基于高密度電法探測與滲流監(jiān)測的土石壩滲漏隱患綜合研判

黃昊冉，吳云星，2，馮春燕，谷艷昌，2，龐 瓊，2，周穩(wěn)忠，2

(1.南京水利科學研究院大壩安全與管理研究所，江蘇 南京 210029;2.水利部大壩安全管理中心，江蘇 南京 210029；3.宜興市橫山水庫管理所，江蘇 宜興 214200)

1 研究背景

據(jù)2018年全國水利發(fā)展統(tǒng)計公報，我國已建成各類水庫98 822座，總庫容8 953億m3，其中大型水庫736座，中型水庫3 954座，小型94 132座，其中土石壩數(shù)量占比達93%以上[1]。我國自1954年有較系統(tǒng)的潰壩記錄以來到2014年，61年間共發(fā)生水庫潰壩3 530起，在已潰決的水庫大壩中絕大多數(shù)是土石壩[2]。土石壩的安全問題與潰壩失事一直都是高度關注的問題。張建云等[3]對3 230座病險水庫的病害問題進行研究，發(fā)現(xiàn)存在滲流穩(wěn)定不足的病險水庫達2 344座，占比72.6%。由此可知，大壩滲漏是水庫大壩的常見病害之一。土石壩滲漏病害可分成4類，即壩體滲漏、壩基滲漏、接觸滲漏及繞壩滲漏，其主要表現(xiàn)形式有大壩運行后長期存在滲漏、管涌、散浸、沼澤化、流土等[4]。土石壩如果出現(xiàn)滲漏問題，若沒有及時發(fā)現(xiàn)與處理，則病害將會進一步發(fā)展，甚至可能導致潰壩，將造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。

對于水庫大壩的滲漏探測，傳統(tǒng)方式為現(xiàn)場檢測，通過鉆探取樣，分析芯樣判斷是否存在滲漏病害。但這種方法耗時較長且具有破壞性，其結果僅能說明單點的情況。當滲漏發(fā)生在內(nèi)部時，無法知曉滲漏通道的大致位置，這將增大鉆探的工程量。隨著綜合物探方法的發(fā)展，電法勘探逐漸應用。電法探測自20世紀誕生以來，經(jīng)過不斷地完善與發(fā)展，已成為探測土石壩滲漏隱患的最常用方法[5]。與傳統(tǒng)電阻率法相比，高密度電法由于其成本低，效率高，信息豐富，解釋方便，且電極一次布設完成，能獲得豐富的關于地電斷面結構特征的地質(zhì)信息[6]，使得其從最初應用于水源與礦產(chǎn)資源尋找，逐漸發(fā)展成為可應用于水利水電工程中水庫大壩隱患探測的一種無損探測方法。王傳雷等[7]將高密度電法應用于長江堤壩壩體電性隨長江水位變化研究中，提出使用高密度電法來監(jiān)測堤壩隱患的發(fā)展；宋先海等[8]用高密度電法對大幕山水庫進行滲漏安全隱患探測，結果表明高密度電法能夠查明土石壩滲漏通道位置或進行疑點提示；劉海心等[9]對高密度電法的4種裝置即單極-單極、偶極-偶極、溫納、溫施裝置進行對比研究，研究認為探測滲漏時，溫納裝置對低阻異常分辨效果更好且抗干擾能力強。

由此可見，高密度電法在水庫大壩滲漏隱患探測中發(fā)揮了重要作用。在實際工程中，高密度電法得出的反演結果往往需要結合鉆孔成果綜合分析，以此達到更加準確判別滲漏通道位置的目的。而正如前文所述，鉆孔耗時長，具有破壞性，考慮大部分水庫大壩設有滲流壓力監(jiān)測項目，而進行滲流監(jiān)測所使用的測壓管本身即為一種鉆孔形式，如果能結合滲流壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)進行輔助分析，將提高檢測效率。本文以某水庫檢測實例，采用高密度電法中的溫納法進行滲漏隱患探測，運用Res2dinv3.54程序對探測結果進行模型反演和成果后處理，并結合地勘資料、滲流壓力監(jiān)測資料綜合分析，查明主要滲漏通道的空間位置與發(fā)育規(guī)律。

2 工程概況

2.1 水庫概況

某水庫大壩為均質(zhì)土壩，總長4 090 m，呈八字形布置，其中主壩長840 m，東副壩長1 067 m，西副壩長2 183 m，壩頂高程均為42.10 m，最大壩高24.10 m，壩頂寬8.10～8.45 m，防浪墻頂高程均為42.90 m。

2.2 壩基工程地質(zhì)條件

壩基自上而下分為第四系松散層(粉質(zhì)粘土層、砂卵礫石層)與J3侏羅系火山巖。

(1)第四系松散層。東副壩地段為河流階地，地基土呈二元結構，上部粘性土分布較穩(wěn)定，厚10 m左右，僅在溢洪閘東側小河處厚度較薄，小于1.5 m，下部砂卵礫石層厚4～5 m，頂板高程17.00 m左右；主壩地段主要為河漫灘，上部粘性土很薄，砂卵礫石層頂板高程16.00～18.00 m，厚3～6 m，砂卵礫石層基本上出露地表；西副壩地段由一系列孤山小丘組成，地形起伏不平，高程26.00～42.00 m，地基土為坡殘積黏性土，未見河床礫石。

(2)J3侏羅系火山巖。大壩下伏基巖主要為侏羅系上統(tǒng)龍王山組(J31)、大王山組(J3d)火山巖，巖性主要為角閃石英粗面安山巖、凝灰?guī)r、輝石石英粗面安山巖、流紋巖等；次為次火山巖，巖性為角閃石英粗面安山斑巖。巖質(zhì)堅硬，巨厚層狀～塊狀構造。①主壩位于開闊的“U”形河道上，基巖面高程12.00～14.00 m，基巖強風化帶厚一般1～4 m?；鶐r之上為厚3～6 m的砂卵礫石層，該層頂部有厚約0.5～1 m的土層，土層之上為壩體填土。②東副壩地段為階地及古河道，基巖頂板高程12.00～15.00 m，全、強風化帶厚2～5 m。基巖之上依次為厚2～5 m的砂卵礫石層，厚8～15 m的土層及厚5～10 m壩身填土。③西副壩地段為基巖殘丘，地形起伏不平，基巖頂板高程在26.00～42.00 m之間，全、強風化層厚2～4 m，基巖之上為壩體填土。

2.3 大壩滲漏情況分析

2.3.1 壩體填筑材料

壩體土取自壩址附近山坡覆蓋層，土性為雜色粉質(zhì)黏土、輕粉質(zhì)壤土、重粉質(zhì)壤土、重砂壤土等，壩體中局部還有膨脹性土。根據(jù)2000年～2001年除險加固階段和2014年安全評價階段工程地質(zhì)勘察資料，壩體填土料源雜，由重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土、重壤土，雜輕粉質(zhì)壤土、細砂、安山巖屑等組成，厚度5.40～25.10 m。壩體填土夾有大量風化巖塊與砂卵礫石等，土質(zhì)不均勻，加之碾壓質(zhì)量控制不嚴，物理力學指標和滲透性具有明顯差異性和隨機性。壩體填土滲透系數(shù)一般在10-5～10-6cm/s之間，少數(shù)試段為10-3～10-4cm/s。部分鉆孔滲水量較大或注水試驗孔內(nèi)不返水，說明壩身存在較多孔隙和孔洞。

2.3.2 歷史滲漏情況

水庫運行過程中，主壩段樁號1+400和1+600左右及東副壩樁號0+830～0+900處下游坡面均出現(xiàn)洇水、漏水現(xiàn)象，個別出逸點還出現(xiàn)過渾水，說明局部已發(fā)生滲透破壞；西副壩壩體大部分尚未接觸到庫水位，未能反映出滲漏問題。

1999年汛期，庫水位34.00 m時，主壩段下游坡面發(fā)現(xiàn)大范圍的窨潮、滲水現(xiàn)象，壩腳發(fā)現(xiàn)一個直徑6 cm的漏水洞，個別逸出點出現(xiàn)渾水現(xiàn)象(主壩樁號1+400、1+600下游壩坡24.00 m高程附近窨水漏水面積為70×5、67×5 m2。

自除險加固竣工以來，大壩下游坡窨潮、散浸范圍大幅度縮減，但局部仍存在散浸。2016年，水庫經(jīng)歷了長期高水位運行，西副壩大壩滲漏情況呈現(xiàn)增加趨勢，當庫水位34.00 m以上，西副壩1+950～2+000下游面30 m平臺以上多處出現(xiàn)散浸、滲水現(xiàn)象，壩體內(nèi)部傳出水流聲。

3 高密度電法探測及數(shù)據(jù)處理

3.1 基本原理

高密度電法即高密度電阻率測深方法，是一種陣列式的直流電探測方法，其基本工作原理是以巖土體的電性差異為基礎，可進行二維地電斷面測量，兼具剖面法和測深法的功能，是進行地層劃分、探測隱伏斷層構造、巖溶空洞以及地質(zhì)滑坡體等的一種有效手段[10-11]。高密度電法根據(jù)人工電場作用下地下不同電阻率的地質(zhì)體表現(xiàn)出的電流分布規(guī)律，推斷地質(zhì)體的賦存情況。和常規(guī)電阻率法工作原理一樣，高密度電法通過A、B電極向地下供電流I，測量M、N極間電位差ΔV，從而可求得M、N之間的視電阻率值(見圖1)。根據(jù)實測的視電阻率剖面，進行計算、分析，便可獲得地下地層中的電阻率分布情況，從而可以劃分地層，判定異常。視電阻率值的計算公式為

圖1 高密度電法工作原理

(1)

(2)

式中，ρs為視電阻率；K為電極裝置系數(shù)；ΔV為觀測的電位差，V；I為供電電流，A；AM、AN、BM、BN均為電極距，m。

3.2 探測裝置

3.2.1 高密度電法系統(tǒng)組成

高密度電法系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理2個部分，如圖2所示。

高密度電法在現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集時有多種采集裝置，采集裝置類型不同采集數(shù)據(jù)的精度也不同。本次探測采用溫納裝置，其豎向探測精度高而被廣泛采用，其電極排列如圖3所示。電極順序依次是A、M、N、B。數(shù)據(jù)采集時主機控制電極距AM、MN和NB大小相等。測試時主機將測試剖面劃分為若干測量點，根據(jù)測量點所在深度，選擇電極系中對應電極對該測量點進行數(shù)據(jù)采集，對應電極距為AM=MN=NB=na(n=1，2，3，…)。采集完成進行相鄰測量點數(shù)據(jù)采集，至整個剖面數(shù)據(jù)采集完成。溫納裝置采集的數(shù)據(jù)可以形成一個倒梯形的斷面。

圖3 溫納裝置電極排列及測量次序

3.2.2 探測儀器

設備方面采用瑞典ABEM公司生產(chǎn)的Terrameter LS 2，該儀器是一種先進的自電位(SP)、電阻率(RES)和時域激發(fā)極化(IP)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。ABEM Terrameter LS 2型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)標配為81道，測試電纜電極距5 m，適合電極距5 m以下，測深為測線長度的17%。

3.3 探測方案

根據(jù)該水庫壩體特性及下游坡歷史散浸情況，在西副壩1+800～2+200、主壩1+110～1+510、主壩1+487～1+887、東副壩0+390～0+790的下游坡平行壩軸線方向各布置3條測線，分別位于壩頂下游側41 m高程、下游壩坡一級馬道36 m高程、下游壩坡二級馬道30 m高程，共布置12條測線，每條測線均長400 m、電極數(shù)81個、電極間距5 m。

3.4 數(shù)據(jù)反演處理

3.4.1 反演處理方法

巖土材料的電阻率與其成分、風化程度、是否浸水等因素有關，當壩體或壩基存在滲漏水時，電阻率明顯降低，出現(xiàn)低阻異常區(qū)域，這是高密度電法探測壩體滲漏情況的物理基礎。地下淡水的電阻率一般為10～100 Ω·m[12]，結合本次高密度電法探測結果，規(guī)定小于20 Ω·m區(qū)域為低電阻異常區(qū)，該區(qū)域可能存在滲漏隱患。

采用Res2dinv 3.54程序對探測結果進行模型反演和成果后處理，數(shù)據(jù)反演采用基于平滑抑制的最小二乘優(yōu)化算法。以主壩1+110～1+510與1+487～1+887處的檢測成果為例，結合地勘資料與滲流壓力監(jiān)測資料，對反演成果進行分析，以查明大壩主壩壩段潛在的滲漏隱患。

3.4.2 反演圖像

主壩1+110～1+510與1+487～1+887處分別布置3條測線，由上到下分別為壩頂下游側41 m處、下游一級馬道36 m處和下游二級馬道30 m處，其反演電阻率圖像如圖4所示。兩次探測時，庫水位高程分別為28.93 m與28.47 m。

4 大壩滲漏隱患研判

4.1 高密度電法探測滲漏隱患分析

由圖4可知，本次探測的兩組測線區(qū)域內(nèi)均存在多處低阻異常區(qū)(紅圈所示)，其位置高程見表1。沿壩軸線方向低阻異常區(qū)呈現(xiàn)間隔分布，并未貫通，結合2.3節(jié)中壩體填筑質(zhì)量可知，壩體填土不均勻，密實度不足，可能存在孔洞，含水量偏高；根據(jù)同一測線段處41 m高程、36 m高程和30 m高程處的電阻率反演圖像可知，低阻區(qū)在上下游方向存在關聯(lián)性，表明壩體存在上游向下游的滲漏通道，見表1。

表1 2組測線區(qū)域內(nèi)各探測斷面的低阻區(qū)位置

4.2 滲流安全監(jiān)測資料分析

根據(jù)滲流壓力監(jiān)測資料，在2組測線范圍內(nèi)各存在1個滲流監(jiān)測斷面，分別位于1+343與1+643處，其位置見圖4虛線處，2處測壓管當時實測數(shù)據(jù)見表2，其斷面滲流壓力過程線見圖5。

圖4 不同位置的反演電阻率圖像

圖5 1+343、1+643斷面滲流壓力過程線

表2 1+343、1+643斷面測壓管水位人工測值 m

在1+343斷面位置，由反演圖像可知，壩頂下游側(41 m高程)處低阻區(qū)高程范圍約為21～26 m，實測水位23.235 m；下游一級馬道(36 m高程)處低阻區(qū)高程范圍約為22～27 m，實測管內(nèi)水位為26.275 m；下游二級馬道(30 m高程)處低阻區(qū)范圍約為21～23 m，實測管內(nèi)水位為22.746 m。在1+643斷面位置，由反演圖像可知，41 m高程處低阻區(qū)范圍約為23～28 m，實測水位27.301 m；36 m高程處低阻區(qū)范圍約為20～26 m，實測管內(nèi)水位為19.990 m；30 m高程處低阻區(qū)范圍約為20～23 m，實測管內(nèi)水位為20.161 m。可見兩組測線區(qū)域內(nèi)的低阻區(qū)高程分布范圍與測壓管水位現(xiàn)場測量結果較為一致，印證了高密度電法的探測結果。

從本次滲流壓力現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)來看，在1+343處，36 m高程處的測壓管水位較41 m高程處的測壓管水位高，但從滲流壓力過程線可知，1+343-3除了少數(shù)時間測值發(fā)生跳變，測壓管內(nèi)水位高于1+343-2，大部分時間其測值均低于1+343-2，總體上1+343斷面滲流壓力水位高程隨著滲流路徑在降低，這與高密度電法反演圖像反映的情況一致，即低阻區(qū)高程從上游向下游逐漸降低，符合大壩滲流一般規(guī)律。

4.3 大壩滲漏隱患綜合分析

在2組測線探測范圍內(nèi)，根據(jù)現(xiàn)場檢測情況得知，1+110處位于泄洪閘左側，而1+150～1+190范圍內(nèi)存在低阻異常區(qū)，推測可能存在泄洪閘與壩體接觸滲漏通道。西涵洞(1+790)位于1+487～1+887測線范圍內(nèi)，由反演圖像可知，1+760～1+800處30 m高程斷面地表以下約6～16 m(14～24 m高程)存在明顯的低阻異常區(qū)，可知西涵洞周邊土體含水量稍高，表明西涵洞周邊可能存在接觸滲漏通道。

5 結 語

(1)根據(jù)大壩地質(zhì)資料、運行表現(xiàn)和高密度探測結果，表明大壩壩體填土碾壓不實、局部存在孔洞，土體含水量偏高。

(2)經(jīng)高密度電法探測結果分析，大壩壩體存在多處集中的低阻異常區(qū)，低阻異常區(qū)高程變化與滲流監(jiān)測數(shù)據(jù)反映的結果較為一致。壩體與泄洪閘和西涵洞接觸部位周邊區(qū)域表現(xiàn)為低阻異常，初步推斷存在接觸滲漏通道。

(3)結合前期的地質(zhì)勘察資料、滲流監(jiān)測資料和測壓管的現(xiàn)場實測，印證了高密度電法探測結果的正確性，并且通過多種資料綜合研判，發(fā)現(xiàn)了大壩潛在的滲漏問題。

(4)本次探測與分析，主要基于高密度電法反演結果與滲流監(jiān)測結果。在有條件情況下，建議采用多種無損探測手段，如地質(zhì)雷達等，通過多種方法印證，提高探測結果的準確性。