磁电阻率法在水库渗漏探测中的应用

邹德兵，傅兴安，闵征辉

(长江勘测规划设计研究有限责任公司， 湖北 武汉 430010)

据不完全统计，我国已经建成各类水库超过8.6万座[1]。筑坝技术在取得巨大成就的同时，也出现了不少病害问题。水库病害问题多种多样，其中，水库渗漏是大坝最主要的病害之一，而准确的渗漏探测则是治理水库渗漏的前提条件。

针对水库渗漏探测难题，国内工程界进行了有益的探索。杨启贵提出了基于采用水下声纳、水下高清摄像、喷墨示踪、连通试验并配合地质钻孔的面板堆石坝渗漏综合检测技术[2]，杨阳采用高密度电阻率法对霍林河水库渗漏进行了检测[3]，何继善提出了拟流场法探测技术和堤坝管涌渗漏检测仪，先后在洪泽湖大堤、龚嘴电站、浏阳市株树桥水库等工程中得到应用[4-6]。

作为上述渗漏探测方法的有益补充，笔者所在的单位近年将地质探矿行业的磁电阻率法引入水库渗漏探测，取得了较好效果。磁电阻率法是通过供电期间观测水库研究范围内总磁场或一次磁场的分布规律,以此研究水库渗漏目标的导电性能和导磁性能,实现探测渗漏问题的一种勘探方法，已在国内多个病险水库除险加固领域获得应用。常规电阻率法[7-9]则是通过测量地下介质的视电阻率差异来分析地质缺陷即可能的渗漏通道的一种物探测量方法。一般情况下，地质缺陷例如断层破碎带相比周围完整基岩表现为低阻反应，常规电阻率法正是利用这种电性差异，探明地质缺陷，查清渗漏通道。磁电阻率与常规电阻率法的本质差异在于前者利用渗漏区磁场的差异追踪渗漏通道，前提要求只要存在渗漏水流即可，而后者则是利用不同岩土体电阻率的差异解译地质缺陷，前提要求是地下介质存在明显电阻差异[10-11]，否则精度较差。常规电阻率法对地质缺陷不明显、渗漏量不大的缺陷探测效果相对较差，从而限制了其适用范围。

本文着重介绍磁电阻率法在水库渗漏探测中的应用，为水库渗漏探测及工程处理提供新的思路和技术支撑。

1 基本原理

磁电阻率法基于毕奥-萨伐尔定律[12～14]，通过测量电流产生的磁场分布，反映地下电流分布规律。不良地质体或工程隐蔽缺陷通常会导致渗流通道，而存在渗流的部位通常含水量较大，水是良导体，从而导致渗漏部位相对于周围介质而言电导率较高，即与周围介质存在明显的电性差异，这种差异是磁电阻率法探测的必要前提。

简而言之，渗漏通道由于水的作用，导电性好，电流会沿通道走，电流强度大，引起的磁场强度也大，在地面测量磁场，再来反演电流的分布，从而找出渗漏通道。

在水流的进出口(或上、下游)供入某一频率电信号，会形成电流回路，即可将其简化为电流在一条无限长的电线中传输，则其周围会产生围绕电线的磁场，如图1所示。采用磁场感应技术追踪其自身导入地下的信号电流来判定疑似渗漏水流通道，反演电流分布并建立模型，找出渗漏通道，实现对渗漏水流通道的定位。磁场强度的公式可以表示为：

B=u0I/2πR

(1)

式中：R为电缆中心到测点的半径距离，m；I为代表安培电流，A；u0为常量4×10-7Tm/A。

图1电流产生磁场示意图

通过测量电流通道所产生的磁场大小和方向的差异来确定渗漏水流的纵向和横向位置。磁场的方向由右手定则确定，如果用右手握住电线，拇指的方向代表正电流的方向，其余手指卷曲的方向就是磁场的方向。电流与磁场方向示意见图2。假设以向上、向右为正，图2所示的点A，位于电流源左侧，其垂直(V)和水平(H)两个磁场分量为正(分别向上和向右)。点B位于电流源的右侧，垂直(V)向下分量为负，水平分量(H)为正。当测线布置在电流源的上方时，通过V和H分量的变化就能判别电流源的空间位置,进而识别渗漏水流的方向位置。

图2电流源周围的磁场分量

具体到水库渗漏探测项目中，磁电阻率法一般采用水平布置方式，见图3。在建筑物(例如大坝)上、下游布置电极及导线，接通电源，建立大坝上游与下游渗漏点之间的电流回路，测量渗流路径所产生的实际磁场，与预测磁场比较，解译推测最为可能的渗漏通道，从而达到准确探测的目的。

图3磁电阻率法水平布置方式

2 工作方法与技术

第一步，开展测点及导线布置设计，获取点位数据。综合考虑水库现场地质、地形、渗漏点分布、供电及水上、陆上交通条件，确定测量范围，布置测量点位，确定供电线路。某水库初拟的右半边测量点位及供电线路布置示意见图4。

图4测量点位及导线布置示意

第二步，现场铺设供电线路，进行外业数据采集。按照预先设定的测量点位，采集测点磁场和测区背景磁场。点位一般按照5 m×5 m～15 m×15 m点距布置，局部位置加密至1 m×1 m～2 m×2 m，并将每个测点的坐标导入GPS手簿中。

根据磁电阻率法探测要求，电流强度需满足0.5A～2.0 A，导线采用全铜芯电缆。线路布置时尽量远离测区以减少对数据采集的影响，布置完后电线接入220 V民用电，通电后变频器把220 Hz交流电转换为380 Hz交流电。野外数据采集时，由磁电阻GPS放样每个测点并采集磁场数据。在测量的过程中，记录测区内干扰物的类型与位置，以便在后期数据处理的过程中去除干扰。

第三步，解译数据，获取最为可能的渗漏通道。首先，假定测区水库没有渗漏情况，建模计算，绘制理想情况下的预测磁场等值线图，在此基础上，根据据实际采集的磁场数据，绘制测区实测磁场等值线图；其次，滤除测区内金属闸门等强导电体干扰数据后，生成测区比率响应图，显示磁场的异常区域；然后，再将比率响应数据导入地下电流三维分布反演软件中，反演电流分布模型；最后，将此电流分布模型加载至水库三维实体模型，即可推得水库最为可能的渗漏通道的位置及高程。

3 应用实例

3.1 面板堆石坝渗漏探测

湖北某水库枢纽为Ⅱ等大(二)型工程，大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高95 m，坝顶长222 m，坝顶高程330.50 m，上游坡比1 ∶1.4，下游坡比1 ∶1.3。工程下闸蓄水后，坝后有4处明显渗漏点，总渗漏量达500 L/s～900 L/s左右。虽经除险加固，由于渗漏通道难以查明，工程措施针对性不强，渗漏量未有明显减小，威胁大坝安全。

采用磁电阻率法对该水库渗漏通道进行了探测[15]。整个枢纽测区共布置710个测点，通过采集到的磁场数据，分别绘制了测区预测磁场图、实际磁场图、比率响应图以及电流三维分布图，解译得到右岸坝基渗漏优势通道线路以及该通道的平面位置、高程坐标等关键数据，见图5、图6。探测结果表明，该水库右坝肩溢洪道底部存在明显的渗漏通道。

图5优势渗漏通道路线示意图

布置于渗漏通道进口的ZK2地质钻孔、电视录像、压水试验与连通试验进一步验证了此渗漏通道，地质揭示的渗漏通道平面示意见图7。钻孔电视录像表明，ZK2孔内见较多断裂构造，多充填黄色泥钙质，水流现象频繁。孔深64.4 m～65.2 m(高程216.42 m～215.62 m)处揭露一缓倾角断层，溶孔达20 cm，压水试验不起压。连通试验中，分三次在上游ZK2孔内投放胭脂红色素2.5 kg、2.5 kg、5.0 kg并注水，坝后水面均可见大面积褐红色水流泛出，说明沿F6断层存在明显渗漏通道，这与磁电阻率法解译的渗漏通道基本吻合。该渗漏通道的探明为水库的除险加固设计提供了可靠依据。

图6优势渗漏通道平面及坐标位置

图7钻孔ZK2布置及连通试验示意图

3.2 水库山体渗漏探测

贵州某新建水库位于乌江流域岩溶地区，总库容 10.8 亿m3，大坝枢纽由混凝土面板堆石坝、溢洪道、放空洞、引水隧洞等建筑物组成，正常蓄水位1 331.0 m。左岸山体段布置了四层灌浆平洞，进行防渗帷幕灌浆，封堵左岸山体岩溶渗漏通道，线路长约1 850 m。水库于2015年下闸蓄水,2016年11月蓄水至1 326 m，左岸第三层灌浆平洞错车道衬砌预留口渗漏量达800 L/s ～1 200 L/s。虽经降低库水位及多次在第二层灌浆平洞进行帷幕灌浆处理，但由于渗漏通道未查清楚，处理效果很差，渗漏量未见明显减小，见图8。

鉴于左岸山体岩溶系统的复杂性，针对性的顺防渗线路依次布置了5个测区，测点网格15 m×15 m，采用磁电阻率法对左岸山体段防渗帷幕区域可能的优势渗漏路径进行了探测。典型测区工作示意见图9。

图8左岸山体岩溶渗漏水从第三层灌浆平洞衬砌预留口渗漏

图9典型测区工作示意图

山体渗漏通道示意，解译成果揭示了2条可能的渗漏路径[16]：一是库水顺岩溶管道系统击穿防渗帷幕后于第三层灌浆平洞衬砌缺口渗漏；二是山体水顺F3断层裂隙通道穿越防渗帷幕后渗漏。地质勘探成果揭示，磁电阻率法解译的渗漏通道上存在KS6岩溶管道系统，物探CT资料也表明渗漏通道上存在显著异常区域。该成果为后续地质勘探与工程治理提供了重要参考(见图10)。

4 结 语

(1) 磁电阻率法应用效果较好。多个水库渗漏探测实践表明，磁电阻率法用于水库渗漏探测是可行的，效果较好，可作为水下声纳、水下高清摄像、喷墨示踪、连通试验等渗漏探测手段的有益补充。

(2) 磁电阻率法探测深度大，适用面广。磁电阻率法采取水平布置方式，在研究范围内布置电极及导线，建立渗漏通道之间的电流回路，不同于其他手段采用的垂直方式，不需要钻孔、水下检测等，探测深度不受水深限制，适用面广，生产效率高。

图10渗漏通道线路示意图

(3) 磁电阻率法对解译要求高。该法主要基于渗漏通道与周围介质存在明显的电性差异，通过测量地面磁场，反演电流的分布，从而准确探测渗漏通道，解译成果需配套的专业软件生成检测区域优势渗漏通道图及坐标等，因此，该法对解译要求更高更专业。

(4) 需注意其他电导体对磁场的干扰。磁电阻率法的本质是通过测量电流通道所产生的磁场大小和方向的差异来确定渗漏水流的纵向和横向位置，因此，在施测过程中应尽量避开附近已有的干扰源(例如高压电线)，减小其对磁场的干扰。