粘土心墙坝坝体及库区渗漏异常特征分析

胡清龙，蹇 超，孙红亮

(1.四川中水成勘院工程物探检测有限公司，四川 成都 610072；2.四川华电泸定水电有限公司，四川 成都 610017)

土石坝是世界坝工建设中应用最为广泛的一种坝型，我国西南部涌现出了大批建于深厚覆盖层上的土石坝[1]。全国已溃水库中，土石坝所占的比例超过90%，其中心墙坝溃坝比例仅次于均质土坝，而渗流破坏是主要原因[2- 3]。不同水下结构部分的接触衔接部位发生集中渗流而引起垮坝比例最大，例如两岸岸坡与坝体接头处、溢洪道与坝体接触处、导流洞及涵洞(管)与坝体或边坡的接触处、坝体新老接合面等，这些部位也是最薄弱的环节、最易产生渗漏入水点的区域[4]。

堤坝渗漏检测主要内容为渗漏入水点检测和渗漏路径推断。目前针对粘土心墙坝坝体迎水面水下部分及库区水下区域，渗漏入水点检测一般采用伪随机流场法进行普查，查明渗漏入水点区域，局部异常区域检测一般采用水下目视法；渗漏途径一般结合钻孔、地质、设计及监测资料进行综合分析，对于绕坝体渗漏，可以结合多波束测深系统对水下地貌的测量成果进行分析。

本文对典型的粘土心墙坝渗漏检测方法的成果进行综合分析，根据伪随机流场法渗漏检测成果、三维多波束测深系统地貌特征测量成果以及水下机器人系统喷墨示踪验证成果，对渗漏入水点的渗漏特征进行归纳总结，为该坝型的渗漏检测提供参考。

1 渗漏检测方法选取

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，采用恒定的电流场来拟合渗漏水流场，通过测量电流场的空间分布来确定水流场的空间分布[5]。采用该方法对坝体迎水面及库区的渗漏入水点检测[6- 7]，检测防渗墙及基岩渗漏区域并推断其渗漏通道，指导灌浆施工[8]，效果较好。

库区渗漏入水点，由于入水点渗漏路径较长，渗流场会因扩散效应产生渗漏范围增大的现象，从而导致渗漏入水点变为一个较大渗漏面。采用三维多波束测深系统，对库区水下地形地貌进行测量。特别对于伪随机流场法检测的渗漏异常区域，进行精细化扫描和特定自编程序处理，清晰呈现渗漏异常区域的地貌特征信息。

对于伪随机流场法检测的坝体的渗漏异常区域或三维多波束测深系统测量的渗漏地貌特征区域，采用水下机器人配备遥控喷墨系统，进行目视示踪观测验证。

2 工程背景

某水电站工程等别为二等工程，工程规模为大(2)型，电站枢纽主要由粘土心墙堆石坝、两岸泄洪洞和右岸引水发电建筑物等组成。粘土心墙坝最大坝高79.50m，坝顶长526.7m，上、下游坝坡1∶2，坝顶宽度12.0m。坝体分为心墙、坝壳堆石、反滤层、过渡层四大区，坝体防渗采用粘土心墙。坝基河床段采用110m深防渗墙下接帷幕灌浆，两岸采用封闭式防渗墙的防渗方案。

坝址区河床覆盖层深厚，层次结构复杂。河床覆盖层一般厚度120～130m，最大厚度148.6m。河床覆盖层仅粉细砂及粉土层(prgl+alQ3)为相对隔水层，其余各层均为透水层，该层呈透镜状展布于河谷坝轴线上游及坝轴线下游的河床左侧，有局部被击穿形成上下联通渗漏通道的可能。

2013年3月31日，下游距坝轴线约448m、距坝脚下游约200m的右岸河道发现渗水，对应坝桩号约0+240。涌水初期流量约5L/s，至2013年4月15日涌水区地面发生塌陷，流量目测增至约200L/s，且有较多的灰黑色细颗粒涌出，以后流量在188～212L/s。涌水点附近出现地面开裂、河床塌陷等变形。

3 渗漏入水点伪随机异常特征

本次伪随机流场法对该水电站大坝渗漏进行探测，探测连通库水介质条件下的渗漏入水点，主要根据探测的伪随机流场异常场数据相对于正常背景场的大小来判断渗漏入水点的渗漏程度、根据异常场数据的大地坐标来判断渗漏入水点的区域范围。

伪随机流场法检测成果如图1所示，渗漏入水点分布如图2所示，由图1—2可见，检测范围内可以清晰分辨出4个明显的渗漏入水点，分别为：

(1)上游围堰轴线下游侧区域，异常中心位置位于上游围堰中心轴线偏下游侧方向，异常值在20～50mV之间；

(2)左岸边坡与坝体交界区域，存在渗漏入水点，异常值在20～40mV之间。

(3)左岸边坡、压重与古河道接触区域，异常中心位置主要集中分布在原导流洞进口周边区域和现1#泄洪洞进口周边区域，异常值整体偏大，在40～80mV之间。

(4)压重与古河道接触区域，存在渗漏入水点，异常值在20～40mV之间。

图1 伪随机流场法检测成果图

在库区及渗漏点处的供电电极固定好后，可根据异常场与正常背景场的数据，将渗漏入水点按照渗漏异常值的相对大小划分为轻微渗漏、中度渗漏和严重渗漏三种特征，上述各种情形在异常场与正常背景场的数据对比特征见表1。

表1 异常场与正常背景场的数据对比特征

结合设计及地质资料进行渗漏通道推断：

(1)库区中间区域渗漏入水点区(即上游围堰轴线异常区域)，距离坝轴线较远，大于150m，而在距离坝轴线150m范围以内的库区中部未发现明显渗漏入水点，因此分析渗漏水未经浅部防渗体系渗漏，而是深层绕渗。

图2 渗漏入水点分布平面图

(2)左岸长观孔内水位较低，和坝前左岸渗漏入水点相关性好。坝前左岸渗漏入水点主要集中在原洞室进口周边区域。因此，坝前左岸渗漏入水点的渗漏水经洞室周围施工卸荷区域渗漏，穿过山体内部的防渗帷幕，经浅表层渗漏通道渗漏到坝后。

在后期的防渗体系钻孔资料、质量检测成果及灌浆效果可知，该电站的防渗墙墙体浇筑质量整体较好，墙下基岩整体完整性较好，在防渗墙浅部、防渗墙与基岩接触带及墙下基岩局部缺陷不足以形成集中的渗漏通道，库水渗漏的主要通道为左岸山体绕坝渗漏和深厚覆盖层的深层绕坝渗漏，验证了上述的渗漏途径推断的可靠性。

4 渗漏区域水下地貌特征

采用水下三维多波束声呐检查技术，探测水下三维地形与地貌特征，对比变形情况，测量成果总体图如图3所示，局部成果如图4所示，由图3—4可见：

图3 三维多波束测深系统测量成果图

图4 渗漏区域局部地形地貌特征图

(1)上游围堰轴线下游侧区域，蓄水前为一个高程的平台，测量成果显示上游围堰下游侧区域明显呈陡坎状，压重区高程呈缓坡状向下游方向上升；上游围堰下游侧表面凹凸不平，说明沉积细颗粒物质可能已经被下渗水流带走。

(2)左岸边坡与坝体交界区域，未见明显渗漏凹陷及变形区域，较平整规则，局部可见凹凸粗糙不平状，未见明显细渣沉积，可能由于下渗引起细小颗粒被带走引起。

(3)左岸边坡、压重与古河道接触区域，未见较大旋涡状凹陷。与设计图纸对比，可见弃渣回填区域与古河道交界区域有明显向下游方向移动的趋势，移动约35m，可能由于下渗引起细小颗粒被带走引起。

(4)压重与古河道接触区域，存在3处明显凹陷区域，凹陷区域直径3～5m、凹陷深度2～3m。

由此可见，渗漏入水点处的地形地貌有以下特征：在原平坦的表层形成地形陡变，或呈陡坎状或呈旋涡状；表层由于细小颗粒被带走，表面粗糙、不平滑。

5 渗漏入水点视频特征

对该水电站库区进行疑似集中渗漏点的水下机器人摄像工作，检测渗漏入水点及水下三维地形与地貌特征中呈现异常的区域，并通过遥控自动喷墨装置，采用示踪法更为直观的判断库水入渗位置，测量成果如图5所示，由图5可见：

(1)上游围堰轴线下游侧区域，连续性存在多处直径为10～20cm的凹陷，喷墨后显示墨汁未见明显向下吸附，墨汁缓慢向四周扩散于库水中。

(2)左岸边坡与坝体交界区域，发现明显渗漏区域，喷墨墨汁明显下渗，渗漏区域分为上、中、下个部分。上部分为一个圆形渗洞，直径在5cm左右；中部及下部区域均为浆砌石接触缝隙，呈张开状，张开约2～3cm，长度20cm左右。

(3)左岸边坡、压重与古河道接触区域，边坡区域存在碎石堆积区，该碎石堆积区表面无泥沙沉积，喷墨后显示墨汁明显向碎石内部入渗，墨汁未向四周库水扩散。

(4)压重与古河道接触区域，内部表面多处呈凸起状，局部大石块下无泥沙沉积，喷墨后墨汁逐渐消失，表面存在局部渗水情况。

图5 渗漏区域局部视频特征图

由此可见，渗漏入水点处的高清视频示踪观测有以下特征：表面无泥沙沉积且不平整，连续性存在多处凹陷，严重的渗漏点处喷墨墨汁明显下渗。

6 结语

根据伪随机流场法渗漏检测成果、三维多波束测深系统地貌特征测量成果以及水下机器人系统喷墨示踪验证成果，粘土心墙坝渗漏入水点渗漏特征为：

(1)根据测量伪随机异常值的大小，对渗漏入水点进行精确查找及定位，并划分为轻微渗漏、中度渗漏和严重渗漏三种特征。

(2)渗漏入水点处的水下地形地貌特征为原平坦的表层形成地形陡变，或呈陡坎状或旋涡状，表层由于细小颗粒被带走而粗糙、不平滑。

(3)渗漏入水点处的高清视频示踪观测特征为表面无泥沙沉积且不平整，连续性存在多处凹陷，严重的渗漏点处喷墨墨汁明显下渗。