綜合物探在防水災(zāi)中的應(yīng)用
——以某尾礦庫(kù)大壩滲漏為例

龍思帆 王顯光 陳海波 徐子橋

引言

在各類大壩隱患中，滲漏隱患危害較大，主要表現(xiàn)為壩體滲漏、壩基滲漏及繞壩滲漏。目前，探測(cè)大壩滲漏點(diǎn)的技術(shù)方法有很多，一般是通過地球物理資料反演間接推斷壩體、壩基的含水信息，再推測(cè)滲漏介質(zhì)和滲漏途徑。目前在大壩滲漏檢測(cè)中比較成熟的物探方法主要有直流電阻率法、充電法、同位素示蹤法，較新的方法有瞬變電磁法、微動(dòng)勘探等。

充電法可以用于探測(cè)滲漏通道及追索地下暗河，異常突出，且一般不受地貌條件影響，但受淺表徑流及游離電流影響較大。瞬變電磁法（Transient Electromagnetic Methods，TEM），是輔助地下水勘查可行和有效的方法，該方法勘探深度大、分辨能力強(qiáng)、受地形影響小，能夠?yàn)槲锾秸宜ぷ魈峁┯袃r(jià)值的含水層分布信息，比如在充水巖洞、直立導(dǎo)水?dāng)鄬拥人υ串惓１憩F(xiàn)明顯，但低阻異常從淺層到深層貫通，有拖長(zhǎng)現(xiàn)象。微動(dòng)勘探作為一種新興的物探手段，應(yīng)用范圍正逐步拓展，通過微動(dòng)線性點(diǎn)陣剖面測(cè)量在某水庫(kù)大壩滲漏檢測(cè)實(shí)例中取得較好效果 （賈惠濤等）。綜合運(yùn)用多種地球物理方法，相互驗(yàn)證，排除假異常，對(duì)于探尋細(xì)微的滲漏通道是極為必要且有效的，本次采用以上物探勘查方法，大致圈出了大壩的滲漏通道，為防水災(zāi)發(fā)生及滲漏治理提供了依據(jù)。

庫(kù)區(qū)概況

（一）庫(kù)區(qū)基本情況

安徽某尾礦庫(kù)位于廬江縣境內(nèi)，是一座三等山谷型尾礦庫(kù)。廬江地區(qū)氣候?qū)賮啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候，年平均氣溫15.8℃，四季分明，降水豐富，周邊有合銅黃高速公路，合九鐵路，周圍有幾個(gè)村民組，庫(kù)區(qū)內(nèi)有簡(jiǎn)易小路通往村外公路，附近交通便利。該尾礦庫(kù)壩體由主壩、1#副壩、2#副壩等組成，壩體結(jié)構(gòu)均為不透水堆石壩，內(nèi)坡面設(shè)HDPE防滲土工膜防水，壩體鋪砌預(yù)制混凝土塊，庫(kù)區(qū)按照全防滲設(shè)計(jì)。其中1#副壩壩軸線地面標(biāo)高介于44.8～74.1m，壩頂長(zhǎng)度約152m。

2021年9月，有村民反映1#副壩外下游有滲水現(xiàn)象，隨后應(yīng)急及村鎮(zhèn)相關(guān)部門現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了踏勘，發(fā)現(xiàn)1#副壩壩腳處能看見明顯滲水現(xiàn)象（參見圖1），于是組織開展勘查工作，以提前做好防災(zāi)減災(zāi)工作，保護(hù)村民的人身財(cái)產(chǎn)安全。

（二）庫(kù)區(qū)地質(zhì)背景

本區(qū)地處大別山余脈之東延部分和滁巢褶皺帶山地西南緣的銜接部位，為起伏不平的低山丘陵地形，山頂較渾圓，山坡較平緩。庫(kù)區(qū)地形大致為三面環(huán)山，西、北、東三面山勢(shì)連續(xù)。根據(jù)收集到的庫(kù)區(qū)及附近的區(qū)域地質(zhì)資料，庫(kù)區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有影響場(chǎng)地穩(wěn)定的大的地質(zhì)構(gòu)造（斷層破碎帶），庫(kù)區(qū)內(nèi)也未發(fā)現(xiàn)全新世活動(dòng)斷裂帶。已發(fā)現(xiàn)三處小破碎帶分別在南側(cè)主壩位置、東南側(cè)主壩的壩基、壩址北部2#副壩。1#副壩位置未發(fā)現(xiàn)較大的破碎帶。

（三）庫(kù)區(qū)工程地質(zhì)

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查，該庫(kù)區(qū)原生地層主要以火山巖為主，地基土上部主要由第四系殘積坡積和沖洪積的黏性土所組成，下部基巖為上侏羅系安山巖、閃長(zhǎng)斑巖等組成。從上到下大致分3層（參見圖1）。

圖1 庫(kù)區(qū)概況圖

（1）第四系粉質(zhì)黏土層（Q4），主要由黏性土組成，微透水性。

（2）安山巖層主要礦物成分為斜長(zhǎng)石、角閃石、云母等，分上中下三層。上層（J3l-1）中風(fēng)化，中等透水；中層（J3l-2）強(qiáng)風(fēng)化，中高等透水；下層（J3l-3）中風(fēng)化，微透水。

地球物理勘查工作

（一）探測(cè)原理及數(shù)據(jù)處理

充電法：采用人工方法對(duì)被探測(cè)的對(duì)象進(jìn)行充電，測(cè)量和研究被探測(cè)對(duì)象等電位場(chǎng)的分布及其特征，達(dá)到解決地質(zhì)問題的目的。根據(jù)電場(chǎng)理論，在均勻各項(xiàng)同性地下空間下充電橢球體上方，延測(cè)線上任一點(diǎn)的電位U是與測(cè)點(diǎn)距充電球體距離倒數(shù)1/R、電流I呈正相關(guān)的（參見圖2），公式為：理論上做歸一化處理后的“R·U/I”曲線，會(huì)在良導(dǎo)體（滲水通道）上方出現(xiàn)曲線峰值，由此可初步推測(cè)滲水通道。

圖2 充電橢球體理論模型

微動(dòng)探測(cè)技術(shù)：從微動(dòng)信號(hào)中提取面波（瑞雷波）頻散曲線，通過對(duì)頻散曲線反演獲得地下介質(zhì)的S波速度結(jié)構(gòu)，以探查地質(zhì)構(gòu)造的物探方法。通過S波速度在不同深度層次的高低變化，進(jìn)行介質(zhì)分層及構(gòu)造識(shí)別。本區(qū)S波速度相對(duì)低值區(qū)可能是壩體破碎帶、含水裂隙等的反映。

瞬變電磁法：利用不接地回線向地下發(fā)送一次脈沖磁場(chǎng)，在間歇期間用另一回線或探頭接收由地下地質(zhì)體受激勵(lì)引起感應(yīng)二次場(chǎng)，根據(jù)二次場(chǎng)衰減曲線的特征（其中低阻地質(zhì)體感應(yīng)二次場(chǎng)衰減速度較慢，二次場(chǎng)電壓較大），以判斷地下地質(zhì)體的電性特征、規(guī)模等。

（二）剖面分析

充電法在探測(cè)地下良導(dǎo)體，追索滲漏通道異常反應(yīng)明顯，施工方便，是一種成熟有效的方法，所以先采用充電法對(duì)壩體和壩體東南側(cè)山體全部勘查，然后壩體部分再補(bǔ)充微動(dòng)、瞬變電磁勘查。三種方法相互驗(yàn)證，在剖面分析中如果三種方法都有較大異常反應(yīng)，則推斷為可能性較大滲漏點(diǎn)；反之，有異常但三種方法反映程度不一致的，推斷為可能性較小滲漏點(diǎn)。

現(xiàn)將壩體上4條勘查剖面（由壩體內(nèi)至外分別編號(hào)為1～4號(hào)剖面）的充電法成果、微動(dòng)成果、瞬變電磁法成果進(jìn)行對(duì)比分析、綜合解譯，再結(jié)合已有的地質(zhì)資料，初步推測(cè)了壩體范圍內(nèi)滲水通道的平面位置和埋深情況。4條剖面分析如下：

1號(hào)剖面分析（圖3）：1號(hào)剖面位于迎水面中部壩肩處。充電法“R·U/I”曲線（紅色）與U/I曲線（藍(lán)色）形態(tài)相近，有兩處較大異常，但在210～216點(diǎn)的異?！癛·U/I”曲線反應(yīng)更明顯。瞬變電磁TEM等值線圖中，在充電法有異常反應(yīng)的地方也基本有低電阻異常顯示，其中在108～120點(diǎn)異常反應(yīng)不明顯，在200點(diǎn)附近異常較明顯。微動(dòng)明顯的低速異常在108～130號(hào)點(diǎn)、209～216號(hào)附近，與充電法的兩處最大異常位置基本吻合。微動(dòng)兩處大異常深度點(diǎn)基本在強(qiáng)風(fēng)化安山巖層內(nèi)。綜合三種物探方法和地質(zhì)剖面，推斷了W1-1、W1-2、W1-3三處可能性較大異常，W1-4、W1-5兩處可能性較小異常。

圖3 1號(hào)剖面綜合物探解譯圖

2號(hào)剖面分析（圖4）：2號(hào)剖面位于壩體壩頂平臺(tái)處。充電法“R·U/I”曲線與U/I曲線形態(tài)整體上有一定差異，在250點(diǎn)之后U/I曲線衰減過快，可以看出經(jīng)距離校正后的“R·U/I”曲線（紅色）更符合實(shí)際，其在142～144點(diǎn)、199～203點(diǎn)、240～249點(diǎn)有峰值異常顯示。但整體上異常幅值不大，推測(cè)壩頂標(biāo)高較高，滲漏通道在充電法曲線上反映比較微弱。瞬變電磁TEM在壩頂兩側(cè)有鐵欄桿干擾，等值線圖淺層數(shù)據(jù)失真，在238～250點(diǎn)附近雖視電阻率值并不算低，但等值線連線近乎直立，似小斷裂反應(yīng)。微動(dòng)明顯的低速異常在240～250號(hào)點(diǎn)附近，高程主要在55～80m，縱跨強(qiáng)、中風(fēng)化安山巖層。綜合三種物探方法和地質(zhì)剖面，推斷了W3-1、W3-2、W3-3三處可能性較大異常，W2-4、W2-5兩處可能性較小異常，其中W2-1、W2-2兩處異常，充電法峰值正對(duì)在微動(dòng)高低速分界面的位置，這可能是圈定異常上方低阻地層的分流作用對(duì)充電法的影響。而且推測(cè)異常W2-3在強(qiáng)風(fēng)化安山巖層內(nèi)有向220點(diǎn)延伸連通的可能性。

圖4 2號(hào)剖面綜合物探解譯圖

3號(hào)剖面分析（圖5）：3號(hào)剖面位于壩體背水面壩肩處。U/I曲線受距離影響大，已影響異常判定。“R·U/I”曲線劃分異常點(diǎn)較多，主要異常區(qū)塊為114～118點(diǎn)、167～179點(diǎn)、189～199點(diǎn)（異 常幅值大）。瞬變電磁TEM剖面在117點(diǎn)、176點(diǎn)、192點(diǎn)附近視電阻率曲線彎折厲害，異常明顯，與充電法、微動(dòng)對(duì)應(yīng)較好。微動(dòng)三處明顯的低速異常區(qū)塊基本與充電法三處明顯異常一一對(duì)應(yīng)，兩者吻合較好。綜合三種物探方法和地質(zhì)剖面，推斷了W3-1、W3-2、W3-3三處可能性較大異常，W3-4、W3-5兩處可能性較小異常。而且推測(cè)W3-2、W3-3可能有一定連通性。

圖5 3號(hào)剖面綜合物探解譯圖

4號(hào)剖面分析（圖6）：3號(hào)剖面位于壩體背水面壩腳處。充電法“R·U/I”曲線與U/I曲線形態(tài)相近，其中“R·U/I”在112點(diǎn)有一較小異常，在144～154點(diǎn)附近有一處較大異常，在線頭100處有極大值，推測(cè)小號(hào)點(diǎn)延伸方向有異常。該剖面未做瞬變電磁TEM。微動(dòng)在60～70點(diǎn)，高程50m左右圈出異常W4-3，此處像是一個(gè)漏斗的漏口，與充電法異常位置（144～154點(diǎn)）一致。在8點(diǎn)，高程50m附近圈出的異常W4-1，位于充電法小號(hào)點(diǎn)延伸方向，說明兩種方法也吻合。另微動(dòng)還圈定了W4-4、W4-5兩處可能性較大異常，而且推測(cè)異常W4-3、W4-4有極大的可能性是連通的。對(duì)比其他測(cè)線，4號(hào)剖面圈出的異常區(qū)塊波速度更低，反映出滲漏更明顯。

圖6 4號(hào)剖面綜合物探解譯圖

（三）滲水通道推測(cè)

以上圍繞壩體開展了4條多方法綜合物探勘查，另外充電法還施工有CD1線、CD7線及CD11～CD18線，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，最終繪制了推測(cè)的滲漏通道空間分布圖（圖7）。

圖7 推測(cè)滲漏通道空間分布圖

主滲漏通道（即通道B、通道C）基本上是剖面可能性較大漏點(diǎn)的主要串聯(lián)線，平面上看通道B近似直連了已知的滲水點(diǎn)（SL3）與漏水點(diǎn)（SL0），通道C則基本近似壩體與山體接觸帶的走向線，這符合水力特征，與實(shí)際吻合也較好。滲漏點(diǎn)SL1、SL2水量較小，同時(shí)壩內(nèi)未發(fā)現(xiàn)漏水點(diǎn)，所以次通道A的漏水源可能是大壩也不排除是大壩西側(cè)山體。從4號(hào)剖面的微動(dòng)成果來看，通道B、通道C分別穿過W4-3、W4-4，兩處異常區(qū)塊緊鄰，不僅速度低、高程近、面積還大，同時(shí)東側(cè)山體還有滲漏匯入?？紤]到大壩水位在68m，該W4-3至W4-4片區(qū)高程在50m左右，堆土范圍內(nèi)已知的滲漏水點(diǎn)高程平均在48m左右，因此在圖7中推測(cè)了該片區(qū)為嚴(yán)重滲漏區(qū)。

推斷的山體內(nèi)的滲水通道，僅根據(jù)充電法推斷，未能標(biāo)識(shí)寬度和埋深。但推斷的山體滲水通道有多處向壩體匯聚的點(diǎn)，這與“示蹤試驗(yàn)”工作中發(fā)現(xiàn)堆土區(qū)（SL3片區(qū)）幾個(gè)滲水點(diǎn)的氯離子濃度不一致，且SL3滲水量大于壩體已知漏點(diǎn)SL0的漏水量的情況相吻合。

結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）從以上綜合分析得出，主要大的異常點(diǎn)都靠近壩體與其東南側(cè)山體的接觸帶上，這些點(diǎn)串聯(lián)成了通道C（及通道B），說明該滲漏通道可能是由壩體與山體的接觸部分不密實(shí)、裂隙或防水未做好等引起。同時(shí)通道C（及通道B）上大部分異常點(diǎn)高程基本在50～60m，亦主要在強(qiáng)風(fēng)化安山巖內(nèi)或強(qiáng)、中風(fēng)化安山巖界面附近，說明滲水通道主要在透水性好的強(qiáng)（中）風(fēng)化安山巖內(nèi)。滲水片區(qū)SL3的水源除了來自B、C通道外，東側(cè)山體也有滲水匯入，該水源可能來自山體內(nèi)部，也有可能由大壩內(nèi)（可能CD1線209點(diǎn)附近）滲入，但現(xiàn)場(chǎng)未發(fā)現(xiàn)滲漏點(diǎn)。通道A的滲漏較弱，其漏水源可能來自大壩也不排除是大壩西側(cè)山體。

（2）本次充電法根據(jù)理論曲線特征，計(jì)算“R·U/I”參數(shù)，初步驗(yàn)證經(jīng)“距離校正”的“R·U/I”曲線比傳統(tǒng)的U/I曲線更能凸顯單純由地下滲水通道引起的異常，說明這種校正方式簡(jiǎn)單而有效。微動(dòng)方法在本次滲漏通道勘查中取得了突出效果，微動(dòng)圈定的異常不僅在平面位置上與充電法等高度吻合，而且能較精確地顯示深度信息，值得推廣。

（3）該區(qū)物探工作結(jié)束后為了不破壞防滲膜而開展鉆孔封堵驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，在3號(hào)剖面的118點(diǎn)附近布置了鉆孔開展水泥注漿，注漿后SL1附近的滲漏點(diǎn)已不見水流出，初步證明物探推測(cè)結(jié)果較可靠。而B、C滲漏通道漏水較嚴(yán)重，在極端強(qiáng)暴雨等情況下，大壩易發(fā)生安全隱患，治理則較復(fù)雜需多方審慎研究。

（4）本次綜合運(yùn)用充電法、瞬變電磁法、微動(dòng)方法，多種地球物理方法相互驗(yàn)證，對(duì)探尋細(xì)微的滲水通道取得了較好效果，大致圈出了大壩的滲漏通道，推測(cè)了滲漏原因，為防災(zāi)減災(zāi)做了技術(shù)支撐。