水库大坝渗漏常用探测技术及工程应用

徐 轶 ，谭 政 ，位 敏

（1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，430010，武汉；2.国家大坝安全工程技术研究中心，430010，武汉；3．中水珠江规划勘测设计有限公司，510610，广州）

大坝防渗是水利水电工程设计和施工中最重要的关注点之一，但由于各方面原因，渗漏一直以来都是水库大坝最常见的病害。大坝渗漏不仅影响水库发电、供水、灌溉等工程效益的正常发挥，严重者甚至直接威胁工程的防洪安全，造成溃坝风险。渗漏问题是影响大坝整体安全的重要因素，深入研究大坝渗漏的探测技术、评价方法及其处理对策，总结工程经验，对于保障我国水库大坝的安全运行具有重大的现实意义。

有效、准确地探测渗漏病害是评价大坝渗漏安全和进行加固处理的重要前提，但由于水库大坝建筑物规模大、范围广，渗漏病害的渗漏点分散，渗漏病害具有较强的复杂性与隐蔽性，其探测一直以来都是大坝安全领域的一项技术难题。

一方面，由于各类大坝建筑物型式繁杂、工作条件各不相同，不同坝型导致渗漏的表现形式及原因千差万别，且同一时期大坝可能存在多种渗漏现象，渗漏病害呈现多样化、多元化特征。单一渗漏探测技术在水库大坝中的应用均存在一定局限性，需要采用多种可行方法进行补充与印证。

另一方面，近年我国坝工技术及大坝建设发展迅速，已建大坝中有相当数量的高坝大库，高坝深水环境下渗漏病害因探测部位水深更大、范围更广、水下环境更复杂，常规检测技术难以实施或实施效果较差。

本文对不同渗漏探测手段技术特点和应用效果进行总结，提出渗漏探测技术发展趋势；结合实际工程经验，提炼不同坝型渗漏探测技术应用要点，以期为类似工程渗漏探测提供依据和参考。

一、水库大坝渗漏探测技术现状

随着现代技术发展，水库大坝渗漏病害探测技术得到了快速发展，基于声、光、电、电磁等原理的探测方法得到了广泛应用，声呐渗漏检测、潜水员检测、水下机器人检测等手段也应用于水库大坝的渗漏检测。根据技术特点及原理，可以将常用渗漏探测技术分为5大类，即电磁法类、弹性波法类、示踪法类、视频法类及其他类。

1.电磁法类

电磁法类主要包括自然电场法、高密度电阻率法、瞬变电磁法、大地电磁法、探地雷达法、电磁波CT法等。此类方法通过测量岩土材料本身电磁特性及其在天然或人工激发电磁信号作用下响应来探测坝体内部缺陷情况，若坝体内存在集中渗漏通道时会呈现明显电磁信号异常。由于电磁信号在岩土地质体中衰减速率较快，电磁法类有效探测距离较短，且电磁信号易受外界环境及地层本身非均匀性干扰，探测精度常受到限制。

2.弹性波法类

弹性波法类主要包括地震折射波法、瑞雷波法、弹性波CT法、声呐法等。此类方法利用人工激发的地震波、瑞雷波、声波等弹性波在被测介质中的不同传播速度及反射、折射、透射等原理对介质内部的缺陷进行检测。如声呐法利用声波在水中的优异传导特性，基于多普勒原理实现对水库库底流速场的检测，以定位入渗点。近年声呐法在闸坝、面板坝及沥青心墙坝等坝型渗漏检测中得到了成功应用,但此类方法多采用二维断面检测，需要布置大量断面才能显示整体检测结果。

3.示踪法类

示踪法类主要包括同位素示踪法、连通性试验、水化学分析等。此类方法通过在大坝上游或渗漏入口投入同位素示踪剂、荧光素、食品级颜料或其他对环境无毒害的颜料示踪剂，调查渗漏入口的水化学成分（如氯离子、硫酸根离子、重碳酸根离子，钙、镁、钾、钠等离子），并在大坝下游渗漏出口进行监测，以判断水流的连通性及渗漏通道的存在。此类方法一般作为渗漏探测的辅助验证手段，无法确定渗漏通道在大坝内部的分布情况。

4.视频法类

视频法类主要包括潜水员视频检查、彩色电视视频检查、水下机器人（ROV）探测、水下喷墨摄像、钻孔彩色电视成像技术等。通过近距离视频摄像等方式可以直观检查水下部位等隐蔽性较强的渗漏病害，随着水下无人技术、视频成像技术的不断发展，ROV视频检查、水下喷墨摄像、钻孔彩色电视成像技术在水库大坝渗漏探测中应用越来越广泛。由于水库大坝规模庞大、水库环境复杂，视频检查也存在检测工作量大、效率低、水下复杂环境难以覆盖等不足。

5.其他类

除上述方法外，也有一些其他方法可用于水库大坝渗漏探测，如流场法、温度场法等。流场法测定“伪随机”电流场与渗漏水流场时空分布形态之间的拟合关系，来判断渗漏入口；温度场法是在获得渗漏通道上各测点温度的情况下，运用反分析法研判温度异常确定渗漏通道的具体位置。但此类方法应用于水库大坝渗漏探测中时，需假设具备一条或者多条集中的渗漏通道，边界条件太过理想化，实际工程应用中并不多见。

二、渗漏探测技术发展趋势

目前渗漏已成为水库大坝的常见病害之一，亟须能够快速准确查明渗漏病害的探测技术。总结水库大坝常用渗漏探测技术及其发展趋势，今后需要加强关注以下几个方面：

1.需发展综合性探测技术，融合多源信息进行渗漏诊断

采用单一探测方法往往不能全面反映大坝渗漏情况，且探测成果得不到验证，准确率不高。在实际工程应用中，常需要采用多种可行的方法进行检测与印证，对检测结果进行综合分析和综合评价。一些学者提出了采用两种或多种物探手段的综合物探方法，进行大坝渗漏检测。但除物探方法外，渗流监测资料分析、数值反演分析等多种手段均可以应用到渗漏探测中。应综合利用不同分析方法及检测手段的优势，发展融合多源信息的综合探测技术。

2.狭窄水域深水渗漏探测技术需得到加强

近年，不少高坝大库建成伊始即存在渗漏，渗漏探测呈现范围深水化的特点。水下渗漏探测主要采用潜水员检测及ROV检测，但常规空气潜水深度受限（60m以内），ROV对于深水复杂作业环境适应性差。有必要进一步研究氦氧混合气潜水技术（深度可达60～120m）以及水利水电行业专业机器人等在深水环境渗漏探测中的应用。

3.渗漏病害的可视化探测方法需要深入研究

目前大坝渗漏无损检测主要针对上游坝面渗漏入口检测，对内部通道和对坝体内部结构的影响只能通过钻孔等破坏性检查。可进一步研发声呐扫描成像、超声成像等成果可视化的探测方法，提高成果解译的直观性，以准确探知大坝建筑物渗漏通道的位置。

4.测量精准化是今后渗漏探测技术发展的重要趋势

现有物探检测数据繁杂、解译精度低，难以准确定位渗漏位置。研究在高山峡谷地区的水库水域范围内入渗点的精准定位探测技术，对于渗漏处理及加固具有重要意义。

三、水库大坝渗漏探测技术应用要点

水库大坝病害情况各异，其渗漏病害的探测是一项复杂的工作。在不断提高和发展各种探测技术手段的同时，应注意结合实际工程特点对渗漏病害进行诊断和研判。水工建筑物型式繁杂，不同坝型、不同类型渗漏适用的探测技术也不尽相同。因此有必要针对不同坝型渗漏病害的特点提炼渗漏探测技术工程应用要点。

1.水库大坝渗漏病害特点

根据水库大坝渗漏发生部位的不同，一般分为三种类型：坝体渗漏、坝基渗漏、绕坝渗漏。

（1）坝体渗漏

作为水库主要挡水建筑物的各类坝型均具备完善的防渗体系，坝体本身的渗漏主要源于防渗体系出现缺陷或存在薄弱环节，库水沿薄弱部位发生渗漏。但不同坝型因结构型式存在差异，其防渗体系具有不同特点，呈现不同的渗漏规律。我国水库大坝坝型种类繁多，从筑坝材料来看，土石坝和混凝土坝是两类主要坝型。此外，近数十年来，我国沥青混凝土心墙堆石坝和混凝土面板堆石坝工程应用发展较快，这两种坝型的渗漏病害问题也比较突出。

对于土质防渗体土石坝（如均质土坝、黏土心墙坝、黏土斜墙坝等），其渗漏病害主要表现为坝体长期存在渗漏、管涌、散浸、流土，甚至有的坝脚存在沼泽化。渗漏主要成因是防渗土料抗渗指标不足、防渗体或坝体填筑质量差、防渗体开裂老化、白蚁及其他动物危害等。

混凝土坝 （包括混凝土重力坝、拱坝及碾压混凝土坝等）渗漏主要表现为坝面裂缝、结构缝集中渗水，甚至大量析钙问题，主要成因是坝体浇筑质量差而产生裂缝或孔洞、混凝土抗渗性能低及结构缝止水失效等形成渗漏通道。

沥青混凝土心墙坝主要为心墙或心墙与基础接触部位渗漏，导致渗漏的主要因素有：沥青混凝土心墙质量缺陷、心墙开裂、心墙老化、沥青心墙与混凝土基座连接处理不善等。

混凝土面板堆石坝依靠堆石体上部设置的较薄混凝土面板作为主要防渗体，其渗漏通道多发生在面板，且主要表现为混凝土面板裂缝、破损或局部缺失、面板错台、面板结构缝的止水失效等引起的渗漏，主要原因有坝体与两岸基岩变形不协调、坝体填筑材料的特性和压实不密实，面板止水结构存在缺陷等。

（2）坝基渗漏及绕坝渗漏

各类坝型坝基渗漏主要表现为坝基覆盖层、强风化岩体、基岩裂隙或结构面发生渗漏，岩溶地区还存在岩溶渗漏问题。绕坝渗漏一般表现为渗水通过大坝两岸坝端山体从下游岸坡逸出，渗漏通道主要为透水性较高的覆盖层、岩石断层裂隙、溶洞和生物洞穴等。坝基渗漏及绕坝渗漏主要原因是覆盖层或强风化岩体清基不彻底、帷幕灌浆质量较差等。

2.渗漏探测技术工程应用

在认识水库大坝渗漏病害基本规律的基础上，结合不同渗漏探测技术的适用特点及工程实践，提出常见坝型渗漏探测技术工程应用要点。

（1）土质防渗体土石坝渗漏

土质防渗体土石坝要依靠坝内土料防渗，渗漏通道分布较广，也较为隐蔽。一般可先进行现场查勘、监测资料分析等，初步判定渗漏类型。针对其渗漏流速慢、隐蔽性强的特点，可采取物探方法进行渗漏区域及渗漏流向的检测，常用的检测方法包括电磁法（如自然电场法、高密度电阻率法、探地雷达法、大地电磁法、瞬变电磁法）和流场法等。如《中小型水利水电工程地质勘察规范》(SL 55—2005)中7.3.3条也规定：“宜采用电法、地质雷达、电磁波等物探方法探测坝体病害、喀斯特的空间分布、渗漏通道位置及埋藏深度。”在此基础上，可采取地勘钻孔及探坑，通过孔内电视、压水试验、连通性试验等手段进一步判断大坝渗漏部位及量级，排查渗漏通道。

江西省高泉水库大坝为土石坝，上游为均质土体，下游为堆石体，坝顶长240m，最大坝高41.50m。2009—2010年水库除险加固，大坝增设混凝土防渗墙，并进行了帷幕灌浆。水库蓄水至234.7m时，发现坝后存在两处渗漏点。采用大地电磁法及高密度电法对土石坝坝体进行整体探测，两种方法探测结果互相验证，初步判断出大坝渗漏重点区域主要位于左坝区；再采用高密度电法和微动法的综合物探手段，对重点部位进行局部精细探测，查明左坝区内存在2条渗漏优势通道。

（2）混凝土坝渗漏

相比土石坝而言，混凝土坝的坝面形状较为规整，坝面相对较陡，为渗漏检测带来便利。对混凝土坝渗漏通道可采用示踪技术、电磁法、声发射、地质雷达、核磁共振及温度场法等进行检查；对水面以下的裂缝渗漏或变形缝渗漏调查可采用潜水员、水下机器人视频检查与喷墨示踪检查相结合的方式进行。

云南省某水电站大坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高140m，坝顶高程1 228.00 m，坝顶长622 m。工程于2013年4月底开始下闸蓄水，水位1 212m时，大坝左岸廊道发现渗漏，渗水量达60 L/s。采用流场法、自然电场法、全孔壁数字成像法，结合温度场法和示踪法对大坝渗漏进行探测，查明了渗漏部位、渗漏类型、渗漏路径。

（3）沥青混凝土心墙坝渗漏

沥青混凝土心墙坝的渗漏多为非集中的点状渗漏，渗漏入口分散，目前并没有单一、有效、可靠的检测方法和技术。由于沥青混凝土心墙坝坝体内部堆石料、沥青混凝土心墙、混凝土基座和坝基等多重介质物理力学特性差异较大，瞬变电磁法、高密度电法等物探手段分辨率较低，应用效果不佳。针对设置在坝体内部的沥青混凝土心墙渗漏，一般可在心墙上下游侧布置钻探孔，以水体为媒介，采用水下声呐、钻孔彩色电视、示踪法、连通性试验、坝体内水位分析等多种方法进行渗漏探测。

广东某水库大坝为沥青混凝土心墙堆石坝，坝顶长395m，坝顶高程51.0m，最大坝高44.4m。2007年8月大坝建成蓄水后，河床段坝脚普遍渗漏，坝脚长约198m范围内普遍出现流水，出现直径3～8 cm清水漏洞。通过勘探钻孔，采用示踪法、流场法、地下水面线法及钻孔彩色电视等渗漏探测技术对大坝心墙上下游进行了综合检测，查明库水位以下沥青混凝土心墙、防渗墙以及钢筋混凝土基座附近均存在渗漏通道。

（4）混凝土面板堆石坝渗漏

混凝土面板堆石坝渗漏多因面板缺陷特别是周边缝止水破坏失效所致。由于多数水库无法放空，且由于面板坝上游坝脚表面一般布置土料盖重区，一旦盖重底部面板发生破坏，给面板坝的渗漏检测带来较大困难。面板、接缝止水破损等引起渗漏易在坝体内部形成较为明显的渗漏通道，一般可采用潜水员水下摄像、ROV检查、水下高清示踪摄像等方法进行直观检测，准确确定渗漏通道；对于一些渗漏入口较为隐蔽、渗漏点较为分散的情况，可采用水下声呐渗漏探测、流场法等手段进行检测。

湖南白云水库大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高120m，大坝上下游坡比均为1∶1.4。1998年12月下闸蓄水后的10年里，大坝渗漏量在正常值范围内，自2008年5月后，渗漏量开始加大并持续增加，2012年9月达到最大1 240 L/s。采用深水声像综合查漏技术进行渗漏检测，即首先采用“三维流速矢量声呐测量仪”检测黏土铺盖表面渗漏流速场，随后对渗流速较大部位采用水下高清喷墨摄像进行重点核测，最后对几处渗漏量大的部位采用水下导管连通性试验进行验证。通过多种手段结合，查清了混凝土面板及其周边区域渗漏的具体位置和渗漏分布情况。

（5）坝基及坝肩渗漏

坝基及坝肩渗漏主要沿地质构造中薄弱带发生，包括覆盖层、坡积层、强风化岩体、岩石断层裂隙或结构面以及岩溶等。坝基及坝肩渗漏的勘察，可以采用钻探、孔内电视、土工试验及现场注（压）水试验、连通性试验、同位素示踪法及电磁法、弹性波法等物探方法等。如某水库采用高密度电法、地质雷达和浅层地震反射等3种物探手段进行勘探，并辅以地质钻探验证，查明坝基岩石断裂破碎带及岩溶产生的空洞是主要渗漏通道。

四、结 语

渗漏病害的有效、准确探测是评价大坝渗漏安全和进行加固处理的重要前提。本文首先总结了水库大坝常见渗漏探测技术的现状，根据技术特点及原理对渗漏探测技术进行了分类，并提出渗漏探测技术呈现探测手段综合化、范围深水化、成果可视化、测量精准化的发展趋势。在此基础上，结合不同渗漏探测技术的适用特点及工程实践经验，提出常见坝型渗漏探测技术应用的要点，以期为类似工程的渗漏探测提供依据和参考。