大坝渗流定位及案例分析

A.K.Hughes（英国），M.L.Jessop（美国）（.阿特金斯顾问有限公司；.Willowstick科技公司）



大坝渗流定位及案例分析

A.K.Hughes1（英国），M.L.Jessop2（美国）
（1.阿特金斯顾问有限公司；2.Willowstick科技公司）

对于大多数大坝都存在的渗漏问题，保持监测并及时采取修复措施是常用的策略。笔者介绍了用于探测地下水的Willowstick创新性新方法，通过识别、定位和模拟通过地下的电流路径，它能探查建筑物渗漏水渗径和测定渗漏型式。该方法可用于帮助进行资产管理、制定修复措施，笔者列举了相关应用案例，供参考。

渗漏；Willowstick方法；检测

大多数大坝都存在某种程度的渗漏问题。若大坝服役期间工况稳定且可持续，并对渗漏状况保持监测，则该类渗漏就不一定会造成重大问题。但是，若渗漏突然出现或突然增大，则可能对大坝造成风险，或流失水量的经济损失巨大，这类渗漏均应开展调查和修复工作。通常，在不清楚渗漏渗径的情况下必须快速地执行调查，否则可能会导致修复工作规模巨大且十分昂贵。这是选择用独立的钻孔或一系列钻孔拦截还是辨识各渗漏渗径的问题。大坝失事模式之一就是管涌。对土石坝，大坝管涌通常贯穿大坝、贯穿坝基或两者皆有；对混凝土重力坝，管涌可能发生在坝基或坝肩。

在许多案例中均可以找到渗流渗径。通过缓慢降低水位，塌坑或其他物理特征会呈现出来，有时可以发现渗漏点。比较困难的是确定渗漏水穿透大坝、在大坝之下和绕过大坝的渗径。这一问题随着创新性新方法的使用而有所改变。

1　创新性新方法

Willowstick是美国一家科技公司，专业从事建筑物渗漏水渗径和渗漏型式的预测和测定工作。Willowstick是一种创新的地球物理学方法，它将低压、低安培的电流直接引入要探测的地下水。与交变电流一样，该电流会产生磁场，用感应仪器在地表可测得该交变磁场。

该磁场是由大型电路产生的，包括三个部分：（1）连接两个电极的电路接线；（2）接地耦合的电极或点；（3）目标地下研究区域本身，通常其位于两电极之间，而两电极通常策略性地与水直接接触。为调查大坝渗漏，一个电极被放在水库大坝的上游，返回电极在大坝下游直接与水接触，比如放置在渗漏水中或观察井内，便于与穿透大坝或大坝下的渗漏水接触。电流会选择优先路径且集中在饱和的地下区域内，因为从此处穿越大坝、或从大坝之下或/和从周围通过大坝的电阻最小。大多数情况下，电流的最小阻力路径是饱和地下区域中更具连通性的孔隙形成的通道。由于交变电流有各种优先路径可穿透大坝或从大坝下或周围穿透，它会产生具有电流特征的磁场。这种特定的磁场可在地面使用移动的高敏磁接收器以网格模式进行识别和测定。

在地面每个网格点处，对磁场强度进行测量，以确定其分布和电流的连通模式。测量站点的位置（坐标）采用差分全球定位系统（Differential Global Positioning System，DGPS）获取，并与磁场数据一并记录。随后，结合现有的水文地质信息对测得的磁场数据进行处理、绘制等值线图、建模和进行解释，以促进对调查区域下方渗流路径的定性。

图1　典型测量设置图（平面图）Fig.1 Typical survey setup（plan view）

2　Willowstick方法的物理原理

Willowstick方法使用以下物理原理，表明了该方法为什么可以用来识别、定位和模拟通过地下的电流路径，以此来探查各条水道：

（1）电流沿最小阻力通道行进。通常，水在地下是最佳的自然电导体。

（2）电流通过导体会产生磁场，反映来源的特征；

（3）基于麦克斯韦方程，导体中的交变电流会在导体周围产生交变磁场，反之亦然，交变磁场会在受交变磁场影响的导体中产生交变电流。

（4）导电性会将电流聚集在地下。地下的电流会沿长导体或导电区域传播，以促进A、B两点（即两电极）之间的电流传导。第一个就是地下水流动路径和通道。当电流可能通过地下的研究区域，电流会聚集和通过最具导电性的介质，通常就是地下水、渗流或渗漏的区域。

3　Willowstick方法的使用

结合大坝的管理，Willowstick方法有以下三种不同的应用模式。

3.1被动型

对新的渗漏做出响应本质上是一个被动的过程，这要求进行快速的响应、快速的分析以及快速的行动，可能需要降低库水位，通过采取针对性的补强加固措施来保证大坝安全。Willowstick方法是无损性方法，且布设时间很短。初步结果通常可以在测量后的24 h内获得，可用于制订有针对性的补强加固工作。

3.2主动型

最常见的情况是主动应用，大坝业主开始担心大坝工况（如出现细微的迹象、长出芦苇或局部湿润等），或意识到存在渗漏且可能变得更严重，或渗漏的质和量开始发生改变（出现浑浊水流或细粒物的沉淀等）时，大坝业主会希望找到渗漏的来源并确定其是否会发展成为危险工况。

无论是在整个大坝还是在某一特定区域进行，Willowstick的调查都可以立刻确定渗漏的平面和高程位置。一旦完成调查，就可以做出判断，渗漏是否危及大坝安全、是否是库水渗漏、是否需要进行补强加固，如果需要，则需要接着设计具有针对性的应对措施。

补强加固措施可以有针对性地重点关注这些位置，比如仅需在已知的渗漏区域采用灌浆或隔水墙/桩技术。对渗漏深度特征的了解可帮助选择最合理的施工技术和规划，且对业主来说，相比于对工况不完全了解或进行假设而造成必须进行连续补强加固（如需处理更大区域）的情况，对渗漏深度有了解后所选择的处理方案可极大地节省成本，同时由于清楚渗漏路径已被封堵，可对建筑物的安全更有信心。在补强加固工作前后，均可对建筑物进行探测，以确定修补效果。

对大坝进行灌浆补强的效益可能随着时间而递减——可能是因为渗漏路径没有完全被封堵，也可能是因为灌浆类型没选择正确，库水使灌浆发生了侵蚀，或是由于其他各种原因。最近，对4年前进行过补强加固工程的某一大坝执行了Willowstick的探查流程，证实补强加固工程之后，建筑物的性态发生了明显的恶化。

3.3资产管理

对拥有一座大坝或包括许多大坝的资产组合的大坝业主而言，Willowstick还可以用于业主的资产管理。每5年或10年间隔，对大坝或这些资产组合进行一次探测，或许正好是在计划的独立安全检查之前，这样就可以看出在此期间工况是否有变化，大坝性态是否有变化。这一信息可有多种用途，它可以用来评估采用某种特别的设计建造、在某种特定运行体制下运营的某一潜在类型的大坝的恶化程度，也可以成功用于资产组合的风险评估，或单座大坝的风险评估。若能肯定大坝只有轻微渗漏或不存在渗漏，则与管涌相关的失事概率就能大幅降低或甚至降为0。当制订资金项目或补强加固工程计划时，根据已知的风险进行优化排序，这能产生显著的效率和收益。这是资产组合风险评估或单座大坝风险评估实践中的有效投入。

有些大坝坐落的地基并没有在大坝下游设置渗漏观测。比如泰晤士河峡谷流域中的许多大坝都坐落在30～40 m厚的冲积层上，穿透大坝粘土心墙的渗漏都会通过坝基，没有任何表面渗漏的迹象。英国洛奇戴尔附近的格林布斯，20世纪80年代遭遇了与管涌和内部侵蚀相关的严重问题，最终反映为在坝顶形成沉降。尽管发生了失事过程，但排水系统中未测得水流，下游也未注意到渗漏，因为坝址处的地质在下游极度倾斜。若当时有Willowstick探测系统且被应用于主动型或资产管理工作中，则该事故完全可以避免。

4　案例分析

4.1巴特利大坝

巴特利大坝位于英格兰伯明翰西南约8 km处，其坝趾处存在3处明显渗漏，曾进行过两次独立但免费的检查，一次是在大坝右侧，一次是在大坝左侧。

两次检查都设置了相似模式的电流，检查结果揭示了土石坝下可能存在渗漏水流的区域。有两处被证实可能存在穿透大坝的水流，其中第一条渗漏渗径位于大坝站址18+75～19+75之间，且在板桩墙的一小段之下或也可能在其周围有渗漏水流。第二条渗漏渗径在2次检查中都被确认，位于大坝站址11+00～13+00之间，认为在原溪流河道下面有轻微渗漏。

水环纯水务公司（Severn Trent Water，为英国第二大水务公司，上市公司）在渗漏区域及其附近共钻了4个孔。在第一个、第二个和第四个钻孔约20 m深处，钻孔液消失在6 m厚的极度碎裂的砂岩层中。在约10 min之后，在下游排水系统中发现了钻孔液。第三个钻孔中的钻孔液没有消失，该孔距离检查到的渗漏渗径最远。对业主来说，在下游发现钻孔液让他们对检查结果有了信心。对大多数土石坝来说，填筑材料经工程处理后都能成功阻止渗漏路径的发展，但坝基则更难预测，因为断裂、断层、风化层和其他渗透区域在施工过程中可能不那么明显。在该案例中，若没有地质物理探测的帮助，大坝下的可能渗漏路径就不能被充分定性。

图2　坝址地图Fig.2 Site map

4.2英国金乔治大坝

第二个案例是英国金乔治大坝，它是一个非蓄水水库，坝顶长约7 km。在下游坝肩一半高程处忽然出现了渗漏，于是降低库水位，直至降到比最高水位低了1 m。

业主机构中的大多数人都认为心墙上部已变干，但水库安全经理对此感到担忧，要求进行Willowstick检查。大坝建造在砂砾石地基上，采用的是薄型中央粘土心墙和砂砾石坝肩。由于采用了薄型粘土截渗墙，担心可能发生不易被察觉的渗漏和侵蚀。

对整个周边都进行了普查，让业主了解是否还存在其他穿透土石坝的渗漏，结果没发现其他渗漏。在已知渗漏的区域，检查显示，渗漏是从原地面与心墙的结合部穿透心墙的。

补强加固工程包括对目标坝段采用地下连续墙代替粘土心墙。对历史记录进行研究表明，缺陷曾经出现在原河道线路上。

4.3斯里兰卡萨马娜拉维瓦大坝

萨马娜拉维瓦大坝位于岛国斯里兰卡，印度国土南方尖端边界外面一点。大坝距离首都科伦坡东南约160 km。

图3　检查的平面区域Fig.3 Plan area of investigation

瓦拉维河是斯里兰卡第五大河流，萨马娜拉维瓦大坝拦蓄瓦拉维河水。大坝施工始于1986年，1991年完工。大坝为分区填石土石坝，内设粘土心墙。大坝坝高约为105 m，坝长530 m，库容约254 万m3，流域面积约350 km2。该大坝不仅是重要的可再生能源资源，还发挥着供水、防洪、渔业、野生动物栖息等关键效益，对斯里兰卡来说，该水库还有其他许多不可定量的收益。

图4　萨马娜拉维瓦大坝Fig.4 Photograph of Samanalawewa Dam

大坝右坝肩和右边缘区域存在岩溶地貌。在水库的地质调查和建设期，曾意识到岩溶地貌在右岸可能是普遍存在的。在大坝右坝肩原定坝轴线上游300 m处，曾在施工期发现了岩溶地貌：一个空洞。该空洞看似沿一处小的断层形成，该小断层是许多平行的小断层之一，其在坝址处形成了鞍状构造。在进行Willowstick检查之前，已花费了5 800万英镑用于补强加固工程。

在右坝肩研究区域进行的Willowstick检查采用了两套调查装置，给地下研究区域供电。在进行两次调查时，一个电极放置在水库中（距离大坝上游面和右边缘区域一定距离），返回电极被策略性地放置于渗漏水中，与从土石坝下游山体渗出的渗漏水直接接触。

结果，在大坝之下没有发现渗漏，也没有发现穿透大坝本身的渗漏，但是，发现了渗漏集中在大坝右坝肩之下。渗漏从隧洞南边和北边流经一系列网状的路径。基于建模模拟及标注的高程显示，在调查时，隧洞北边的渗漏在库水位高程附近（约440 m）。另外，沿着右边缘灌浆帷幕存在渗漏，但还没有达到穿透右坝肩研究区域的程度。

Willowstick检查确认了截渗墙失效的两个主要区域：一个是在隧洞的拐弯处，另一个是原截渗墙横穿隧道处。确认了穿透右坝肩区域的渗漏水的两处主要来源之后，就可以对萨马娜拉维瓦大坝采取经济有效的补强加固措施，以保证大坝的安全和完整性，并将库水位蓄回至原定的最高水位，保持其发电能力。

补强加固工程包括的具体措施为：（1）封堵现有的补充灌浆帷幕中的2处明显缺口；（2）对高程约438 m处的主要岩溶区进行定位和填充，预计将耗资200万英镑。

5　结语

保障大坝的安全需要使用各种技术和方法工具。Willowstick是一个强大的工具，不仅可以帮助查探渗漏和制订具有针对性的补强加固措施，现在还是一种资产管理工具，可降低不确定性，帮助对风险进行定性。

使用Willowstick方法的业主可从中受益，包括：（1）可以对结构物有更多的了解；（2）对结构物的性态发展有更大的确定性和信心；（3）可大幅节省补强加固工程的成本。

文献来源：Proceedings of the Hydro 2015 Conference on Advancing Policy and Practice

翻译：崔弘毅

校核：许传桂

Title:Locating seepage through，beneath and around dam//by

A.K.Hughes and M.L.Jessop//Atkins Ltd.

Most dams leak to an extent.Continuous monitoring and timely rehabilitation is the strategy always adopted to ensure dam safety.In this paper，the innovative method，namely Willowstick method is introduced.By identification，mapping and modelling electric current flow paths through the subsurface，individual water paths are traced and the seepage model is determined.The Willowstick method is helpful in asset management and development of rehabilitation measures.As well，some application cases are given，for reference.

seepage；Willowstick method；inspection

TV698.1

A

1671-1092（2016）03-0083-04

2016-04-25