综合物探法在西部某水库渗漏检测的应用实践

李　萌，黄　昊，吕小彬，郑亚平（1.中国水利水电科学研究院，北京，100038；2.北京中水科海利工程技术有限公司，北京，100038）



综合物探法在西部某水库渗漏检测的应用实践

李萌1，2，黄昊1，2，吕小彬1，2，郑亚平1，2
（1.中国水利水电科学研究院，北京，100038；2.北京中水科海利工程技术有限公司，北京，100038）

受防渗体系设计和施工工艺制约，西部地区某平原水库在蓄水运行后即发生了渗漏现象，影响水库蓄水和下游工程设施安全。在调研原有设计施工资料，以及现场渗漏位置的基础上，对该坝坝体和基础等部位采用了高密度电法和探地雷达检测地下水水位，并根据不同断面的地下水位分布情况，分析坝基中的渗漏通道，为进一步的防渗设计和施工提供了技术支撑。

水库；渗漏；高密度电法；探地雷达

0　引言

由于先天的设计或施工缺陷、后期运行管理条件改变，加上突发自然灾害的影响，水库常出现渗漏现象，严重危害水库大坝安全，已经成为水利水电行业中面临的突出问题。据有关部门统计，全国约5万多座小型水库大坝因建筑年代久远，存在不同程度的渗漏等安全隐患［1］。随着水库大坝运行时间增加和对防汛抗洪能力要求提高，渗漏及其对大坝安全性的威胁越来越引起人们重视。

工程实践中，许多水库大坝工程虽经历多次处理，但收效甚微，其重要原因是对渗漏部位及渗漏原因认识不清，因此迫切需要对渗漏开展现场检测和识别。一般而言，水利水电工程中渗漏类型主要包括松散的层状岩石渗漏、强透水层渗漏、断层破碎及基岩裂隙渗漏、岩溶渗漏等，与周边岩层或坝体部位相比，这些区域孔隙度大、透水性高，电性差异较大，存在较好的电磁波阻抗界面等特性。SL 55-2005《中小型水利水电工程地质勘察规范》［2］中规定：“宜采用电法、地质雷达、电磁波等物探方法探测坝体病害、喀斯特的空间分布、渗漏通道位置及埋藏深度”。目前用于水库大坝渗漏检测的物探方法主要有高密度电法、探地雷达、瞬变电磁法和面波法［3-6］，均形成了一定的研究成果，在工程实践中也取得了较大的进展。

1　工程情况

1.1基本情况

西部某水库位于阴山山脉中低山区，河床高程1 267～1 345 m，地层岩性出露较简单，主要分布有第四系松散层和华力西中晚期侵入岩层。该大坝为土石坝，长度为270 m，坝高8 m，坝顶宽4 m，迎水坡1∶2.5，背水坡1∶2.75，坝体设置土工膜进行防渗，基础采用灌浆和高喷防渗方式，坝脚设反滤体。坝体2014年建成蓄水后，大坝下游河床位置出现多处渗漏现象，严重危及下游工农业生产和人民财产安全。

1.2现场渗漏部位分析

经查阅地勘、设计和施工资料，该水库渗漏的初步原因主要集中在两方面：（1）坝体的防渗体系设计未形成封闭系统。左坝肩砂层覆盖层较深，属中等透水层，施工时由左坝端向左下游方向延伸，至冲沟处结束，防渗帷幕未与左岸相对不透水地层连接。右坝肩主要岩性属中等透水层，但未进行帷幕灌浆处理。坝基为中等透水层，分别采用了单管定喷方法和帷幕灌浆进行了防渗处理，但部分区域采用单管高喷的防渗设计深度有限。（2）高喷灌浆施工工艺存在问题，未形成连续的防渗。在施工过程中高喷防渗墙采用单管定喷成墙，形成的墙幕较薄，而现场地下水位较高，且下游自然地形较低，地下水具有向下游流动的可能，影响成墙效果，导致防渗效果较差。

1.3渗漏检测方法选择

尽管大坝渗漏隐患探测技术在工程实践中已取得了较大的进展［3-6］，但由于水库坝体及基础的渗漏缺陷性质多变和尺寸细小，同时检测成果非常容易受基础地质条件和坝体填筑材料、填筑密实度、含水率等影响，单一的物探评价可能产生较大误差。

该土石坝坝高为8 m，覆盖层处理最大深度为25 m，因此利用高密度电法和探地雷达综合物探法进行渗漏检测可以满足工程要求。该方法相对常规电法勘探具有采集数据量多、工作效率高、测点密度高、成本低、成果可视化好等优点，在科研和实际生产中得到了较好的应用。

2　高密度电法和探地雷达法渗漏综合物探方法

2.1高密度电法

高密度电法原理和常规直流电法原理完全一致，是通过对人工电场的空间和时间分布特点，探测坝体及基础与附近岩层的电性差异，确定地下水分布。当坝体或基础没有发生渗漏时，其浅表部干燥密实、下部水分增加，电阻率等值线为层状分布，由地表（坝顶）向下呈降低趋势。当坝体或基础内存在裂缝、渗漏通道隐患时，电阻率等值线梯度变化大，多则呈现异常闭合图像。

高密度电法是在勘测线上安置数十至数百个电极，其中任两个电极可用作供电电极A、B，而任两个电极可用作测量电极M、N。当M、N电极固定，供电电极AB相对MN逐次移动，MN分别测量不同AB极距供电时的电位差，AB极距越大，勘探深度越大，计算出不同AB距的视电阻率值，也就得到了不同深度的视电阻率值，当一个测点（MN）完成后，仪器自动改变MN的位置，逐点完成整条测线的勘测，得到一幅地下视电阻率的分布图，经数据的反演计算，得到地下不同地层电阻率分布图。

2.2探地雷达

探地雷达在地表上向坝体或地面发射10～10 000 MHz高频电磁波，电磁波在穿过地下介质时特性会发生变化，并反射到达地面。电磁波在坝体或基础内传播过程中，材料和缺陷的介电常数、集合分布与路径和电磁场强度有较强的相关关系，根据接收的波信号时延、形状及频谱等参数，可以分析出渗漏的深度、部位及性质。发射天线和接收天线在地面上同时移动，可得到一条雷达断面图，从而达到检测目的。当坝体防渗物质物性均一时，雷达反射波很弱，反射波同相轴连续，频率均一。当坝体发生局部渗漏时，渗漏位置介质含水量增大，电导率增大，雷达波衰减增强，产生明显界面，雷达图像表现低频高强度反射信号，并有较强的多次反射。

3　现场渗漏检测成果

3.1现场渗漏检测布置

对坝体基础及左右坝肩等可能出现渗漏的部位进行了现场渗漏检测，测线布置如图1所示。

3.2渗漏检测成果

图2为高密度电法的检测成果，可以发现坝基存在3处与坝体及坝基其他部分相比电阻率显著偏低的区域，该位置坝基土层含水量明显偏大。第一处位于右岸坝肩，水平位置在桩号-30～-40 m之间，地面以下9～14 m，与其他两处相比范围较小，电阻率约为10～15 Ω·m，此处存在坝肩绕渗的可能性较大；第二处位于河床，水平位置桩号50～75 m之间，坝顶面以下9～16 m，电阻率范围7～15 Ω·m，比第一处的电阻率值要低，此位置对应的下游坡脚反滤层处存在明显渗漏水流，从表观上看，这是整个基础渗漏最严重的地方；第三处范围最大，水平位置桩号100～240 m之间，基本在坝顶面以下9～16 m，在桩号210～240 m之间深度更深，超过24 m（仪器设定的检测深度），电阻率在6～15 Ω·m，在桩号130～200 m之间电阻率最小，判断此处也是坝基内一处主要渗漏通道。

图1　现场渗漏检测布置示意图Fig.1 Layout of seepage detection line

图2　高密度电法测线推断含水层断面图Fig.2 Aquifer sectional drawing inferred by high density resistivity method

在下游坝坡上布置的高密度电法测线2因检测范围原因，未能包含坝顶测线所显示的右岸坝肩低电阻率区域。测线2探测到坝基两处低电阻率区域，与坝顶测线的检测结果（电阻率值及低电阻率区域的水平和垂直位置）基本相同，两条测线检测结果重复性好，从一个侧面说明了高密度电法检测的可靠性。

探地雷达在坝体及两侧布置了5条测线，其检测结果尽管不如高密度电法直观，但也能反映出含水层顶面的连续强反射信号，位置基本与高密度电法结果相同。04测线位于坝体顶面，测线长度270 m，测线两端点（即坝体端点）在约8 m深度处有一连续的强反射界面，推测是坝体底界面。在测线50 m处的强信号，是泄洪洞引起。测线85～220 m，8 m深度以下，反射信号明显增强，推测为含水层引起。03测线位于坝体南端的山坡上，长度40 m，雷达在水平方向没有连续的反射信号，说明没有分层界面，深度方向上的局部强信号解释为基岩中裂隙或不均匀体引起。05测线位于坝体北侧，长度70 m，雷达在深度7.5 m有连续的反射，为较松散覆盖层厚度。07测线雷达位于坝脚碎石平台上，测线上标注的水平距离与04测线对应，在约2 m深度有一连续强反射信号，推测为含水层顶面。

4　检测结论

在综合分析某水库设计施工资料的基础上，采用高密度电法和探地雷达综合物探方法对水库的渗漏状况进行了现场检测，得到如下成果：

（1）高密度电法的检测结果表明，在检测范围内基岩、坝体和含水层具有明显的电阻率差异，平行的两条断面结果具有可比性，探地雷达剖面与高密度电法给出的坝体厚度和含水层的特征是吻合的，说明基于高密度电法和探地雷达的综合物探渗漏检测方法得到的检测结果可靠。

（2）探地雷达的检测原理与高密度电法的原理不同，该方法不能有效甄别反射波和干扰波，且深层反射波能量较弱，反射波的连续性和形状不明显，尽管其检测结果与高密度电法吻合，但其结果不如高密度电法直观，须与其他物探方法和资料调研工作配合使用。

（3）该水库坝基存在三处渗漏区域，即右侧坝肩桩号-30～-40 m之间、地面以下9～14 m；水平位置桩号50～75 m之间、坝顶面以下9～16 m；以及桩号100～240 m之间，坝顶面以下9～16 m。其中桩号50～240 m之间、在坝基内自坝顶以下9～16 m范围内基本形成了一整片的渗漏区域，基本覆盖了出水口左侧全部坝段的基础，表明这个区段的防渗体系并未达到防渗效果。

5　结语

通过探地雷达法和高密度电法对某水库坝体渗漏状况进行检测，查明了渗漏位置、埋深和范围。为确保水库长期稳定、安全运行，对坝基进行了防渗处理，效果良好。

探地雷达法和高密度电法相结合的综合物探方法相互印证、相互补充，可以较好地解决土石坝渗漏位置及其影响范围，为病险水库及大坝的后期处理提供理论数据及方案建议。渗漏探测工作对保证大坝安全运行所起的作用日益明显，越来越受到国内外水利部门的重视，相信综合物探方法必将在大坝隐患探测中发挥越来越大的作用。

［1］唐波，张莉萍，邱德俊，等.土坝渗漏探测方法探讨［J］.资源环境与工程，2013，27（4）：557-559.

［2］SL 55-2005，中小型水利水电工程地质勘察规范［S］.

［3］宋先海，颜钟，王京涛.高密度电法在大幕山水库渗漏隐患探测中的应用［J］.人民长江，2012，43（3）：46-47.

［4］葛双成，梁国钱，陈夷，等.探地雷达和高密度电阻率法在坝体渗漏探测中的应用［J］.水利水电科技进展，2005，25 （5）：55-57.

［5］赵勇.地质物探综合勘察在水库大坝漏水中的应用［J］.煤炭与化工，2014（2）：110-113.

［6］陈兴海，张平松，江晓益，等.水库大坝渗漏地球物理检测技术方法及进展［J］.工程地球物理学报，2014，11（2）：160-165.

作者邮箱：limeng@iwhr.com

Title:Application of comprehensive geophysical prospecting method on seepage detection of a reservoir in western China//by

LI Meng，HUANG Hao，LV Xiao-bin and ZHENG Ya-ping//China Institute of Water Resources and Hydropower Research

Due to the design and construction technology of seepage control system，seepage of a plain reservoir in western China occurred after the impounding.Based on the original design and construction data as well as the site seepage location，high density resistivity method and ground penetrating radar detection were used to detect the groundwater level.According to the distribution of the underground water level in different sections，the seepage channel in dam foundation was analyzed，which provided the technical support for the further design and construction of the seepage prevention.

reservoir；seepage；high density resistivity method；ground penetrating radar

TV698.1

B

1671-1092（2016）03-0069-04

2016-04-16

李 萌（1983-），男，河北沧州人，工程师，主要从事水工建筑物检测评估及修补加固工程。