并行电法技术在大坝渗漏探测中应用示范

2018-10-08江晓益李红文江树海尚建涛

浙江水利科技 2018年5期

谭磊，江晓益，李红文，皮雷，江树海，尚建涛

（1.浙江省水利河口研究院，浙江杭州 310020；2.浙江省水利防灾减灾重点实验室，浙江杭州 310020；3.浙江广川工程咨询有限公司，浙江杭州 310020）

1 问题的提出

水库大坝统筹防洪、发电、供水、灌溉等多重复合型功能，是保障人民生命财产安全，保障经济发展的必然选择。新时期，2016年全国水利发展统计公告数据显示，我国已建成各类水库98460 座，成为世界上拥有水库大坝最多的国家，同时我国也进入世界低溃坝率国家行列。但我国水库大坝95%以上为土石坝，并且大多建设于20世纪80年代以前，如此点多、面广、量大的土石坝渗漏问题成为水利标准化管理最大的难点。

目前，大坝除险加固的设计方法、施工技术及防渗新材料都取得长足的进步，为大坝防渗处理提供了可靠的保障。然而，在工程实际应用中也存在一些问题，具体表现为处理范围较大、防渗补强难以经受工程长期运行的考验以及防渗处理效果欠佳，甚至存在部分水库在除险加固完成后渗漏现象更加恶化的丑态。勘察、设计以及施工等环节对渗漏隐患的空间分布特征不清，盲目采取千篇一律的整治措施是导致水库效益难以发挥的根本性原因。针对浙江省内水库、山塘存在大坝渗漏问题，研究团队提出了1套集查漏和堵漏相结合的“水库堤防渗漏并行电法探测”技术，在全省近200座水库（山塘）中得到示范性推广。本文在介绍并行电法探测技术之后，展示了近年来典型水库渗漏探测应用成果，并针对推广应用中存在的问题展开讨论。

2 水库渗漏并行电法探测技术

2.1 物性基础及隐患识别

土石坝坝体是由人工填筑，采用分层碾压，逐层加厚而成，水平方向上电阻率具有连续性，在垂向上电阻率具有递变性，进而根据渗流薄弱区与周围坝体之间的电阻率差异判断隐患的空间分布特征[1]。一般地，大坝渗漏部位发生在浸润线之下，造成渗漏薄弱区相对周围介质表现为更低阻，通常大坝坝体渗漏隐患电阻率图像表现为闭合状异常；坝基渗漏主要由于原坝基凊底不彻底或岩基破碎，低阻异常区位于坝基部位，由于大坝测线布置的局限性，常表现为半闭合状；坝肩绕坝渗漏是水库渗漏的主要表现形式，低阻区在测线外且曲率较小的特征。

2.2 技术特点

并行电法是集电剖面和电测深为一体，结合电阻率层析成像等技术改进的测试系统，相对传统电成像技术，采用面向应用的新概念，实行拟地震式数据采集构架，供采分离，多电极同步进行多次覆盖式电位测量，具有抗工频干扰、随机干扰性能强等特点，大大提高施工效率，同时海量大数据获取有利于进行渗漏隐患的精细探查与分析。并行电法技术显著特点是改进了传统高密度电法拘泥于分装置串行采集的弊端，实现并行、高效、大数据瞬时获取的新理念，发挥面向对象的全电场数据同步采集的优势[2]。

根据施加电流的方式不同，并行电法分为单点供电（AM法）和偶极子（ABM）法2种采集方式。水库渗漏探测多采用AM法（见图1），在采集过程中，B电极只具有构成电流回路的作用而被置于无穷远处。按照协议发布供电命令，让任意电极（电极1号）处于供电状态，则其余测量电极（电极2 ～ n号）同步采集电位数据，依次供电与采集的有机组合，所有的电位数据与参比电极N作归一化电位差处理，得二极、三极以及高分辨地三维数据体，提高解译的精度。

图1 A M法工作方式原理图

2.3 技术优势

相较于高密度电法技术，具有以下特点：

（1）高密度电法采样过程中，一组供电电极只能采集一组电压数据，其余电极处于闲置状态，采集器在不同时刻受到的外界干扰存在差异，而并行电法对测线上（除供电电极以外）电极同步采集数据，有效降低外来噪声的干扰，增强信噪比；

（2）在同样的时间内，64通道并行采集数据是高密度电法分装置采集的1365倍，大大提高了工作效率；

（3）基于并行电法收录到的为电流、电位数据，根据供电时期不同，依次可获取自然场，一次场和二次场的全场数据体；并可根据需要，对一次场数据体进行电流和电压数据体之间的相互组合，得到不同装置的高密度电法视电阻率数据和泛装置数据；

（4）采用多次覆盖式测量，利用供电电极和测量电极之间的互换测量，极大地丰富了地电信息，实现高分辨、全透视测量，海量的数据体为跨孔、孔地以及立体化成像提供可靠性的基础数据。

3 典型应用示范

水库大坝渗流薄弱区具有隐蔽性、时变性以及分布的随机性，导致隐患可能分布在坝基、坝体、左右岸山体及其与大坝的接触带部位，甚至有些是因引水建筑物发生破坏引起的，故不同的渗漏部位在电阻率色谱图上也表现不一。

3.1 蛟坞水库坝基及接触带组合渗漏

蛟坞水库位于安吉县境内，是一座以灌溉为主的小（2）型水库，工程主要建筑物由大坝、溢洪道、坝下涵管等组成。大坝为黏土心墙坝，大坝坝高10.00 m，在大坝运行过程中，发现大坝左坡脚排水沟漏水最严重，导致大坝蓄水位较低，最大的坝脚渗漏点对应桩号K0 + 035 m处。

通过在大坝坝顶布置电法测线，利用并行电法仪采集数据体，经数据处理得到视电阻率（见图2）。从图2可以得出，大坝浅表层视电阻率值相对较大，可能与坝体土含水率有关，低阻区分布在大坝左坝段和河床段中部，结合大坝坝高以及出水点位置，比对隐患识别标准，推断出隐患横向分布在K0 + 005 ～ K0 + 025 m段，埋深在5.00 ～12.00 m，表现为坝基及接触带部位渗漏。

图2 大坝心墙视电阻率断面图

根据探测成果，对渗漏区进行钻探作业工作，揭露出水库岩基及接触带较为破坏，且下游出现浑水的现象，对该段进行防渗处理后，下游坝脚渗漏量明显降低（见图3）。

图3 库水位及坝后渗漏量变化曲线图

3.2 坝肩绕坝渗漏

落马坞山塘是一座以农业灌溉为主，兼顾供水的屋顶山塘。山塘自建成后，大坝坝脚一直存在渗漏问题，并随着库水位升高，渗漏量加大。采用并行电法技术对该山塘进行渗漏隐患探测，为大坝渗漏的精细化探测提供数据基础[3]。

图4为大坝纵向视电阻率断面图。从图4中可以得出，视电阻率整体上相对较低，更低阻区位于大坝左岸，从形态上显示出低阻区向左岸山体延展，低阻中心在测线范围以外，对比隐患识别标准，引起大坝渗漏的主要原因与左岸山体的破碎有关，造成大坝存在绕渗的现象，为下一步处理方案的设计提供指导。

图4 大坝纵向视电阻率断面图

3.3 坝体和坝肩绕坝的组合渗漏

兰溪市坞里塘山塘左、右岸坝脚多年都存在渗漏现象，并且渗漏量随着库水位增加不断地增大，由于渗漏部位及原因不明确，虽进行除险加固处理，但渗漏现象仍存在。为查找隐患，采用并行电法技术对大坝进行隐患探测。从大坝坝顶视电阻率图像（见图5）上可以看出，低阻区有2部分构成，尤其以河床段最为突出。针对坝体和绕坝渗漏隐患，采用水泥黏土充填灌浆和帷幕灌浆的工艺对大坝坝体和山体进行防渗处理。图6为坝脚处理前后渗漏总量对比图，从图6中可以得出，大坝在处理前后渗漏总量明显降低，从而验证了技术探测的准确性。

图5 大坝并行电法探测结果图

图6 坝脚处理前后渗漏总量对比图

3.4 涵管渗漏

富阳裘家坞水库在采用黏土斜墙防渗，并对两岸齿槽帷幕灌浆处理完成后，待水库蓄水过程中，再次发生渗漏现象[4]。

为了分析渗漏原因，在大坝坝顶测线剖面上未见明显低阻异常区的情况下，在背水坡增加2道电法测试。图7为不同高程的电性断面图，可有效的追索出异常区的空间位置分布，图7a为剖面图，图7b、c为异常区示意图，结合放水涵管的位置与高程，推测背水坡部位涵管可能出现破损，从而导致下游坝脚出现渗漏，而坝顶测线未见明显渗流薄弱区。

图7 不同高程的电性断面图

图8为背水坡涵管出口段开挖图，在关闭起闭机时，现场开挖过程中有明显水流大量涌出，从而验证探测成果的正确性。

图8 涵管出口段开挖图

4 讨论与建议

水库堤防渗漏并行电法探测技术作为一种新型无损化、高效的测试手段，历经技术的引进、吸收、转化以及创新等阶段，集仪器设备、解译技术以及探测队伍形成一套适用于水库、山塘、堤防渗漏诊断的“专科医院”。在得到省水利推广中心大力支持下，在浙江省内得到广泛应用，并取得良好的经济效益和社会口碑。

浙江省有水库4300多座，山塘2万余座，土石体结构的堤防、海塘也分布广泛，水库大坝隐患特征复杂，探测需求高，把技术更好地服务于堤坝渗漏隐患探测中去，让技术更好地发挥示范作用，成为技术团队不得不考虑的问题。

（1）利用大坝纵横向上电阻率的差异可以有效识别渗流相对薄弱区，但由于老坝修建时间久远、缺乏详细地质资料，尤其小型水库、山塘基本上无运行期监测资料，加之后期多次对大坝修复处理，易造成大坝存在非渗漏型异常，给渗漏隐患带来严重的干扰，甚至出现误判、错判的现象。为有效提高探测的准确度，对于多次加固的水库应充分了解大坝除险加固历史的基础，更加注重对未曾除险加固的水库大坝在安全鉴定或防渗施工之前开展探测工作，同时推进对除险加固效果的评价。

（2）目前，技术示范项目主要应用于可见渗漏现象或除险加固后的病患水库，这种模式属于事后应急的被动行为，而大坝渗漏隐患的突发都建立在岩土体不断动态演化的基础之上，仅依靠管理人员常规的检查显然不能掌握大坝内部的性态，建议把并行电法技术应用于水库大坝的常态化监测工作中去。

（3）水库渗漏探测不是最终的结果，针对探测的成果采取合理的防渗手段进而解决大坝的渗漏问题才是关键。然而，在工程实践中查漏与堵漏并未有有机结合起来，导致锁定的隐患区并不能处理好，而施工过程的资料也不能及时准确地反馈，因此，团队提出水库堤防渗漏并行电法探测及定向处理技术。

（4）鉴于水库大坝渗漏调查属于政府投资性公益活动，短期内很难产生明显效益，目前示范应用经费主要来源于推广专项投资，加之地方水库管理部门对技术必要性重视程度不够，在探测经费投入和政策扶持方面存在严重不足，导致探测技术在进一步扩大推广方面缺乏可持续的资金保障。