鄭州“7·20”特大暴雨后常莊水庫主壩綜合物探分析

趙麗娜，霍吉祥，俞揚(yáng)峰，周海嘯

（1.鄭州市常莊水庫管理處，河南 鄭州 450006；2.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029）

1 工程及暴雨概況

常莊水庫位于鄭州市市區(qū)西南的賈魯河支流賈峪河上，壩址位于鄭州市中原區(qū)須水鎮(zhèn)常莊村。水庫控制流域面積82 km2，正常蓄水位130.00 m，死水位118.93 m，水庫按百年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計、五千年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)校核，設(shè)計洪水位131.34 m、相應(yīng)庫容1 102萬m3，校核洪水位135.07 m、相應(yīng)庫容1 708萬m3。由于水庫地理位置非常重要，因此按大型水庫管理。主要建筑物包括主壩、副壩、溢洪道、輸水洞等，其中主壩原為均質(zhì)土壩，上游壩坡采用六棱混凝土塊護(hù)坡，下游壩坡設(shè)混凝土框格，其內(nèi)為草皮護(hù)坡，壩頂為瀝青路面、高程為135.64 m，最大壩高26 m，壩頂長380 m，壩頂寬8 m。除險加固時在壩體樁號0＋062—0＋380新建塑性混凝土防滲墻，防滲墻中心線在壩軸線上游1 m處，墻頂高程135.64 m，墻厚0.4 m，總長318 m。

2021年7月17日至23日，河南省遭遇歷史罕見特大暴雨。降雨過程17日至18日主要發(fā)生在豫北（焦作、新鄉(xiāng)、鶴壁、安陽）；19日至20日暴雨中心南移至鄭州，發(fā)生長歷時特大暴雨；21日至22日暴雨中心再次北移，23日逐漸減弱結(jié)束［1］。7月20日8時至21日8時，常莊水庫降雨量達(dá)到592.0 mm，超過有水文記錄以來的最大值（2005年7月22日降雨量171.2 mm）。暴雨期間常莊水庫主壩下游壩坡先后出現(xiàn)多處滲水、塌坑等險情。發(fā)現(xiàn)險情后，水庫管理處立即上報并采取了應(yīng)急搶險措施，包括在滲水部位鋪設(shè)土工布、砌筑反濾井和井內(nèi)壓填中粗砂等，塌坑處鋪設(shè)土工膜覆蓋等。通過搶險，大壩下游壩坡險情基本得到控制。

2 綜合物探技術(shù)

綜合物探技術(shù)是采用2種或2種以上物探方法對工程目標(biāo)進(jìn)行多角度探測的一種手段［2］。對于大壩內(nèi)部隱患的綜合物探，一般應(yīng)遵循“先整體后局部、先粗略后精細(xì)，各種物探技術(shù)互相結(jié)合、互相驗(yàn)證、相互補(bǔ)充、相互約束”的探測原則，即探測時首先采用效率高、分辨率低的物探方法對大壩進(jìn)行整體探測，對隱患部位進(jìn)行粗略定位，然后再采用分辨率高、敏感度高的物探方法，進(jìn)行針對性、精細(xì)化的探測，同時不同方法之間相互驗(yàn)證、互為補(bǔ)充和約束，從而克服單一方法的多解性和局限性［3］。其中，整體探測多以電磁法類為主，根據(jù)目標(biāo)深度不同可選擇探地雷達(dá)法或瞬變電磁法，而局部探測多采用電法類的高密度電法，并可結(jié)合地震法類的面波法等。如周華敏等［4］在對長江中游某干堤進(jìn)行泵站管道間脫空或不密實(shí)探測時，采用瞬變電磁法與高密度電法相結(jié)合的手段進(jìn)行探測；劉現(xiàn)鋒等［5］綜合應(yīng)用探地雷達(dá)法、高密度電法及面波法對黃河下游某堤防進(jìn)行了內(nèi)部隱患探測；趙漢金等［6］、皮雷等［7］采用瞬變電磁法和并行電法相結(jié)合的方式對土石壩滲漏隱患進(jìn)行了探測。

為了解“7·20”特大暴雨后常莊水庫主壩的內(nèi)部情況，針對主壩上、下游護(hù)坡類型及壩頂硬化特點(diǎn)，采用探地雷達(dá)與高密度電法相結(jié)合的方式進(jìn)行綜合探測。

地質(zhì)雷達(dá)以寬帶短脈沖的高頻電磁波形式，通過天線由地面送入地下，經(jīng)目標(biāo)體反射后返回地面，然后用另一條天線進(jìn)行接收。通過分析回波波形、路徑及電磁場強(qiáng)度等變化可以解譯出目標(biāo)體的位置、特性及分布等。探地雷達(dá)法具有信號采集速度快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［8］。不同頻率電磁波探測深度及分辨率有所不同，本次采用意大利IDS公司生產(chǎn)的RIS型探地雷達(dá)，配備400 MHz屏蔽天線，以及美國勞雷公司生產(chǎn)的勞雷工業(yè)GSSI型地質(zhì)雷達(dá)，配備100 MHz天線。

高密度電阻率法屬于電阻率剖面法，通過測量電極采集地下介質(zhì)的視電阻率，測量時在地表布設(shè)大量電極，并不斷調(diào)試測量和供電電極，獲得不同位置的電阻率數(shù)據(jù)，將其繪制成像，可直觀反映地下異常體和隱患的位置［9］。本次探測工作采用的高密度電法儀器為瑞典ABEM公司生產(chǎn)的Terrameter LS2型電法儀。

3 現(xiàn)場探測及分析

3.1 現(xiàn)場測線布置

按探測方法進(jìn)行測線布置，包括：①高密度電法測線2條，總計458 m；②400 MHz地質(zhì)雷達(dá)測線34條，總計2 418 m；③100 MHz地質(zhì)雷達(dá)測線42條，總計2 992 m。

按測量部位進(jìn)行測線布置則包括：①上游壩坡，100 MHz地質(zhì)雷達(dá)測線7條，400 MHz地質(zhì)雷達(dá)測線1條；②壩頂，沿壩軸線方向布置100 MHz和400 MHz地質(zhì)雷達(dá)測線3條（分別位于軸距－2.7、－1.0、2.0 m位置），垂直壩軸線方向布置測線14條；③下游壩坡，高密度電法測線2條，100 MHz地質(zhì)雷達(dá)測線18條，400 MHz地質(zhì)雷達(dá)測線16條。

具體測線布置如圖1所示。

圖1 測線布置示意

3.2 地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果及分析

以下選取代表性結(jié)果進(jìn)行分析。

3.2.1 上游壩坡

由圖2可以看出：①地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果呈現(xiàn)出波形振幅均勻、同相軸連續(xù)的特征，下部未見空洞、土體欠密實(shí)等不良現(xiàn)象，表明在有效探測范圍內(nèi)，上游壩坡土體均勻、相對較為完整、密實(shí)；②在樁號0＋040—0＋048范圍內(nèi)局部位置見有地質(zhì)雷達(dá)波振幅的強(qiáng)反射現(xiàn)象，原因是該處為輸水洞啟閉平臺所在位置，受平臺及工作橋排架影響，壩坡表面略有起伏使得雷達(dá)天線未能與坡面緊密貼合，從而導(dǎo)致信號異常；③除險加固中為配合輸水洞拆除重建，對輸水洞上方壩體進(jìn)行開挖、回填，新、老壩體間填筑質(zhì)量差異在探測結(jié)果中亦有所體現(xiàn)（大致以樁號0＋080為分界線）。

圖2 上游壩坡高程126 m、樁號0＋004—0＋200范圍內(nèi)400 MHz地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果

3.2.2 壩頂

壩頂各斷面探測結(jié)果相似，以平行于壩軸線方向軸距－1 m斷面100 MHz雷達(dá)探測結(jié)果為例，樁號0＋000—0＋400探測結(jié)果見圖3。

圖3 壩頂軸距－1 m斷面樁號0＋000—0＋400 范圍內(nèi)100 MHz地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果

由圖3可以看出：①除表層受多次路面鋪設(shè)以及其下碎石墊層的影響存在淺層反射外，壩體內(nèi)部總體表現(xiàn)出波形振幅均勻、同相軸連續(xù)的特征，表明在探測深度范圍內(nèi)總體無明顯異常，同時該斷面位于壩體防滲墻頂部，可見防滲墻總體連續(xù)，與大壩土體結(jié)合良好；②在樁號0＋060—0＋104深度2 m范圍內(nèi)，可見地質(zhì)雷達(dá)波振幅的不規(guī)則變化，且雷達(dá)波的同相軸具有較為明顯的錯斷、分叉、缺失等情況，根據(jù)防滲墻施工資料，在樁號0＋062—0＋104.8段為保證防滲墻導(dǎo)向槽口穩(wěn)定，在其兩側(cè)設(shè)置混凝土導(dǎo)墻（300 mm×600 mm矩形斷面），并澆筑C15混凝土，因此該部位異常可能是混凝土導(dǎo)墻所致；③豎條狀強(qiáng)反射與壩頂減速帶、滲壓計電纜穿線管（鍍鋅鋼管）等部位一致，為這些部位所引起的局部異常。

3.2.3 下游壩坡

下游壩坡各測線探測結(jié)果總體相似，分別以靠近一處滲漏點(diǎn)的樁號0＋108斷面和靠近一處塌坑的樁號0＋166斷面為例，400 MHz地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果如圖4所示。

圖4 下游壩坡400 MHz地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果

由圖4可以看出：①在地表向下一定范圍內(nèi)（淺層），地質(zhì)雷達(dá)波振幅的正負(fù)交替變換特征顯示淺層土體相對欠密實(shí)。這種特征在下游壩坡其他部位400 MHz和100 MHz地質(zhì)雷達(dá)成果圖中均可見，僅深度范圍隨頻率不同而略有差異，這主要與不同頻率雷達(dá)分辨率有關(guān)，400 MHz雷達(dá)分辨率相對較高，顯示欠密實(shí)層深度約在1 m范圍以內(nèi)。結(jié)合現(xiàn)場條件來看，認(rèn)為其主要與下游壩坡采用大型混凝土拱形框格＋小型混凝土六棱框格的形式有關(guān)，受施工工藝限制，框格內(nèi)及框格下部淺層土體較原下游壩坡土體密實(shí)性差。②淺層以下部分波形振幅均勻、同相軸連續(xù)，未見空洞、土體欠密實(shí)等不良情況，表明下游壩坡淺層以下土體均勻且相對密實(shí)。

3.3 高密度電法探測結(jié)果及分析

在主壩下游壩坡布設(shè)的2條高密度電法測線，其中測線D1位于下游壩坡高程132 m處（軸距13.2 m），測線D2位于下游壩坡高程128.5 m處（軸距21.8 m）。由于電阻率與含水率、土體密實(shí)程度等有關(guān)，因此可根據(jù)庫水位大致估算探測位置處的壩體水位情況。探測期間常莊水庫的庫水位為121.06～121.07 m，結(jié)合壩體滲流監(jiān)測數(shù)據(jù)，測線D1和D2測量剖面處水位為115～118 m。下游壩坡高密度電法測線D1探測結(jié)果如圖5所示。

圖5 測線D1高密度電法結(jié)果

由圖5可知：①測線D1總長284 m，電極距為2 m，電阻率總體呈上高下低的趨勢，同一高程位置電阻率在樁號0＋086后變化較為顯著，樁號0＋086左側(cè)電阻率相對較小，主要原因是除險加固期間該段壩體開挖回填，土體密實(shí)程度相對較高；樁號0＋086右側(cè)為老壩體，因此電阻率呈較好的成層性。②測量段總體淺層電阻率相對較高，尤其是在樁號0＋090—0＋115及樁號0＋150—0＋294范圍內(nèi)，表明下游壩坡淺層土體密實(shí)程度相對較低，與探地雷達(dá)探測結(jié)果相一致，而在對應(yīng)滲流、塌坑等險情部位，深部未見滲漏通道引起的電阻率異常。

下游壩坡高密度電法測線D2探測結(jié)果見圖6。

圖6 測線D2高密度電法結(jié)果

由圖6可知：①測線D2總長174 m，電極距為2 m，電阻率總體呈上高下低的趨勢，其展布情況與測線D1具有較好的一致性；②與測線D1類似，測線D2亦在樁號0＋090附近及樁號0＋150—0＋180范圍內(nèi)（淺層）呈高阻特征，同樣應(yīng)為淺層土體相對不密實(shí)所致，而深部未見滲漏通道引起的探測結(jié)果異常。

3.4 綜合解譯

綜合探地雷達(dá)及高密度電法探測結(jié)果可知，大壩上、下游壩坡及壩頂均未發(fā)現(xiàn)滲漏通道，僅下游壩坡混凝土框格施工范圍內(nèi)土體密實(shí)度較差，結(jié)合大壩滲流監(jiān)測資料，可認(rèn)為鄭州“7·20”特大暴雨期間常莊水庫主壩下游出現(xiàn)的滲水、塌坑等險情并非庫水經(jīng)壩體內(nèi)部上下游向的滲漏通道滲流出溢引起，而是降雨強(qiáng)度大、下游壩坡淺層土體不密實(shí)以及壩面排水能力不足等多種因素使得雨水快速入滲，再從低處“逸出”形成滲水現(xiàn)象，并在局部導(dǎo)致塌坑出現(xiàn)。

4 結(jié) 論

采用探地雷達(dá)與高密度電法相結(jié)合的綜合物探手段對常莊水庫主壩進(jìn)行探測，以了解“7·20”特大暴雨對大壩造成的影響以及分析暴雨期間險情發(fā)生的原因。探測結(jié)果顯示，采用綜合物探方法可對水庫大壩進(jìn)行全方位多層次隱患探測，而且不同物探方法之間可互為補(bǔ)充、驗(yàn)證，為查明隱患位置、分析險情原因提供充分依據(jù)。