基于伪随机流场法的岩溶地区土石坝渗漏检测

张凯馨，高文达，方致远

（1.南京水利科学研究院，210029，南京；2.南京市水利建筑工程有限公司，210036，南京）

水库渗漏是一种隐蔽的长期性危害，不仅降低了水库效益，并且威胁大坝安全运行，甚至会造成溃坝。2007年，水利部组织编制了《全国病险水库除险加固专项规划》，专项规划纳入大中型病险水库项目共1182座，其中土石坝1078座，占总数量的91.2%。通过梳理这1182座病险水库的病害特征，发现34.7%存在渗流安全问题，其中岩溶渗漏是水库渗漏的主要形式。

岩溶地貌在我国广泛分布，各省（自治区、直辖市）均有存在，尤以西南和华北地区为主。此外，西南地区水资源富集，修建了大量水库，由于岩溶地貌作用，这些水库天然存在着一些地下渗漏通道，若前期基础处理工作不完善，水库蓄水后在水头差作用下可能发展出新的渗漏通道，危及大坝安全。在对岩溶地区水库进行检测时，要注重判定是否存在渗漏。但岩溶地区地质条件复杂，且一地具有一地的地质特点，渗漏通道的探测存在难度。过去水库渗漏常采用地质钻探、人工探视等方法，存在破坏性和局限性，近年更倾向于使用无损的地球物理探测技术，常用的方法有电法、电磁法、流场法、弹性波法和放射性法等物探方法。其中，伪随机流场法适用于渗漏入水口的探测。

一、伪随机流场法基本原理

流场法是中南大学何继善院士提出的一种无损探测堤坝渗漏入口的方法。研究表明，江河库湖中正常的水流分布存在一定规律，对于水库而言，除了山泉等补给和侧向渗流等之外，水库中的水一般处于静止状态。水的流速在空间上的分布可以视作流场。在没有渗漏的情况下，流场为正常场，表示为：

其中，参数x、y、z代表流场中点的坐标，t代表时间。若大坝存在渗漏通道，会在正常流场的基础上，出现渗漏造成的异常流场，当存在渗漏情况，总的流场可表示为：

其中 va（x，y，z，t）表示异常流场。异常流场的特征是，水流速度矢量指向渗漏通道入口。因此，可以通过探查异常流场，检测是否存在渗漏通道。

通常情况下，正常流场流速大于异常流场，异常流场很难直接观测到。但异常流场与电流场具有一定相似性，渗漏通道周围介质（即围岩）电阻率远大于水体的电阻率，可视作绝缘体。渗漏通道入口范围相对于整个场的范围很小，且渗漏入口异常流速矢量均指向入口，因而流场中的渗漏入口与电流场中的点电源具有相似性。基于以上假设和简化，将渗流场与电流场进行对比（见表1）。

人们可以用电场模拟流场，人工强化异常流场。伪随机流场法即采用“伪随机”多频复合信号发射接收装置，通过电流密度场拟合管涌渗漏造成的异常流速场分布，也称为伪随机流场拟合法。

基于以上原理，在现场工作时，分别将两个电极置于背水面的出渗点和库区水体中。两个电极需有一定距离，保证测量区域的电流场不受干扰。在水底附近测量三向的电流密度（矢量）或垂直的电流场密度（标量）分布，根据电流场异常情况判断管涌渗漏的入水口（区）。现场工作示意图见图1。

图1 伪随机流场拟合法现场工作图

图2 量水堰渗漏量与库水位相关性图

表1 电流场与渗流场相似关系

二、工程案例

以云南某水库为例，该水库工程区域内广布灰岩，以岩溶地貌为主。水库始建于1958年，1990年开始扩建，1992年完工，水库枢纽建筑物有主坝、东副坝等。主坝1958年6月建成时，为均质坝，扩建时用黏土斜墙与原坝体相连接，形成上游防渗体，下游培厚部分用石灰岩风化料填筑。东副坝坝型为黏土均质坝，原坝高9.3 m，扩建后东副坝高15.6 m，坝型仍采用均质黏土坝。

水库扩建至今主坝坝后渗漏量一直较大，实测最大渗漏量达28.3 L/s，东副坝也存在不同程度的渗漏。主坝右侧坝面靠坝肩处自2006年开始出现局部沉陷，面积约63 m2。2017年，水库管理人员巡查发现主坝坝脚右侧下游23 m处新出现一渗漏点，出水为承压状，且有土颗粒带出，渗漏量约3～5 L/s。此外，监测时段内量水堰通过的渗流量介于3.79～32.14 L/s之间，高水位情况下的坝后渗漏量较一般工程经验明显偏大；水库渗漏量与库水位相关性明显，相关系数为0.78，见图2。综合以上情况，判定水库极大可能存在渗漏通道。

采用伪随机流场法探查，仪器为湖南继善高科DB—3A型堤坝管涌渗漏检测仪。测点布置于主坝、东副坝库区，测线布置近平行于大坝，测线间距一般为5～20 m，测点距为5 m，共计布置了23条剖面，其中主坝库区12 条（记为 H1～H12），东副坝库区 11条（记为 F1～F11），具体布置见图 3。

图3 伪随机流场拟合法测线布置

由于探头的长度是固定的，且水体的电导率稳定，因此只需对记录的电位差用电流归一化，相当于计算出电流密度，将电流密度绘制成曲线图和平面等值线图进行分析。

伪随机流场拟合法异常判定依据主要以电流密度大小作为判定的依据。根据测试成果，测区电流密度正常值范围在1～15 A/m2之间，异常部位电流密度表现为高值异常，为正常值的3倍甚至10倍以上，通常渗漏进水口电流密度曲线呈“峰”形。

以主坝库区为例，对各剖面成果做简要的分析，电流密度剖面成果及分析如表2，代表剖面H1、H2电流密度曲线见图4。

根据主坝检测成果，共发现3个高电流密度异常区，编号为①～③，总成果见图5。图中颜色愈深代表该区域电流密度愈大，根据伪随机流场法原理，则其愈可能是坝后出逸点对应的渗漏入水口。

图4 代表剖面电流密度曲线

表2 各剖面伪随即流场法探测成果及分析

为验证伪随机流场法探测结果的正确性，在经伪随机流场法探测发现的渗漏异常区内投入大量食盐，随后在主坝坝后出水点位置进行水体电阻率测试，由于供电电极距和测量电极极距是固定的，因此只需将投盐前测试的水体电阻率值和投盐后连续观察的电阻率值进行对比分析就可以确定坝后渗出的水是否为投盐位置流入。

图5 某水库主坝库区伪随机流场拟合法检测成果

图6 水体投盐前后电阻率连续观测成果图

在发现的主坝渗漏异常区投入食盐，经过22.7 h后，水体电阻率出现陡降的趋势（见图6），说明库区发现的渗漏异常区水体与坝后渗水点水体具有连通性。

三、结 语

一是结合工程布置、伪随机流场法检测成果以及水体电阻率测试验证，推测②号异常区为输水隧洞入水口水流的反映，①和③号异常区为库区渗漏入水口反映。二是通过实际运用，进一步说明了伪随机流场法在岩溶地区土石坝探测渗漏入口的适用性。三是由于各种物探方法均有各自的适用条件和局限性，以一种方法的探测结果作为判定依据缺乏可靠性，结合水体电阻率测试方法，既经济便捷，且有效证明了伪随机流场法的探测结果，并为之后的分析提供了依据。