综合物探方法在堤坝渗漏通道检测中的应用

张明财,祁增云,李 洪

(1.中南大学地球科学与信息物理学院,湖南 长沙 410083；2.有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室,湖南 长沙 410083；3.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,陕西 西安 710043)

堤坝渗漏是危害堤防安全运行的主要因素之一，及时、准确地封堵堤坝前的渗漏入口或截断堤坝内渗漏路径，是遏制险情发展、避免发生堤坝溃决的有效方法，而查找堤坝内部的渗漏隐患成为亟待解决的问题。堤坝隐患探测的常规方法主要有地质钻探、人工探视和地球物理勘探三种。前两者均不能满足快捷、精细、准确和无损等要求。而且地质钻探既具有局部性，又具有破坏性；人工探视方法既费时费力，又难于发现隐患；因此，地球物理方法在堤坝隐患探测中发挥着重要作用。分析研究堤坝隐患可能产生的地球物理异常场，选择有效的探测方法，是物探方法取得成功应用的关键。

近年来，物探工作者出于对社会的责任感，探索出了大量的堤坝渗漏通道探测方法。周俊龙,江世永,王兵等[1](2008)在分析高密度电阻率法基本检测原理的基础上，对采集的数据用二维有限元进行了模拟成像，检测结果与开挖结果较吻合；杜华坤，喻振华，汤井田[2](2005)在分析已有方法的基础上，提出利用有限元法将高密度电阻率法用于堤坝渗漏监测并做理论上的分析，数值模拟结果表明：高密度电阻率法在理论上能够对一定深度范围内的渗漏通道进行监测，并结合多剖面观测方法能追溯其走向；王朋[3](2009)结合国家自然科学基金项目“土石坝渗漏的波-电耦合成像诊断技术研究”(合同编号50779081)，运用二维电阻率层析成像技术对土石坝渗漏诊断进行了较系统的应用研究。杜家论,范建军,王颖轶等[4](2016)在吴淞导堤工程中成功应用了超声波检测、探地雷达技术，取得了良好的效果。房纯纲,葛怀光,贾永梅等[5](2005)研制成功堤防和土坝渗漏隐患探测专用瞬变电磁仪，并成功应用于段堤防和座大坝渗漏隐患探测。中国工程院院士何继善[6](1999)提出了适合在汛期快速探测堤坝渗漏险情和渗漏、管涌进水口的“流场法”，此后，该技术不论在工程实践[7- 8]中还是在理论研究[9- 10]中都得到了飞速的发展。

1 工程背景

某水库左岸防洪堤在闸前约310m长为新建堤段，最大堤高20m。之后至库尾，堤顶高程按P=2%的设计洪水频率加安全超高确定，堤顶设1.0m高的防浪墙，能挡P=0.2%的校核洪水位并考虑适当的超高。防洪堤迎水面坡比1∶1.6，根据不同的挡水高度及交通要求，在桩号为左防6+887.50～左防2+166.40按C25钢筋混凝土面板设计，堤顶宽5.0～8.0m；在桩号为左防2+166.40～左防0+000.00按C20素混凝土面板防渗，堤顶宽5.0m。防洪堤后坡坡比1∶1.5，均采用干砌块石护坡。该水库自投产运行以来，左岸闸前约310m长的新建堤段多处出现较大渗漏水，局部呈股状涌水现象。布置在该堤段末端的渗漏监测资料表明，渗漏量达到300L/s。后虽经过相关处理，渗流量有所减少，但根患未除。为确保水库安全运行，急需渗漏探测，以便查明入渗点及可能的渗漏通道分布情况。图1为左防6+687剖面设计图及堤后渗漏图。

图1 左防6+687.5剖面设计图及堤后渗漏图

2 工作方法技术

由于水库整个堤坝表面为混凝土和干砌石，无法埋置电极，或无法形成良好的接地条件，造孔势必会破坏堤坝内部构造，可能会造成渗漏的加剧，固在本次检测中不采用高密度电阻率法和CT层析成像技术。结合工程地质特点及现场测试条件，在库区和出水口布设管涌仪探测系统，探查渗漏通道入口，在浆砌石坝面布设探地雷达和瞬变电磁测线，以期探查渗漏通道。测线布置示意图如图2所示，其中红线表示瞬变电磁法测线，绿线表示探地雷达法测线。

图2 左岸防洪堤渗漏检测物探测线布置示意图

2.1 伪随机流场法

伪随机流场法是何继善院土提出的一种主要用于汛期查找渗漏管涌入水口的新方法。管涌渗漏入水口近似相当于堤防内部渗流场的源头，而渗流场的数学控制方程为拉普拉斯方程，与恒定电流场的数学控制方程相同，因此它们在空问分布上应该具有相似的规律。伪随机流场法通过在库水(或尾水)中分别设置伪随机波形的电流场发射源，使得该电流场在渗漏通道的分布只与库水(或尾水)引起的渗流场高度相关，通过渗漏通道中伪随机电流场的分布特征来检测其渗流场的特征以及与库水(或尾水)的连通关系。

本项目中A极置于最大渗漏点，无穷远极B置于上游1000m处库区水下12m，并用重物固定。测试区域内大范围采用2m×2m网格精度探查，然后对主要异常区进行横纵向反复确认。

2.2 探地雷达法

探地雷达利用超高频电磁波(主频为106～109Hz)以宽频带短脉冲形式，通过发射天线传入地下，经地下地层或目的物反射后返回地面被接收天线所获取如图3所示。由于电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形会随所通过介质的电学性质及几何形态而变化。因此，根据接收到波的旅行时间、幅度与波形资料，可以推断介质结构变化。

图3 探地雷达探测原理示意图

本项目中采用中心频率为400MHz的屏蔽天线，沿背水护坡等高线布设RD1测线，沿护坡坡面布设RD1～RD6测线，由于护坡为干浆砌石，表面凹凸不平，采用点测模式，测点点距为20cm。

2.3 瞬变电磁法

瞬变电磁法又称时间域电磁法(TEM)，是利用不接地回线向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈观测二次涡流，通过分析二次场的空间和时间分布规律解决有关地质问题的方法。

图4 瞬变电磁法探测原理示意图

其基本原理就是电磁感应定律。根据其传播规律可知，最初激发的感应电流局限于地表，并在紧靠回线处的一次磁场最强，随时间推移，地下感应电流呈环带分布，逐渐向下，向外扩散，强度减弱，分布趋于均匀，其探测原理示意图如图4所示。

本项目中在堤坝顶及护坡分别布设TEM1和TEM2测线此次勘探该法布置于左岸防洪堤坝顶及背水面护坡。测试参数为：采用矩形大定源方式，发射框60m×40m，接收框3m×3m，测试点距2～3m。经现场试验，发射频率采用4Hz、8Hz、16Hz三种，30次迭加，采样间隔16μs，输出电流4～5A，增益8倍，关断时间3.9μs。

3 探测成果分析

布设于水库中的伪随机流场法测线成果如图5所示，靠近堤坝桩号0～25m范围内信号值明显增大，推测渗漏入口位于该范围内面板与趾板处。

图5 伪随机流场法成果平面图

布设于堤坝顶部的TEM1测线的成果剖面图如图6所示，桩号为18～21m处，高程为350～390m范围内存在明显的低阻(如图中白色虚线圈定范围)，推测该处为渗漏通道所在。

图6 TEM1测线成果剖面图

沿等高线布设于干砌石护坡的雷达RD1测线于瞬变电磁TEM2测线探测成果分别如图7(a)、(b)所示。RD1测线42～80m雷达电磁波反射明显增强，TEM2测线45～80m范围内电阻率明显降低，推测该范围内存在渗漏。

图7 探地雷达RD1测线与瞬变电磁TEM2测线探测成果

布设于干砌石护坡面上的探地雷达RD2～RD6测线成果剖面图如图8所示，RD3测线雷达电磁波反射信号强烈，为渗漏通道。

图8 探地雷达RD2～RD6测线成果剖面图

综合分析伪随机流场法、瞬变电磁法和探地雷达法物探测线成功，很容易推测出渗漏通道的空间分布特征：渗漏主要集中在左岸防洪堤坝与大坝交界处18～21m处，高程350～390m范围内(趾板处)，从C20素混凝土面板渗入防洪堤坝体与面板接触面，沿接触面渗流，在桩号45～80m范围内渗入坝体，形成通道，从干砌石护坡对应位置处形成明流，进入排水沟。

4 结论

当渗漏出水口存在明流时，伪随机流场法完全能够满足堤防管涌渗漏检测的需要，非常适合于水库堤防查漏或其他挡水建筑物的渗漏检测，其探测过程简单有效，探测数据准确可靠。

在坝顶、背水护坡等处辅以其他物探方法，可以检测坝体内部的渗漏通道。坝体结构的复杂性、检测工作现场的局限性和干扰、解译算法的多解性会影响检测成果的，采用多种物探方法相互对比验证，可提高成果解译的准确性。当接地条件受限时，可采用探地雷达法和瞬变电磁法，渗漏通道处雷达电磁波反射强烈，瞬变电磁成果中表现为明显的低阻特征。