綜合物探方法在水庫大壩滲漏探測中的應(yīng)用

胡 雍，吳 奇

(1.深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，廣東 深圳 518000；2.深圳市水務(wù)科技發(fā)展有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

根據(jù)2021年4月27日經(jīng)濟(jì)日報(bào)報(bào)道，截止目前，我國現(xiàn)有水庫9.8萬多座，其中大中型水庫4700多座、小型水庫9.4萬座，80%以上修建于20世紀(jì)50-70年代[1]，反映了我國水庫堤壩數(shù)量多，大部分堤壩的建設(shè)年代也較久遠(yuǎn)，水庫堤壩在運(yùn)行過程中，隨著時間的不斷推進(jìn)，其安全情況也在逐漸變化，特別是在受到外界條件(如暴雨、蓄水、冰凍、風(fēng)浪沖刷、洪水、地震等)擾動時，堤壩及各水工建筑可能出現(xiàn)不同程度的隱患，也將影響堤壩的安全運(yùn)行。同時水庫大壩作為國家水網(wǎng)構(gòu)建的重要結(jié)點(diǎn)，是國家水資源配置和供水保障體系中的重要一環(huán)，也是連接自然水流系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)的重要橋梁，水庫大壩安全也是國家水網(wǎng)高質(zhì)量安全發(fā)展的重要基礎(chǔ)。大壩滲漏是大壩安全首要解決的問題[2]，也是最為常見的水庫大壩病害類型[3]，大壩滲漏的類型眾多，狀態(tài)多樣，因地質(zhì)條件不同、施工過程不同、天氣氣象不同、人為管理不同，導(dǎo)致滲漏病害的成因復(fù)雜性，給水庫大壩的運(yùn)行帶來了嚴(yán)重的安全隱患[4]，特別是在高水位蓄水期，大壩滲漏問題令水庫管理部門苦惱不已。因此，研究如何快速、準(zhǔn)確的探測出水庫大壩滲漏問題的方法和手段是一項(xiàng)有意義的工作。單一的物探方法，因其本身的局限性和適用條件，很難全面、準(zhǔn)確地提供出滲漏隱患的空間分布位置以及進(jìn)行成因分析[5]。

為此，本文通過分析水庫滲漏區(qū)域的場地條件，采用了多種無損物探方法進(jìn)行實(shí)地勘探，并搜集了建壩時的歷史資料和近期的大壩安全鑒定地質(zhì)資料進(jìn)行綜合分析，最后利用鉆孔示蹤的方法對滲漏通道進(jìn)行驗(yàn)證，從而確定了滲漏通道的位置和走向，為大壩的除險(xiǎn)加固提供了支撐依據(jù)。

1 工程概況

深圳某水庫位于深圳東部，是一座中型水庫，水庫樞紐工程包括1座主壩(1#壩)和15座副壩，以及4條輸水管，16座壩壩型均為當(dāng)?shù)仫L(fēng)化料均質(zhì)壩加土工膜防滲，輸水管型式為壩下壓力埋管。集雨面積3.46km2，正常蓄水位66.0m，總庫容2659萬m3，興利正常庫容2450萬m3，水庫16座壩均質(zhì)土壩，總長2968m，最大壩高28m。水庫擔(dān)負(fù)著原水調(diào)蓄、城市供水和防洪搶險(xiǎn)，還可通過泵站與主體水源工程進(jìn)行水量調(diào)蓄。

本文以其中一均質(zhì)土壩為研究對象，上游壩坡采用土工膜防滲，壩長為164.5m，最大壩高為25.0m，壩頂寬度為6.0m，高程68.0m。壩頂設(shè)防浪墻，迎水面為鋼筋砼面板護(hù)坡，壩坡坡度為1：2.75，1：3.0；背水坡設(shè)一級馬道，馬道上下坡度均為1：2.5。壩腳設(shè)置排水棱體，最大高度為3.0m。2019年2月28日，水庫水位62.83m，水庫運(yùn)維單位發(fā)現(xiàn)大壩存在滲漏現(xiàn)象。為查明滲漏通道及壩體可能存在的潛在隱患，保障水庫的長期運(yùn)行，現(xiàn)場采用多種物探方法進(jìn)行探測并綜合分析。

2 綜合物探方法及測線布設(shè)

2.1 綜合物探方法

根據(jù)探測對象的物理特性差異(表1)[6]以及本次探測的工作目的，本次采用了高密度電法[7-8]、充電法[9]、探地雷達(dá)法進(jìn)行綜合探測[10]。

表1 常見介質(zhì)物理參數(shù)

壩體濕潤區(qū)、巖體破碎含水區(qū)、密實(shí)壩體間存在明顯的視電阻率差異，為采用高密度電法、充電法查明滲漏通道提供了地球物理基本前提條件。土體不密實(shí)區(qū)、土體濕潤區(qū)與密實(shí)土體間存在著明顯的介電常數(shù)差異，為地質(zhì)雷達(dá)法初步查明是否存在土體相對不密實(shí)區(qū)提供了地球物理基本前提條件。

2.2 測線布設(shè)

針對不同的探測目的，作出如下測線布置測線布設(shè)圖如圖1所示。

圖1 測線布設(shè)圖

(1)在水庫蓄水前(水位高程64.05m)，在壩腳、馬道與壩腳間、馬道旁、壩頂、迎水面、左右壩肩布置了7條高密度電法剖面和1條AMN單邊三極剖面(與GM3重合)，在背水坡及壩下泉眼附近布置了15條充電法剖面，在背水坡布置了10條探地雷達(dá)剖面。

(2)在水庫蓄水后(水位高程65.04m)，在壩頂布置了一條高密度電法監(jiān)測剖面。

3 成果分析與驗(yàn)證

3.1 高密度電法資料解釋

各高密度電法剖面反演成果圖2-11所示。

圖2 壩腳GM1剖面高密度電法反演成果圖

圖3 壩腳與馬道間GM2剖面高密度電法反演成果圖

圖4 馬道旁GM3剖面高密度電法反演成果圖

圖5 馬道旁GM3剖面AMN單邊三極電法反演成果圖

圖6 壩頂GM4剖面高密度電法反演成果圖

圖7 迎水面GM5剖面高密度電法反演成果圖

圖8 左壩肩GM6剖面高密度電法反演成果圖

圖9 右壩肩GM7剖面高密度電法反演成果圖

從各剖面反演成果圖及對應(yīng)的充電法探測成果，逐條分析可知：

(1)壩腳GM1剖面：距剖面起點(diǎn)GM-1A 32.3～39.5m范圍內(nèi)，高程在38.5m以下范圍內(nèi)存在ρs(視電阻率，下同)低值異常，結(jié)合此處充電法探測結(jié)果，推測此處低值異常為滲漏通道范圍；距剖面起點(diǎn)GM-1A 29.5～30.5m范圍內(nèi)，高程在43.0～44.5m范圍內(nèi)存在ρs低值異常，考慮其為淺部表層異常，且其旁側(cè)存在排水溝，排水溝底板破損，推測此處低值異常為土體相對不密實(shí)、排水溝雨水下滲引起。

(2)壩腳與馬道間GM2剖面：距剖面起點(diǎn)GM1-2A 31.0～38.5m范圍內(nèi)，高程在38.5m以下范圍內(nèi)存在ρs低值異常，結(jié)合此處充電法探測結(jié)果，推測此處低值異常為滲漏通道范圍；距剖面起點(diǎn)GM1-2A 25.0～30.5m范圍內(nèi)，高程在41.5～46.5m范圍內(nèi)存在ρs低值異常，充電法未在此范圍內(nèi)出現(xiàn)零值點(diǎn)，且其高程高于漏水點(diǎn)高程(漏水點(diǎn)出水特征為向上冒水)，且未見壩腳棱體有漏水痕跡，考慮該剖面工作前幾天天氣連續(xù)降雨，推測其應(yīng)為土體相對不密實(shí)、濕潤的低值異常；距剖面起點(diǎn)GM1-2A 56.0～59.0m范圍內(nèi)，高程在44.0～47.0m范圍內(nèi)存在ρs低值異常，考慮充電法未在此范圍內(nèi)出現(xiàn)零值點(diǎn)，低值異常范圍平面位置位于左側(cè)排水溝旁，同時考慮該剖面工作前幾天天氣連續(xù)降雨，推測其應(yīng)為旁側(cè)山體富水引起的低值異常。

(3)馬道旁GM3剖面：距剖面起點(diǎn)GM1-3A 74.0～108.0m范圍內(nèi)，高程在51.5～54.7m范圍內(nèi)存在ρs低值異常，其高程與GM1、GM2對應(yīng)的滲漏通道高程無法對應(yīng)，且低阻異常在水平方向上呈現(xiàn)層狀、串珠分布，推測此處低阻異常應(yīng)為土體相對松散、濕潤引起；從AMN單邊三極反演成果圖中可以發(fā)現(xiàn)，在距GM-3A 99.3～113.9m范圍內(nèi)，高程在40.5m以下范圍內(nèi)存在ρs低值異常，結(jié)合此處充電法探測結(jié)果，推測其為滲漏通道范圍。

(4)壩頂GM4剖面：距剖面起點(diǎn)GM-4A 136.0～157.2m范圍內(nèi)，高程在42.5m以下范圍內(nèi)存在ρs低值異常。在此處低值異常范圍內(nèi)，結(jié)合此處充電法探測結(jié)果，推測此處低值異常為滲漏通道范圍。

(5)迎水面GM5剖面：距剖面起點(diǎn)GM-5A 85.5～109.0m范圍內(nèi)，高程在45.0m以下范圍內(nèi)存在ρs低值異常。結(jié)合此處充電法探測結(jié)果，推測此處低值異常為滲漏通道范圍；距剖面起點(diǎn)GM-5A 105.8～114.0m范圍內(nèi)，高程在57.5～59.5m范圍內(nèi)存在ρs低值異常，以及距剖面起點(diǎn)GM-5A 123.8～135.0m范圍內(nèi)，高程在56.0～60.0m范圍內(nèi)存在ρs低值異常，同時此處迎水坡混凝土護(hù)坡裂縫較多、縫寬較大，推測兩處低阻異常為護(hù)坡破損使壩體濕潤所致。

(6)左壩肩GM6剖面、右壩肩GM7剖面：無坡腳滲漏特征，排除繞壩滲漏。

(7)壩頂監(jiān)測剖面GM8：將GM4剖面及GM8剖面在同一種視電阻率色彩條內(nèi)顯示，如圖10-11所示，對比可知，蓄水后底部低阻區(qū)域明顯變大，表明庫水位上升，使得壩底浸潤范圍加大，側(cè)面證實(shí)了壩底建基面附近存在滲漏現(xiàn)象。

圖10 壩頂GM4剖面高密度電法反演成果圖(對比分析)

圖11 壩頂GM8剖面(監(jiān)測剖面)高密度電法反演成果圖(對比分析)

3.2 探地雷達(dá)資料解釋

LD-3A-LD-3B剖面：距剖面起點(diǎn)LD-3A 17.2～57.0m范圍內(nèi)，深度3.7～6.7m(對應(yīng)高程50.8～53.8m)范圍內(nèi)，反射波同相軸不連續(xù)，錯斷，同時局部有多次強(qiáng)反射信號，推測為土體相對松散。對比高密度電法剖面GM3可知，與距剖面起點(diǎn)GM3-1 74.0～108.0m范圍內(nèi)，高程在51.5～54.7m范圍內(nèi)存在ρs低值異常吻合較好，進(jìn)一步證實(shí)了該區(qū)域內(nèi)土體相對松散異常。其他雷達(dá)剖面未見明顯異常，如圖12所示。

圖12 LD-3A-LD-3B剖面地質(zhì)雷達(dá)圖像

3.3 充電法驗(yàn)證及鉆孔驗(yàn)證

根據(jù)搜集到的大壩平面布置圖顯示，左壩和右壩壩頂附近分別有排水暗管、排水暗溝將原泉眼與壩底褥墊排水層相連。

通過分析馬道旁GM3剖面及馬道與壩腳間GM2剖面可知，在右壩排水暗溝相應(yīng)位置未發(fā)現(xiàn)低阻異常，說明右壩泉眼出水量較少，甚至幾乎不出水。

為驗(yàn)證左壩泉眼是否仍在排水，在褥墊排水層與排水棱體連接部位附近采用背包式鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔(ZK2)后，采用充電法對鉆孔處進(jìn)行充電追蹤。通過布置的5條充電剖面顯示，褥墊層與泉眼連線方向存在零值點(diǎn)，零值點(diǎn)連接線以曲線形式朝右壩方向彎曲，證實(shí)了泉眼仍在向外排水。

為驗(yàn)證物探成果，在大壩背坡及排水溝中布置了8處鉆孔，各鉆孔位置及高程見表2。

表2 鉆孔布置統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)鉆孔揭示資料及投紅示蹤(對ZK2-ZK4投紅)情況，可以揭示壩下土體有松散，但排水溝底漏水點(diǎn)主要還是壩基局部(物探成果劃定區(qū)域)散浸匯聚后集中上涌所致。

3.4 綜合物探成果分析

綜合分析高密度電法、充電法、地質(zhì)雷達(dá)資料以及鉆孔驗(yàn)證、充電法驗(yàn)證、搜集的地質(zhì)鉆孔資料，得出以下結(jié)論：

(1)從高密度電法GM2～GM3剖面以及對應(yīng)的充電法成果可知，左壩段泉眼仍在出水，但出水量不大，泉水經(jīng)排水暗管引流至褥墊排水層排出。右壩段泉眼出水較少，幾乎不出水。

(2)結(jié)合GM1～GM8剖面，大壩壩體左壩段局部存在滲漏通道，滲漏方式為沿建基面附近散浸，在背水坡坡腳匯聚，漏水主要為庫水。散浸區(qū)域走向如圖1(粉紅色線圍合的范圍)所示。

(3)從高密度電法剖面及探地雷達(dá)探測剖面可知，大壩壩體局部存在土體不密實(shí)區(qū)域。特別是，馬道GM3剖面距起點(diǎn)GM3-1 74.0～108.0m范圍內(nèi)，高程在51.5～54.7m范圍內(nèi)存在范圍較大的土體相對松散區(qū)。

4 結(jié)語

(1)水庫大壩滲漏成因復(fù)雜，單一物探方法解譯成果的多解性和方法本身的局限性和適用性較難準(zhǔn)確的查明滲漏隱患成因，綜合物探方法可以相互補(bǔ)充、相互印證，綜合分析后可以得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。

(2)本文以深圳某水庫大壩滲漏為應(yīng)用對象，通過聯(lián)合采用高密度電法、充電法、探地雷達(dá)法、鉆孔驗(yàn)證等多種手段，查明了大壩滲漏的原因及其散浸通道，并查出了壩體內(nèi)部的土體相對松散區(qū)，為水庫管理部門提供了決策依據(jù)，也為除險(xiǎn)加固提供了技術(shù)支撐。

(3)在進(jìn)行物探資料解釋時，要多方面搜集大壩建成資料以及近年的地質(zhì)資料，為物探成果的資料解釋提供依據(jù)。