監(jiān)測資料與探地雷達在均質(zhì)土壩滲漏分析中的應用

陳國光，李 卓，方藝翔，楊 陽，蔣景東

（1.寧夏漢延渠管理處，寧夏 銀川 750001； 2.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029；3.水利部大壩安全管理中心，江蘇 南京 210029）

防滲墻是水利工程中重要的防滲、截水結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量關(guān)乎工程的成敗與安全［1］。 鑒于各種原因，防滲墻施工時會導致墻體存在裂縫、架空、蜂窩、離析、接縫不牢、局部充泥、無墻等隱患［2］，因此對防滲墻連續(xù)性和防滲效果進行評價至關(guān)重要。 監(jiān)測資料分析和探地雷達［3-5］近年來在大壩防滲體防滲效果評價中發(fā)揮了重要作用。

張漫等［6］綜合分析了連續(xù)3 a 的監(jiān)測成果，對樅陽長江干堤一標段防滲墻防滲效果進行了評價，揭示了長江水位與堤基滲透的關(guān)系。 金建峰等［7］通過對閑林水庫大壩試運行期間監(jiān)測資料的整理，分析了降雨等因素對測點水位的影響，綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)表明壩基、壩址兩岸防滲系統(tǒng)工作正常。 方致遠等［8］為評價某反調(diào)節(jié)水庫防滲墻滲透穩(wěn)定性，結(jié)合監(jiān)測資料等分析了防滲墻性能。 詹青文［9］以廖坊水利樞紐庫防工程八堡堤為例，采用地面滲點調(diào)查法、重點堤段物探法及防滲墻墻體鉆孔取芯等方法對混凝土防滲墻的滲漏缺陷進行分析研究及相互驗證，查明了混凝土防滲墻產(chǎn)生滲漏的主要原因，為除險加固方案的擬訂提供了重要的依據(jù)。 馬宏新等［10］開展了探地雷達法和高密度電法現(xiàn)場檢測試驗，分析了某水庫大壩混凝土防滲墻的完整性及防滲墻和帷幕灌漿的防滲效果，驗證了綜合物探技術(shù)應用于防滲加固效果檢測的實用性和可靠性。 方藝翔等［11］以某心墻壩除險加固工程為例，綜合工程地質(zhì)、探地雷達、高密度電法、監(jiān)測資料和壓水試驗分析了防滲體的連續(xù)性和防滲效果。 張清明等［12］為實現(xiàn)堤壩涵管與土體結(jié)合部位的有效探測，采用時移3D 高密度電法追蹤探測、判斷接觸滲漏，實現(xiàn)了對接合部位接觸滲漏的有效探測。

綜上，監(jiān)測資料和物探方法較多應用于水庫大壩滲漏識別和防滲效果評價。 某均質(zhì)土壩除險加固工程采用塑性混凝土防滲墻處理后，大壩下游出現(xiàn)大面積滲水，針對大壩嚴重滲漏問題在大壩不同斷面安裝了測壓管。 筆者對大壩滲流水位、繞壩滲流水位和滲流量監(jiān)測資料進行了系統(tǒng)分析，同時結(jié)合防滲墻墻體探地雷達和鉆孔取芯探測數(shù)據(jù)，對防滲墻連續(xù)性、封閉性和膠結(jié)程度進行分析，查明了該大壩滲漏原因并對除險加固工程效果進行了評價，可為同類工程滲漏原因分析提供參考。

1 工程概況

某水庫總庫容1 403 萬m3，工程規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等。 水庫壩址以上流域面積903 km2，主要建筑物級別為3 級，次要建筑物為4 級。 水庫設計洪水為50 a 一遇，校核洪水為千年一遇，消能防沖采用30 a 一遇設計。 工程區(qū)地震基本烈度為8 度，建筑物地震設防烈度為8 度。 水庫始建于1978 年12 月，1979 年年底建成。 水庫由大壩、溢洪道、輸水建筑物、尾水渠等建筑物組成。 大壩為均質(zhì)土壩，壩頂高程為1 193.80 m，壩頂寬度為8.0 m，最大壩高為25.3 m。

水庫水質(zhì)受上游工業(yè)廢水污染嚴重，水質(zhì)不達標，蓄水沒有價值，枯水期空庫運行，汛期起防洪作用，故不設正常蓄水位。

根據(jù)地勘報告，壩體填土滲透性屬于強透水-中等透水，局部為弱透水，大壩壩體填土的滲透系數(shù)不滿足設計要求，大壩下部的礫巖層屬于強透水，壩腳及壩基存在嚴重的滲漏問題，壩基滲流比較嚴重，在大壩下游較大范圍內(nèi)形成類似沼澤地帶，且該部位長滿蘆葦及雜草。 2019 年3 月進行除險加固，主要內(nèi)容為壩軸線上游側(cè)設0.4 m 厚的塑性混凝土防滲墻，頂高程為1 192.80 m，墻底嵌入礫巖弱風化界限以下0.5 m，最大深度為28.4 m。 大壩典型斷面見圖1。 防滲墻采用塑性混凝土，設計要求允許水力梯度J允許＞80，滲透系數(shù)k＜10-7cm／s，抗壓強度＞2.5 MPa，抗拉強度＞0.2 MPa，彈性模量≤2×103MPa。 原設計塑性混凝土防滲墻與兩岸山體基巖連接，深入礫巖（微風化-新鮮礫巖）弱風化界線以下0.5 m。

圖1 大壩典型斷面（單位：m）

2019 年11 月水庫蓄水，2020 年1 月11 日庫水位1 183.00 m，大壩下游出現(xiàn)滲水。 2020 年5 月25 日壩后出現(xiàn)沼澤化現(xiàn)象，滲漏嚴重，為了將壩后左側(cè)滲流引至量水堰，下游開挖一條引水溝，發(fā)現(xiàn)溝底存在多處管涌等滲透破壞現(xiàn)象，此時庫水位為1 182.70 m，觀測滲流量很大，為74.5 L／s。

2 監(jiān)測資料分析

2.1 防滲墻前后測壓管水位分析

在樁號0＋050、0＋150、0＋250、0＋350、0＋490、0＋510、0＋690、0＋700 和0＋710 斷面共布置了36 根測壓管（見圖2），選取典型樁號0＋250、0＋350、0＋490、0＋700 斷面進行分析。 所有斷面第1 根測壓管孔位于防滲墻前部壩頂上游側(cè)，第2 根測壓管孔位于防滲墻后壩頂下游側(cè)，第3 根測壓管孔位于大壩下游壩體馬道上、軸距（與壩軸線之間距離，壩軸線下游側(cè)為正，壩軸線上游側(cè)為負）為29 m，第4 根測壓管孔位于下游壩腳壩后蓋重層前部、軸距為66 m。 測壓管水位過程線見圖3～圖6，取2020 年5 月14 日（庫水位為1 183.50 m）、2021年4 月20 日（庫水位為1 182.65 m）的滲流監(jiān)測數(shù)據(jù)，防滲墻前后測壓管水位差見表1，不同斷面測壓管滲流位勢見表2。

表1 防滲墻前后測壓管水位差統(tǒng)計m

表2 不同斷面測壓管滲流位勢統(tǒng)計

圖2 測壓管布置

圖3 樁號0＋250 斷面測壓管水位過程線

圖4 樁號0＋350 斷面測壓管水位過程線

圖5 樁號0＋490 斷面測壓管水位過程線

圖6 樁號0＋700 斷面測壓管水位過程線

由表1 和表2 可知：2020 年5 月14 日，防滲墻前后測壓管水位差最小值為0.16 m，最大值為1.65 m；2021 年4 月20 日，防滲墻前后測壓管水位差最小值為0.26 m，最大值為0.92 m。 防滲墻前后測壓管水位差較小，部分斷面前后測壓管水位差別不大（樁號0＋250 斷面），樁號0＋700 斷面防滲墻前后水位差比其他斷面大，表明該斷面防滲效果較好。 對比庫水位與測壓管水位過程線可知，防滲墻后測壓管水位與庫水位變化保持同步，測壓管水位與庫水位正相關(guān)。 不同斷面防滲墻消殺水頭為1%～5%，防滲墻前后測壓管滲流位勢基本接近，防滲墻未起到有效消殺水頭的作用。因此，防滲墻整體防滲效果較差，未達到設計要求。

2.2 滲透比降分析

選取2020 年5 月14 日（庫水位為1 183.50 m）、2020 年10 月15 日（庫水位為1 181.98 m）、2021 年4 月20 日（庫水位為1 182.65 m）測壓管水位，計算各斷面不同測壓管間滲透比降，結(jié)果見表3。 由表3 可知，樁號0＋350斷面和樁號0＋700 斷面防滲墻前后兩根測壓管間滲透比降均大于0.097，最大值為0.205，其他斷面不同測壓管間滲透比降均小于0.1，小于人工填土允許滲透比降（0.45）。 不同斷面防滲墻前后測壓管滲透比降均相差不大，說明防滲墻未達到設計滲透比降。

表3 測壓管間滲透比降統(tǒng)計

從滲流出口處（泄水渠道上游側(cè)）看，上游側(cè)渠道混凝土接縫或排水孔處存在較多細顆粒析出現(xiàn)象，表明滲流出口處存在管涌破壞。 水庫正常運行時壩基滲透比降將進一步增大，滲流出口處滲透破壞將進一步加劇。

2.3 繞壩滲流分析

2.3.1 左岸繞壩滲流監(jiān)測

大壩左岸設繞壩滲流測點E1～E4，其中E1、E2 測壓管分別位于溢洪道控制段左右兩側(cè)山體，E3、E4 測壓管分別位于溢洪道下游消能段左右兩側(cè)，具體布置見圖2。 2020 年4 月開始進行人工觀測，左岸繞壩滲流水位過程線見圖7。

圖7 左岸繞壩滲流水位過程線

由圖7 可知，總體上左岸繞壩滲流測壓管水位與庫水位正相關(guān)，E2 測壓管水位高于E1 測壓管水位，滲流方向為由山體流向壩體。

取2020 年8 月13 日（庫水位1 180.50 m）、2021年4 月20 日（庫水位1 182.65 m）監(jiān)測數(shù)據(jù)（見表4）進行分析，E2—E1 測壓管水位差分別為1.80 m 和1.27 m，滲透比降分別為0.049 和0.034，小于允許滲透比降。 前后兩個時刻，庫水位升高時，E1—B1-2 測壓管、E2—B1-3 測壓管水位差有減小趨勢，滲透比降小于允許滲透比降。 在帷幕灌漿處理后，E1、E2 測壓管位置繞滲問題有一定改善。

表4 左岸繞滲測點水位差和滲透比降統(tǒng)計

2.3.2 右岸繞壩滲流監(jiān)測

大壩右岸D1、D2 測壓管分別位于樁號0＋745 斷面下游壩腳、下游壩坡馬道，D3 測壓管位于樁號0 ＋780 附近，靠近右岸山體，具體布置見圖2。 2020 年4月開始進行右岸繞滲的人工觀測，D3 測壓管2021 年損壞后無法獲取數(shù)據(jù)。 右岸繞壩滲流水位過程線見圖8。

由圖8 可知，總體上右岸繞滲測壓管水位與庫水位正相關(guān)，D3 測壓管水位高于D1、D2 測壓管水位，滲流方向為由山體流向壩體。

圖8 右岸繞壩滲流水位過程線

右岸繞滲水位差和滲透比降見表5。 可知，庫水位相近情況下，2021 年4 月20 日D2—D1 測壓管水位差對比2020 年11 月17 日（庫水位1 182.50 m）存在明顯增大趨勢，2021 年4 月20 日D2—D1 測壓管水位差為2.23 m，滲透比降為0.149，大于允許滲透比降。

表5 右岸繞滲水位差和滲透比降統(tǒng)計

2020 年8 月13 日、2020 年11 月17 日，B5-2—D2 測壓管水位差分別為0.14、0.13 m，滲透比降分別為0.004、0.004；B5-3—D1 測壓管水位差分別為0.27、0.01 m，滲透比降分別為0.005、0.000 1。 D2、D1 測壓管水位分別低于臨近壩體B5-2、B5-3 測壓管水位，滲透比降均小于允許滲透比降。

2021 年左、右壩肩采用帷幕灌漿處理后，繞滲情況有一定改善。

2.4 滲流量分析

量水堰于2020 年5 月20 日安裝完成投入使用，至2020 年11 月，共進行了5 次監(jiān)測（天氣晴），監(jiān)測數(shù)據(jù)見表6，其中滲流量計算公式為Q＝1.4H2.5。 除險加固后大壩滲流量無有效減小。 按原設計庫水位在1 189.68 m（設計洪水位）時，大壩單寬滲流量為0.005 m2／d，壩長按780 m 計算，相應日滲流量為3.9 m3／d。現(xiàn)狀低水位下實際滲流量遠大于設計值，說明防滲墻未起到有效防滲作用。

表6 壩后三角量水堰監(jiān)測數(shù)據(jù)

目前水庫大壩下游壩腳蓋重層后部出現(xiàn)沼澤化現(xiàn)象，局部滲水點存在管涌現(xiàn)象，滲流量較大。 隨著庫水位的抬高，滲流量將進一步增大。

3 探地雷達探測結(jié)果分析

進一步采用探地雷達進行了滲漏探測，主要探測塑性混凝土防滲墻的連續(xù)性，查明塑性混凝土防滲墻是否存在不完整、不密實或滲水等質(zhì)量缺陷。 探測日期為2020 年4 月20—27 日，庫水位為1 183.34 m。 探地雷達測線共布置了2 條，分別布置在塑性混凝土防滲墻頂（1＃測線）和防滲墻后壩軸線（2＃測線），根據(jù)探測深度要求，采用40 MHz 天線。 探地雷達的探測結(jié)果見圖9～圖11。

圖9 1＃測線和2＃測線樁號0＋000—0＋260 斷面雷達探測剖面

圖10 1＃測線和2＃測線樁號0＋260—0＋520 斷面雷達探測剖面

圖11 1＃測線和2＃測線樁號0＋520—0＋790 斷面雷達探測剖面

由圖9～圖11 可知，雷達信號隨著探測深度的增加而明顯減弱，墻底顯示不明顯，大壩兩側(cè)塑性混凝土防滲墻底部在雷達探測剖面上變化明顯。 1＃測線探測結(jié)果表明樁號0＋245—0＋690 斷面塑性混凝土防滲墻部分壩段可能存在不密實現(xiàn)象，另外泄水涵洞兩側(cè)雷達波同相軸錯斷，推測涵洞兩側(cè)塑性混凝土防滲墻可能存在滲漏，墻體不密實。 2＃測線探測結(jié)果表明樁號0＋210—0＋750 斷面壩體下部和淺部壩基多處雷達波表現(xiàn)為粗波形、強振幅，推測該異常區(qū)域含水量高。 探測異常結(jié)果匯總見表7。 探地雷達探測結(jié)果表明，防滲墻墻體存在多處不密實情況，總體連續(xù)性較差，樁號0＋210—0＋750 斷面壩體下部和淺部壩基存在多處高富水的異常區(qū)域。

表7 探地雷達探測異常結(jié)果統(tǒng)計

4 防滲墻墻體鉆孔取芯分析

為查明塑性混凝土防滲墻墻體連續(xù)性和深入基巖情況，針對性開展了地勘工作，沿塑性混凝土防滲墻軸線布置10 個鉆孔，樁號分別為0＋150、0＋245、0＋334、0＋370、0＋420、0 ＋535、0 ＋675、0 ＋696.8、0 ＋709.3、0 ＋735，鉆孔布置見圖12。

4.1 塑性混凝土防滲墻連續(xù)性分析

由塑性混凝土防滲墻檢查孔統(tǒng)計結(jié)果可知，10 個塑性混凝土防滲墻鉆孔中僅3 個鉆孔（ZK1、ZK8、ZK10）塑性混凝土防滲墻是連續(xù)的，但3 孔中塑性混凝土防滲墻下部膠結(jié)較差。 不連續(xù)的塑性混凝土防滲墻包括以下類型：①塑性混凝土防滲墻-細砂-塑性混凝土防滲墻-壩體填土-圓礫-強風化基巖-弱風化基巖（ZK2）；②塑性混凝土防滲墻-壩體填土-塑性混凝土防滲墻-圓礫-強風化基巖-弱風化基巖（ZK3、ZK5），表明鉆孔沒有打偏，塑性混凝土防滲墻不連續(xù)，且墻下存在圓礫層；③塑性混凝土防滲墻-圓礫-強風化基巖-弱風化基巖等（ZK6、ZK9）；④塑性混凝土防滲墻-圓礫-強風化基巖-弱風化基巖（ZK7）；⑤塑性混凝土防滲墻-壩體填土-塑性混凝土防滲墻-弱風化基巖（ZK4）。

根據(jù)防滲墻墻體鉆孔取芯結(jié)果，6 個塑性混凝土防滲墻鉆孔（ZK2、ZK3、ZK5、ZK6、ZK7、ZK9）未深入弱風化基巖0.5 m（占60%），且該6 孔墻下均存在厚度不等（0.3～2.7 m）的圓礫、角礫層等中等-強透水層。表明塑性混凝土防滲墻總體上沒有截斷中等-強透水層和強風化基巖，塑性混凝土防滲墻總體上沒有封閉，因此塑性混凝土防滲墻的連續(xù)性和封閉性均未達到設計要求。

對比防滲墻墻體鉆孔取芯結(jié)果與探地雷達檢測結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)鉆孔取芯揭示的防滲墻墻體不連續(xù)部位與探地雷達揭示的防滲墻墻體不密實區(qū)域吻合。

4.2 塑性混凝土防滲墻膠結(jié)程度分析

通過鉆孔取芯得到的混凝土的膠結(jié)情況見圖13～圖15，圖中注明了孔號及取樣部位。 可知，不同部位墻體膠結(jié)程度不同，一類以結(jié)石程度較差的散體狀混凝土為主，另一類以結(jié)石程度較好的柱狀混凝土為主。柱狀混凝土塊體干密度較大，強度高，孔隙率低，性質(zhì)較好；散體狀混凝土塊體干密度低，強度相對較低，孔隙率大，性質(zhì)相對較差。 總體上防滲墻以散體狀塑性混凝土為主。

圖13 防滲墻墻體鉆孔ZK6 芯樣（以柱狀混凝土為主）

圖14 防滲墻墻體鉆孔ZK8 芯樣（以散體狀混凝土為主）

綜上所述，塑性混凝土防滲墻總體上均勻性較差。均勻的部位膠結(jié)情況良好，不均勻部位膠結(jié)情況差-極差，防滲墻底部膠結(jié)情況較差。 總體上防滲墻墻體以散體狀塑性混凝土為主。

4.3 塑性混凝土防滲墻防滲性分析

對塑性混凝土防滲墻進行了注水試驗，結(jié)果表明塑性混凝土防滲墻注水試驗透水性以微透水-極微透水為主。 滲透系數(shù)k＜10-6cm／s 的極微透水16 段，占64%；10-6cm／s≤k＜10-5cm／s的微透水5 段，占18.5%；10-5cm／s≤k＜10-4cm／s的弱透水1 段，占3.7%；10-4cm／s≤k＜10-3cm／s 的中等透水1 段，占3.7%。 因此，塑性混凝土防滲墻整體滲透系數(shù)小于1×10-5cm／s，但有84%的試驗段滲透系數(shù)大于10-7cm／s。 根據(jù)設計要求，塑性混凝土防滲墻滲透系數(shù)k＜10-7cm／s，注水試驗結(jié)果表明，滲透系數(shù)k應小于10-7cm／s 的極微透水4 段，僅占16%，總體上塑性混凝土防滲墻滲透系數(shù)不滿足設計要求。

綜合監(jiān)測資料、探地雷達分析和防滲墻墻體鉆孔取芯結(jié)果表明，該水庫大壩塑性混凝土防滲墻質(zhì)量存在缺陷且防滲墻未深入弱風化基巖0.5 m、施工存在缺陷、防滲不滿足設計要求，防滲墻參照規(guī)模相當且投運多年運行性態(tài)正常的工程進行結(jié)構(gòu)設計是可行的，但墻厚偏小、水庫滲流量遠大于設計值的原因是除險加固工程未起到設計防滲效果。

5 結(jié) 論

本文應用監(jiān)測資料、探地雷達并結(jié)合防滲墻墻體鉆孔取芯結(jié)果綜合分析了某均質(zhì)土壩防滲體防滲效果、連續(xù)性、封閉性和膠結(jié)程度，查明了滲漏原因。

（1）監(jiān)測資料分析表明，防滲墻前后測壓管水位差較小，最小值為0.16 m，最大值為1.65 m；防滲墻前后的滲流位勢變化不大，防滲墻消殺水頭較小，為1%～5%；壩后實測滲流量遠大于設計值（3.9 m3／d）。監(jiān)測資料分析表明防滲墻未起到有效防滲作用。

（2）探地雷達探測結(jié)果表明，防滲墻墻體存在多處不密實情況，總體連續(xù)性較差，樁號0＋210—0＋750斷面壩體下部和淺部壩基存在多處高富水的異常區(qū)域。

（3）結(jié)合防滲墻墻體鉆孔取芯結(jié)果，70%的鉆孔揭示防滲墻不連續(xù)，60%的鉆孔揭示防滲墻未深入弱風化基巖0.5 m，防滲墻墻體以散體狀塑性混凝土為主，防滲墻連續(xù)性和膠結(jié)情況較差，總體上沒有封閉，滲透系數(shù)不滿足設計要求，水庫滲流量遠大于設計值。（4）監(jiān)測資料、探地雷達的綜合應用，結(jié)合防滲墻墻體鉆孔取芯結(jié)果，可有效用于水庫大壩滲漏原因分析與除險加固工程效果評價，為同類工程提供參考。