综合物探方法在水库渗漏调查中的应用

2021-01-18李国瑞

海河水利 2020年6期

王杰，李国瑞

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

新中国成立以来，我国开展了大规模的水利工程建设，取得了举世瞩目成就，目前水库大坝保有量9.8 万余座，为世界之最。近10 多年来，我国进行了大规模的病险水库除险加固，但由于95%以上大坝为土石坝[1]，且多为20 世纪80 年代前建造，安全风险依旧较高。

渗漏是病险水库中较为常见的问题，研究探测水库渗漏问题的方法与技术成为一项重要工作。物探方法具有高效、间接、无损的优点，在水库渗漏调查中发挥着越来越重要的作用。下面以某水库为例，介绍高密度电法、伪随机流场法、自然电场法、充电法等综合物探方法在水库渗漏调查中的应用。

1 物探方法概述[2-4]

1.1 高密度电法

高密度电法是电测深与电剖面法的组合，可获得较丰富的地电断面结构特征。本质上讲是在人工施加的稳定电流场作用下，来研究地下传导电流分布规律的一类直流电法，理论基础依旧是岩、土体间的电性差异，其探测深度，即对地下深部介质的反映能力，随供电极距的增大而逐步增加。

1.2 伪随机流场法

一般来说，江、河、库、湖中正常水流分布有一定的规律，在没有管涌、渗漏等情况下，正常流速场可类似于一般电法勘探中的背景场或正常场。当渗漏、管涌存在时，会出现以下2类异常：一种是在背景流速场的基础上，出现异常流速场，其中水流速度矢量指向管涌渗漏的入水口；另一种是当渗漏出现，必然存在水流渗漏通道，通道在管涌发生时则更加明显。

根据上述物理事实，将一个电极置于渗漏集中带出水点处，另一个电极置于渠道水体中，且距离出水点有一定距离，在保证测量区域的电流场不受其影响的情况下，测量垂直电流密度分布，依据电流场异常分布情况，判断渗漏水区域。

1.3 自然电场法

自然电场法在水利水电工程探测中主要用于渗漏电场研究。由于岩土的过滤活动性，当有水透过时，将产生过滤电位，其与岩土孔隙空间的构造、渗透系数、过滤液体的化学成分等有关。

自然电场法的基本观测方式是电位观测法。在电位观测法不能进行（如游散电流的影响）或不便于工作（剖面长、点距大）或某种特殊需要时，可采用梯度法观测。当研究区域性地下水渗透方向时，可辅以环形自然电位观测法。

1.4 充电法

通过向被探测目标体供电，使其成为近似等电位体，提高被探测目标体与周边介质的电位差，并形成充电效应，以研究目标体分布电性特征。其探测效果主要取决于目标体的产状及其围岩电性参数的比值等。在地电体简单、埋藏不深（<25 m）、覆盖层厚度与目标体大小相当，探测对象与围岩导电率比值很大时，充电法可以评定目标体的范围、产状及其相互之间有无联系等。充电法一般有3 种观测方式，电位法、电位梯度法以及直接追索等位线法。

2 工程概况

某水库主要由心墙坝、敞开式溢洪道等建筑物组成，控制流域面积77 km2，总库容471 万m3，其中兴利库容139 万m3，属于小（1）型水库，设计正常蓄水位185 m。坝顶长度320 m，最大坝高20.5 m，坝顶宽2.32 m。泄洪洞为圆形有压涵洞，断面直径2.5 m，最大流量50 m3/s，进口底高程176.0 m。溢洪道为天然河道，平均宽度73 m，最大泄量1 660 m3/s。

该水库始建于1958 年，后续进行过大坝加高、坝基截漏、重新开挖泄洪洞、防浪墙加高、溢洪道开挖等加固措施，但始终存在安全隐患。近20 a来，只在2011 年有过一次蓄水过程，最高蓄水位达到距溢洪道堰顶约1.0 m，但不到半年时间即全部漏失掉。2019 年初，水库再次蓄水超正常蓄水位，溢洪道呈溢流现象，但到了2019 年5 月30 日，坝前库水位降至181.1 m，低于溢洪道首部堰顶高程约3.9 m，溢洪道出口沟槽内出现明显渗流现象。

3 地质简况及地球物理特征

该水库地处太行山区东部边缘地带，属构造侵蚀低山地形。库区海拔高程175～492 m，冲沟近南北向发育，谷底地形起伏较小，沟底宽150～250 m，表面覆盖厚层砂卵石，水库经过多年运行，库区淤积厚层黏性土。库区右侧大部分地段边坡陡峭，岩石裸露，左岸多为缓形边坡，局部有坡积物分布。

坝址区及库区两岸出露奥陶纪冶里组与亮甲山组灰岩地层，以平行整合式接触，为一倾向上游之单斜构造，岩层产状倾向SW239°～NW285°，倾角9°～16°。

岩体节理比较发育，多呈闭合状，剪节理。坝址两侧主要节理有：走向N10°、走向N28°和走向N90°3组节理比较发育，垂直角78°～90°，构造面平整延伸。

库区发育小型断层构造，F1正断层位于输水洞出口右侧，走向N91°，倾向SW，倾角75°，上下盘错动明显，破碎带宽0.3～1.0 m，由破碎角砾组成，结构紧密，断层往上游逐渐尖灭，对输水洞及坝体无明显影响。

综合分析探测成果并结合水利水电工程探测经验，可以确认渗漏体（区）与周围正常介质之间存在明显的物性差异。具体物性参数一般为：①渗漏体（区）（包括渗漏管涌通道或含水裂缝）：电阻率多在50～170 Ω•m，有时更低；多存在过滤电场。②周围正常介质：电阻率170～780 Ω•m；一般不存在过滤电场。

4 典型成果分析

4.1 高密度电法

W1测线位于坝顶路中线，测线起点（0 m）位于坝桩号0+000处，W1线反演电阻率色谱如图1所示，图中横向虚线为水库设计正常蓄水位185 m。

图1 W1线反演电阻率色谱

根据图中电阻率值分布特征及等值线变化梯度分析，电阻率剖面垂向基本呈递减-递增形态，大致可分为3个电性层。

第一层电阻率范围值80～8 000 Ω•m，层厚一般2～7 m，底界面高程184.5～189.5 m，为表层铺盖层的综合反映。其中，水平距离0～118 m 电阻率值较低，多集中于80～360 Ω•m，推测主要为堆石及砂卵石等的反映；水平距离118～260 m 间电阻率值较大，多集中于1 160～8 000 Ω•m，推测主要为块石、堆石等的反映。

第二层电阻率范围值1～780 Ω•m，多集中于1～55 Ω•m，层厚一般21～25 m，底界面高程165～168 m，推测为坝体填筑黏性土的反映，其中水平距离110～126 m和172、188 m处及210 m以后段电阻率高于本层其它位置，推测为县水利部门于1981 年12 月—1982 年6 月进行工程地质钻探工作时，对ZK1（0+116.4）、ZK2（0+168.2）孔进行灌浆、封孔和坝体填筑材料不均质（局部为砂卵石或碎石）等所致。

第三层电阻率范围值80～4 000 Ω•m，为相对高阻反映，推测为河床砂卵石及基岩（灰岩）的反映。

结合相关地质勘察、除险加固施工处理等资料，W1线高密度电法探测解释成果详见表1。

表1 W1线高密度电法探测解释成果

4.2 伪随机流场法

电位梯度背景值宜根据已知未发生渗漏的区段测得的电位梯度值确定，或根据地质、环境条件确定测区背景值，或根据测区内电位梯度曲线背景值确定。

根据理论分析、以往工程经验，结合本工程实际情况和其它方法勘测结果分析确定本次探测的异常定性标准为：实测电位梯度值大于背景正常场电位梯度值的2 倍为有效异常、大于背景正常场电位梯度值3倍则为可靠异常。

2#漏点供电，测量区域背景场电位梯度为0.125 MV/m。探测范围内有4 个有效异常区，分别编号为1#异常、2#异常、3#异常、4#异常；3 个可靠异常区，分别编号为Ⅰ#异常、Ⅱ#异常、Ⅲ#异常。Ⅰ#异常投影于坝体桩号0+42—0+103，异常范围从近坝水岸向上游延伸30 m。Ⅱ#异常投影于坝体桩号0+110—0+130，异常范围从近坝水岸向上游延伸30 m。Ⅲ#异常投影于坝体桩号0+142—0+155，异常范围从近坝水岸向上游延伸32 m。

4.3 自然电场法

一般而言，当渗漏存在时，在地下水流动方向上，自然电位梯度呈现极大值；而垂向上，自然电位梯度呈现零值或极小值。

W1线自然电场法测试曲线如图2 所示，横轴为测点对应坝轴线桩号，纵轴为自然电位值（MV），图中黑圈为电位异常区域，主要分布于桩号坝0+015—0+023、坝0+040—0+045、坝0+060—0+065、坝0+095—0+107、坝0+171—0+183、坝0+201—0+207 及坝0+223—0+237等部位。

图2 W1线自然电场法测试曲线

4.4 充电法

对充电法测试数据进行整理及归一化处理，按测线分别绘制电位梯度曲线。资料分析以定性为主，根据曲线的形态、斜率、特征点（过零点）圈定异常位置及范围。

分别在坝下游河道渗出水点和水井中供电，在W1测线测得的电位梯度曲线，如图3 所示。由图3可知，在抽水井与渗出水点充电测得电位梯度曲线形态基本一致，由于电流在地下传导路径的不同及附近管线等影响，局部曲线形态有所差异，但曲线在相同位置均存在较大的变化梯度，图中虚线表示异常（渗漏通道）中心位置。推测W1测线沿线渗漏通道中心平面位置主要分布于坝体桩号坝0+015、坝0+021、坝0+027、坝0+045、坝0+099、坝0+172、坝0+191、坝0+205及坝0+232附近。