堤壩滲漏快速探測(cè)技術(shù)研討

馬飛躍

（安徽省（水利部淮河水利委員會(huì)）水利科學(xué)研究院，合肥 230088）

對(duì)于滲漏堤壩，采取鉆探方式進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)范圍小且對(duì)堤壩具有不同程度的破壞， 尤其汛期有較高風(fēng)險(xiǎn)。地球物理探勘方法屬于無損檢測(cè)，通常具有成本小、速度快、方法便捷等特點(diǎn)，近年來在堤壩滲漏探測(cè)中應(yīng)用廣泛。

用于堤壩滲漏隱患探測(cè)的地球物理探測(cè)的無損檢測(cè)方法有自然電場(chǎng)法、 高密度電阻率法、 淺層地震、探地雷達(dá)法、流場(chǎng)法等［1-4］。

自然電場(chǎng)法屬于電法勘探方法，設(shè)備易攜帶，可在堤壩表面和水上探測(cè)， 探測(cè)地下水的流向和速度等。自然電場(chǎng)法易受到干擾，如堤防大壩填筑材料不均勻、測(cè)量范圍內(nèi)有線纜、水面波浪較大，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，對(duì)后期數(shù)據(jù)處理和判斷產(chǎn)生干擾。

高密度電阻率法通過陣列方式不斷改變供電和電極，從而可得到不同區(qū)域的視電阻率測(cè)值。當(dāng)?shù)虊蔚耐馏w存在滲漏通道， 視電阻率等值線會(huì)出現(xiàn)明顯變化，形成異常的閉合范圍，從而判斷滲漏情況。高密度電阻率法在堤防、 大壩應(yīng)用較多， 取得一定成果，但對(duì)于深埋、較小的滲漏無法準(zhǔn)確判斷［5-7］。

淺層地震法屬于線性剖面的測(cè)量，但淺層地震法受地形條件、炮點(diǎn)之間距離等限制條件的影響，干擾較多，難以滿足堤壩滲漏的快速、準(zhǔn)確的探測(cè)要求。

探地雷達(dá)法操作方便，測(cè)試速度快、抗干擾能力強(qiáng)，在各領(lǐng)域應(yīng)用較多，堤壩滲漏探測(cè)也取得一定成果。但探地雷達(dá)法由于工作原理限制，往往探測(cè)深度淺，只能在表面進(jìn)行測(cè)量，對(duì)于有一定深度的滲漏隱患難以探測(cè)。

流場(chǎng)法利用在堤壩的水體中加入特殊信號(hào)的人工電流場(chǎng)來模擬水流場(chǎng)， 通過探測(cè)人工電流場(chǎng)的I變化情況，用測(cè)量的電流場(chǎng)模擬水流場(chǎng)，從而可快速探測(cè)堤壩滲漏險(xiǎn)情和明確滲漏的入水口位置。 流場(chǎng)法探頭靈敏度高，測(cè)試速度較快，對(duì)微弱電場(chǎng)的小滲漏同樣可反應(yīng)。 不足之處是探測(cè)堤壩滲漏的入水口位置，不可對(duì)堤壩填筑材料進(jìn)行探測(cè)［8-13］。

對(duì)于堤壩滲漏進(jìn)行快速探測(cè)，既要滿足快速，又要準(zhǔn)確、無損地進(jìn)行探測(cè)。綜合以上物探方法的優(yōu)缺點(diǎn)，本文采用以流場(chǎng)法探測(cè)為主，高密度電法探測(cè)為輔的物探方法，對(duì)堤壩滲漏進(jìn)行快速探測(cè)。

1 流場(chǎng)法原理

假設(shè)堤壩的水流場(chǎng)處于靜止穩(wěn)定狀態(tài)， 在出現(xiàn)滲漏時(shí)水流場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)異常， 異常的滲流流向滲漏入水口位置。通過在水體中供電，產(chǎn)生電流場(chǎng)模擬水流場(chǎng)，二者存在相似之處，如表1，空間分布規(guī)律也是相同，從而用電流場(chǎng)模擬水流場(chǎng)。通過測(cè)試水體中異常電流場(chǎng)值，判斷堤壩滲流入水口位置。

表1 定常、無旋滲流場(chǎng)與穩(wěn)定電流場(chǎng)的相似關(guān)系

2 高密度電法原理

高密度電阻率法為電阻率剖面法應(yīng)用范圍，以不同填筑材料的電性差異為依據(jù)， 通過測(cè)試填筑材料的穩(wěn)定電場(chǎng)來達(dá)到無損檢測(cè)的目的。 在作用電場(chǎng)的作用下，填筑材料中電場(chǎng)滿足以下偏微分方程：

式中x0、y0、z0為電場(chǎng)點(diǎn)坐標(biāo)；x1、y1、z1為源點(diǎn)坐標(biāo)。當(dāng)x0≠x1，y0≠y1，z0≠z1時(shí)， 即只分析無源空間時(shí)，式（1）變?yōu)槔绽狗匠蹋?/p>

3 工程實(shí)例

以現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)滲漏情況的某一小型水庫為例，壩址以上集雨面積3.0 km2，壩長(zhǎng)50 m，壩高13.5 m，主流長(zhǎng)2.30 km， 主流平均坡度為J=0.214。 總庫容19.74 萬m3，正常庫容12.0 萬m3。

水庫背水側(cè)靠近右側(cè)溢洪道的壩腳存在滲漏現(xiàn)象，排水溝有積水，將B 級(jí)電極放在背水側(cè)的排水溝中，A 級(jí)電極放在距離大壩約180 m 處，以大壩左側(cè)為零點(diǎn)，網(wǎng)格化采集數(shù)據(jù)。

流場(chǎng)法探測(cè)一般背景值為3～5 mV 之間，通過數(shù)據(jù)比對(duì)發(fā)現(xiàn)J1，J2兩處位置場(chǎng)強(qiáng)值異常，J1位置靠近大壩左側(cè)，場(chǎng)強(qiáng)值在74～172 mV 之間，場(chǎng)強(qiáng)值較背景值倍數(shù)較大，異常值集中。J2位置靠近大壩右側(cè)，與背水側(cè)滲漏出逸點(diǎn)斷面基本一致， 場(chǎng)強(qiáng)值在68～92 mV之間，呈連續(xù)線型分布，長(zhǎng)度約8 m，如圖1。

圖1 水庫流場(chǎng)法探測(cè)成果

堤壩滲漏常見的形態(tài)有洞穴、裂縫或軟弱夾層，根據(jù)流場(chǎng)法原理可知，若是洞穴狀滲漏，異常值應(yīng)集中，點(diǎn)狀分布，若是裂縫或軟弱夾層，異常值應(yīng)是線性帶狀分布。

據(jù)J1所在水平測(cè)線的場(chǎng)強(qiáng)值，J1處異常場(chǎng)集中一個(gè)位置， 數(shù)值較大， 判斷為滲漏形態(tài)為洞穴狀， 往往管涌形式滲漏，但J1所在斷面背水側(cè)位置未發(fā)現(xiàn)滲漏出逸點(diǎn)，如圖2。

圖2 J1 水平測(cè)線場(chǎng)強(qiáng)值

根據(jù)J2所在水平測(cè)線的場(chǎng)強(qiáng)值，J2處異常連續(xù)線性分布，長(zhǎng)度約8 m，異常值不大，判斷滲漏形態(tài)裂縫或軟弱夾層， 大壩背水側(cè)滲漏出逸點(diǎn)與J2所在斷面基本一致，如圖3。

圖3 J2 水平測(cè)線場(chǎng)強(qiáng)值

背水側(cè)J1和J2位置水平距離相距較遠(yuǎn)。壩體滲漏存在以下幾種可能性，J1滲漏通道斜穿大壩壩體，從背水側(cè)右側(cè)壩腳滲水，J2滲漏通道出逸點(diǎn)未發(fā)現(xiàn)；J1滲漏通道斜傳大壩壩體，從背水側(cè)右側(cè)滲出，J2滲漏通道也是從背水側(cè)右側(cè)滲出， 兩處滲漏入水位置從一處滲漏出逸點(diǎn)；J1滲漏出逸點(diǎn)未發(fā)現(xiàn)，J2滲漏從背水側(cè)右側(cè)壩腳滲水。

高密度電法系統(tǒng)采用固定斷面方式中的溫納法，電極間距1 m，測(cè)試結(jié)果未發(fā)現(xiàn)異常區(qū)域，如圖4。分析原因由于高密度電法的局限性，往下探測(cè)時(shí)數(shù)據(jù)向中間收斂，探測(cè)結(jié)果是倒梯形，兩側(cè)位置越深越難以探測(cè)。根據(jù)高密度電法成果圖，壩體視電阻率均勻，未發(fā)現(xiàn)壩體含水率大的低視電阻率區(qū)域。

圖4 高密度電法測(cè)試成果

由于J1，J2兩處滲漏入水口所在斷面位于大壩兩側(cè)，大壩受地形場(chǎng)地限制，兩側(cè)均是山體，布線長(zhǎng)度有限。但結(jié)合流場(chǎng)法的探測(cè)結(jié)果，說明J1滲漏通道未斜穿大壩壩體，可排除壩體滲漏一、二可能性，J1，J2是在大壩壩體兩側(cè)獨(dú)立的滲漏通道， 發(fā)現(xiàn)的大壩背水側(cè)右側(cè)滲漏出逸點(diǎn)為J2位置所在滲漏通道。后經(jīng)當(dāng)?shù)厮軉挝蛔C實(shí)，J1位置為棄用老臥涵位置，符合管涌形態(tài)滲漏的特征， 初步判斷老臥涵未封堵嚴(yán)實(shí)，水從此處滲漏。

4 結(jié)語

（1）實(shí)現(xiàn)對(duì)堤壩滲漏快速探測(cè)，不選擇單一物探方法，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)地形條件及實(shí)際情況，合理選用多種物探方法綜合判斷。

（2）流場(chǎng)法靈敏度高，不受堤壩填筑材料限制，數(shù)據(jù)快速直觀，可實(shí)現(xiàn)對(duì)堤壩滲漏的快速探測(cè)，缺點(diǎn)是不可探測(cè)堤壩填筑材料滲漏區(qū)域； 高密度電法可實(shí)現(xiàn)對(duì)填筑材料探測(cè)， 近年在堤壩滲漏探測(cè)中應(yīng)用廣泛，這是本文采用以流場(chǎng)法探測(cè)為主、高密度電法探測(cè)為輔的物探方法的原因。