大壩滲漏隱患時(shí)移電法監(jiān)測試驗(yàn)研究

江曉益，譚 磊，俞炯奇

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院），浙江 杭州 310017；2.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

大壩的滲流安全監(jiān)測一般選擇大壩橫斷面布置測壓管或滲壓計(jì)進(jìn)行滲流壓力觀測。該監(jiān)測方法是一貫做法，極具代表性。但該方法不能有效確定壩體或壩基內(nèi)各處的滲流強(qiáng)度，經(jīng)常存在大壩下游出現(xiàn)過大滲漏而滲流壓力仍正常的現(xiàn)象。水庫大壩滲漏與壩體損傷密切相關(guān)，大壩內(nèi)部持續(xù)不斷的滲漏極易形成滲漏通道，從而對大壩滲透穩(wěn)定產(chǎn)生威脅，量變與質(zhì)變不斷累積可能誘發(fā)水庫潰壩安全事故。當(dāng)前，水庫大壩隱患探測主要集中于對已暴露病害的單次診斷，但在工程實(shí)踐中受隱患體規(guī)模、埋深、組合關(guān)系以及相互之間的物性差異等條件制約，單次物探成果實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)診斷難度相當(dāng)高。因此，為提高滲漏隱患診斷的可靠性及治未病的時(shí)效性，改變傳統(tǒng)事后被動應(yīng)急方式，向事前預(yù)判、事中防控方式轉(zhuǎn)變，長期全過程監(jiān)測隱患部位的孕育、發(fā)展、惡化等是保障水庫安全運(yùn)行的重要手段。近年來，隨著信息化技術(shù)發(fā)展，時(shí)移電法在工程領(lǐng)域應(yīng)用越來越受到重視，特別是在滑坡、垃圾填埋場滲濾液監(jiān)測以及堤防工程的滲漏隱患探測方面應(yīng)用較為普遍[1-3]。因水庫大壩相對堤防工程結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，特別是兩壩肩存在高阻體，時(shí)移電法應(yīng)用相對較少。

2 大壩時(shí)移電法監(jiān)測系統(tǒng)

土石壩在庫水位動靜水壓力的作用下，水體在大壩壩體內(nèi)部形成自由水位面，但不同部位受填筑材料、填筑質(zhì)量以及接觸耦合的影響，大壩內(nèi)部的正常滲流性態(tài)有可能劣化成異常滲流問題，導(dǎo)致大壩或壩基出現(xiàn)散浸、流土、管涌及集中滲漏現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為隱患區(qū)域與周圍介質(zhì)之間出現(xiàn)明顯的地電場差異，為電法動態(tài)監(jiān)測提供地球物理基礎(chǔ)。大壩滲透過程中，當(dāng)壩體或壩基局部出現(xiàn)隱患時(shí)，沿滲漏通道一定體積范圍內(nèi)巖土體電阻率不斷減小，電阻率結(jié)果剖面中表現(xiàn)為低阻區(qū)范圍的增大和低阻區(qū)電阻率值的減小。

時(shí)移電法監(jiān)測系統(tǒng)面向“遠(yuǎn)程采集、云端存儲、時(shí)變處理、動態(tài)預(yù)警”的數(shù)字水庫建設(shè)需求，通過現(xiàn)場定時(shí)、激勵條件以及自定義模式采集并行電法數(shù)據(jù)，利用移動通訊技術(shù)實(shí)時(shí)把數(shù)據(jù)信息遠(yuǎn)程傳輸?shù)皆贫?，并通過專業(yè)軟件自動處理成時(shí)變數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示，結(jié)合水雨情、地質(zhì)、運(yùn)維、加固以及監(jiān)測資料，同時(shí)與傳統(tǒng)的滲流監(jiān)測斷面成果進(jìn)行互相比證，可實(shí)現(xiàn)對大壩滲流場的全覆蓋全天候觀測，為大壩的滲透變形分析、安全評價(jià)、數(shù)字水庫建設(shè)及災(zāi)害預(yù)警提供技術(shù)支撐[4]。

時(shí)移電法監(jiān)測系統(tǒng)采用分布式并行智能電極電位差信號采集方法[5]，解決了陣列電法的并行采集方式問題，并研發(fā)遠(yuǎn)程操控、實(shí)時(shí)監(jiān)測功能，能夠同時(shí)完成電阻率儀、激電儀、自然電場儀等多種儀器勘探，提高了噪聲比和電阻率采集的時(shí)間分辨率，實(shí)現(xiàn)四維電法勘探功能。并行采集技術(shù)是目前世界上采集速度最快、采集參數(shù)最多的電法數(shù)據(jù)采集方法，可以在幾分鐘內(nèi)完成人工場的電法數(shù)據(jù)采集，捕捉到瞬間的地電場變化。大壩時(shí)移電法監(jiān)測系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 大壩時(shí)移電法監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

海量的地電場信息為水庫大壩災(zāi)害識別提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，但在實(shí)際探測時(shí)，技術(shù)專家主要關(guān)注特殊時(shí)期、特殊場景以及特殊數(shù)據(jù)體的動態(tài)變化特征，基于多種觸發(fā)條件相互作用下的自動采集模式是實(shí)現(xiàn)科學(xué)采集的關(guān)鍵，一定程度上將提高數(shù)據(jù)利用率。

監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方法采用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程控制技術(shù)。監(jiān)測系統(tǒng)硬件由模塊集成的數(shù)據(jù)采集機(jī)箱及大線傳感器組成，現(xiàn)場安裝方便，只需將線纜埋入壩體表面并連接采集機(jī)箱即可，數(shù)據(jù)可采用4G/5G和光纖等多種模式進(jìn)行傳輸，只需對設(shè)備進(jìn)行供電即可。

監(jiān)測系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)上傳云端，在云端進(jìn)行自動處理，處理方式包括自然電位的數(shù)據(jù)對比，視電阻率自動成圖、差值和比值處理及視極化率的自動成圖、差值和比值處理等，可捕捉壩體內(nèi)滲流異常導(dǎo)致的介質(zhì)電性變化，從而實(shí)現(xiàn)大壩滲流隱患區(qū)的動態(tài)監(jiān)測及健康診斷。

3 大壩現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 水庫概況及大壩滲漏

以天子崗水庫為例，該水庫始建于1956年，總庫容1 801萬m3，是一座以防洪、供水、發(fā)電功能為主的中型水庫。水庫大壩為均質(zhì)壩，壩頂長度1 150.00 m，壩頂寬5.50 m，壩頂高程27.80 m，正常蓄水位23.16 m，最大壩高13.75 m。該水庫由于超齡服役，大壩進(jìn)行了多次除險(xiǎn)加固處理。

現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)大壩樁號k0+860 m附近下游壩坡高水位時(shí)存在壩坡散滲，壩腳排水棱體存在明顯滲漏現(xiàn)象（見圖2）。根據(jù)2019年水庫安全鑒定成果[6]：大壩壩體由褐黃色粉質(zhì)黏土組成，局部含全風(fēng)化砂礫巖，壩基由粉質(zhì)黏土夾粉土、粉質(zhì)黏土組成，厚度5.00～7.00 m。根據(jù)大壩k0+924 m工程地質(zhì)橫斷面（見圖3）可知：壩體填土為粉質(zhì)黏土，厚度11.00 m左右，壩基為粉質(zhì)黏土夾粉土，壩體注水試驗(yàn)滲透系數(shù)為1.2×10-5～3.3×10-3cm/s，壩體7.00 m以上呈中等透水，存在滲流隱患，壩體7.00 m以下及壩基為弱透水。

圖2 大壩k0+860 m下游壩坡散滲及壩腳滲漏現(xiàn)象圖

圖3 大壩k0+924 m工程地質(zhì)橫剖面圖

根據(jù)地質(zhì)勘察成果分析，大壩k0+860 m附近壩段存在滲漏可能與壩體局部填筑質(zhì)量較差相關(guān)。由于大壩存在滲流隱患，為監(jiān)測大壩滲流安全，采用時(shí)移電法對該段壩體進(jìn)行滲流場監(jiān)測試驗(yàn)研究。

3.2 時(shí)移電法觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以大壩樁號k0+860 m為中心，在大壩段壩頂與下游壩坡交接處沿大壩縱向埋設(shè)電法測線1條，測線埋深0.30 m，共布置64道電極，電極間距1.00 m，測線總長度63.00 m，對應(yīng)大壩樁號k0+828～k0+891 m段，其中1號測點(diǎn)位于大壩左側(cè)，即樁號k0+828 m處。電纜線采用集中式，64道電極集中在1條測線上，電纜線內(nèi)置低阻值銅絲，各電極測點(diǎn)抽頭采用防水設(shè)計(jì)，測線電極埋設(shè)安裝示意見圖4，時(shí)移電法監(jiān)測系統(tǒng)布置見圖5。

圖4 電極埋設(shè)示意圖

圖5 天子崗水庫時(shí)移電法監(jiān)測系統(tǒng)布置圖

3.3 試驗(yàn)成果分析

大壩壩體的電阻率與大壩結(jié)構(gòu)、填筑材料的性質(zhì)、填筑質(zhì)量、含水率等多種因素有關(guān)，時(shí)移電法監(jiān)測中可以規(guī)避眾多變量，主要研究電阻率對大壩內(nèi)部滲流的響應(yīng)特征。

天子崗水庫時(shí)移電法觀測系統(tǒng)自2021年3月上線以來，一直正常采集數(shù)據(jù)。由于汛期庫水位較高且變動頻繁，故本次選取汛期7組數(shù)據(jù)及非汛期1組數(shù)據(jù)進(jìn)行大壩滲流場電阻率變化分析。

大壩經(jīng)歷一個(gè)汛期不同時(shí)間段監(jiān)測得到的視電阻率圖像見圖6，庫水位最大變動2.45 m，其中2021年7月11日達(dá)到最高水位即正常蓄水位。圖中正常蓄水位以上基本呈條帶狀相對高阻，正常蓄水位以下為相對低阻區(qū)，其中存在3個(gè)明顯的相對低阻圈閉區(qū)，核心位置位于測線15.00 m、28.00 m及42.00 m處，深度為5.00～12.00 m，相對低阻隱患區(qū)主要位于壩體段。隨著庫水位變化，壩體電阻率值呈動態(tài)變化，且隨著庫水位的升高，低阻區(qū)的范圍有不斷擴(kuò)大的態(tài)勢，高水位時(shí)大壩內(nèi)部不同區(qū)域電阻率變化幅度存在一定差異，其中低阻圈閉區(qū)更加明顯。

圖6 大壩縱向斷面電阻率隨庫水位的變化圖

以2021年4月16日實(shí)測大壩電阻率數(shù)據(jù)作為初始值，其他時(shí)間點(diǎn)的電阻率值與之作比值得到的變化云圖見圖7，相對于視電阻率圖像，電阻率比值圖像更加清晰，從該組圖發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：

圖7 大壩斷面電阻率比值隨庫水位的變化圖

1）大壩淺表層電阻率變化幅度較大，可能與汛期降雨有關(guān)，由于淺層填筑材料透水性好，豐富的雨水促使表層巖土體導(dǎo)電性明顯增強(qiáng)。

2）汛期隨著庫水位的升高，大壩整體電阻率值有所降低，電阻率降低的特征呈近水平層狀分布，未見電阻率突變區(qū)。

3）隨著庫水位的下降，枯水期大壩電阻率值存在差異化升高現(xiàn)象，推測與大壩內(nèi)部不同區(qū)域滲流滯后效應(yīng)相關(guān)。

根據(jù)一個(gè)汛期大壩時(shí)移電法監(jiān)測成果，天子崗水庫大壩k0+828～k0+891 m段大壩滲漏隱患區(qū)滲流場基本穩(wěn)定，未見明顯局部滲流惡化區(qū)，目前滲漏應(yīng)該與壩體滲透系數(shù)過大有關(guān)，大壩壩體未見明顯滲漏通道。

4 結(jié) 語

大壩滲漏現(xiàn)象表現(xiàn)為隱患區(qū)域與周圍巖土介質(zhì)之間出現(xiàn)明顯的地電場差異，為電法動態(tài)監(jiān)測提供地球物理基礎(chǔ)。通過天子崗水庫滲漏隱患區(qū)時(shí)移電法監(jiān)測試驗(yàn)，結(jié)果表明：

1）時(shí)移電法監(jiān)測技術(shù)面向“遠(yuǎn)程采集、云端存儲、時(shí)變處理、動態(tài)預(yù)警”的數(shù)字水庫建設(shè)需求，實(shí)現(xiàn)對大壩滲流場的全覆蓋全天候觀測。

2）大壩滲漏隱患區(qū)時(shí)移電法監(jiān)測，將大壩滲漏隱患從單一探測轉(zhuǎn)換到對隱患的全生命周期監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)大壩滲流隱患區(qū)的動態(tài)監(jiān)測及健康診斷。

3）由于時(shí)移電法監(jiān)測技術(shù)在工程領(lǐng)域尚處于測試應(yīng)用分析階段，巖土介質(zhì)電性變化與異常體性質(zhì)判定及其累積效應(yīng)還有待進(jìn)一步研究，隨著人工智能及信息技術(shù)的發(fā)展，如何實(shí)現(xiàn)隱患智能感知必將成為未來時(shí)移電法監(jiān)測技術(shù)研發(fā)的方向。