某水電站大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高140m，壩頂高程1 228.00 m，壩頂長(zhǎng)622 m。工程于2013年4月底開始下閘蓄水，水位1 212m時(shí)，大壩左岸廊道發(fā)現(xiàn)滲漏，滲水量達(dá)60 L/s。采用流場(chǎng)法、自然電場(chǎng)法、全孔壁數(shù)字成像法，結(jié)合溫度場(chǎng)法和示蹤法對(duì)大壩滲漏進(jìn)行探測(cè)，查明了滲漏部位、滲漏類型、滲漏路徑。

（3）瀝青混凝土心墻壩滲漏

瀝青混凝土心墻壩的滲漏多為非集中的點(diǎn)狀滲漏，滲漏入口分散，目前并沒有單一、有效、可靠的檢測(cè)方法和技術(shù)。由于瀝青混凝土心墻壩壩體內(nèi)部堆石料、瀝青混凝土心墻、混凝土基座和壩基等多重介質(zhì)物理力學(xué)特性差異較大，瞬變電磁法、高密度電法等物探手段分辨率較低，應(yīng)用效果不佳。針對(duì)設(shè)置在壩體內(nèi)部的瀝青混凝土心墻滲漏，一般可在心墻上下游側(cè)布置鉆探孔，以水體為媒介，采用水下聲吶、鉆孔彩色電視、示蹤法、連通性試驗(yàn)、壩體內(nèi)水位分析等多種方法進(jìn)行滲漏探測(cè)。

廣東某水庫(kù)大壩為瀝青混凝土心墻堆石壩，壩頂長(zhǎng)395m，壩頂高程51.0m，最大壩高44.4m。2007年8月大壩建成蓄水后，河床段壩腳普遍滲漏，壩腳長(zhǎng)約198m范圍內(nèi)普遍出現(xiàn)流水，出現(xiàn)直徑3～8 cm清水漏洞。通過(guò)勘探鉆孔，采用示蹤法、流場(chǎng)法、地下水面線法及鉆孔彩色電視等滲漏探測(cè)技術(shù)對(duì)大壩心墻上下游進(jìn)行了綜合檢測(cè)，查明庫(kù)水位以下瀝青混凝土心墻、防滲墻以及鋼筋混凝土基座附近均存在滲漏通道。

（4）混凝土面板堆石壩滲漏

混凝土面板堆石壩滲漏多因面板缺陷特別是周邊縫止水破壞失效所致。由于多數(shù)水庫(kù)無(wú)法放空，且由于面板壩上游壩腳表面一般布置土料蓋重區(qū)，一旦蓋重底部面板發(fā)生破壞，給面板壩的滲漏檢測(cè)帶來(lái)較大困難。面板、接縫止水破損等引起滲漏易在壩體內(nèi)部形成較為明顯的滲漏通道，一般可采用潛水員水下攝像、ROV檢查、水下高清示蹤攝像等方法進(jìn)行直觀檢測(cè)，準(zhǔn)確確定滲漏通道；對(duì)于一些滲漏入口較為隱蔽、滲漏點(diǎn)較為分散的情況，可采用水下聲吶滲漏探測(cè)、流場(chǎng)法等手段進(jìn)行檢測(cè)。

湖南白云水庫(kù)大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高120m，大壩上下游坡比均為1∶1.4。1998年12月下閘蓄水后的10年里，大壩滲漏量在正常值范圍內(nèi)，自2008年5月后，滲漏量開始加大并持續(xù)增加，2012年9月達(dá)到最大1 240 L/s。采用深水聲像綜合查漏技術(shù)進(jìn)行滲漏檢測(cè)，即首先采用“三維流速矢量聲吶測(cè)量?jī)x”檢測(cè)黏土鋪蓋表面滲漏流速場(chǎng)，隨后對(duì)滲流速較大部位采用水下高清噴墨攝像進(jìn)行重點(diǎn)核測(cè)，最后對(duì)幾處滲漏量大的部位采用水下導(dǎo)管連通性試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)多種手段結(jié)合，查清了混凝土面板及其周邊區(qū)域滲漏的具體位置和滲漏分布情況。

（5）壩基及壩肩滲漏

壩基及壩肩滲漏主要沿地質(zhì)構(gòu)造中薄弱帶發(fā)生，包括覆蓋層、坡積層、強(qiáng)風(fēng)化巖體、巖石斷層裂隙或結(jié)構(gòu)面以及巖溶等。壩基及壩肩滲漏的勘察，可以采用鉆探、孔內(nèi)電視、土工試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)注（壓）水試驗(yàn)、連通性試驗(yàn)、同位素示蹤法及電磁法、彈性波法等物探方法等。如某水庫(kù)采用高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)和淺層地震反射等3種物探手段進(jìn)行勘探，并輔以地質(zhì)鉆探驗(yàn)證，查明壩基巖石斷裂破碎帶及巖溶產(chǎn)生的空洞是主要滲漏通道。

四、結(jié) 語(yǔ)

滲漏病害的有效、準(zhǔn)確探測(cè)是評(píng)價(jià)大壩滲漏安全和進(jìn)行加固處理的重要前提。本文首先總結(jié)了水庫(kù)大壩常見滲漏探測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀，根據(jù)技術(shù)特點(diǎn)及原理對(duì)滲漏探測(cè)技術(shù)進(jìn)行了分類，并提出滲漏探測(cè)技術(shù)呈現(xiàn)探測(cè)手段綜合化、范圍深水化、成果可視化、測(cè)量精準(zhǔn)化的發(fā)展趨勢(shì)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合不同滲漏探測(cè)技術(shù)的適用特點(diǎn)及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出常見壩型滲漏探測(cè)技術(shù)應(yīng)用的要點(diǎn)，以期為類似工程的滲漏探測(cè)提供依據(jù)和參考。