并行电法探测水库坝肩渗漏

夏玉立，江晓益 ，谭 磊

(1. 浙江省水利发展规划研究中心，浙江 杭州310019； 2. 浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院），浙江 杭州310020； 3. 浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州310020； 4. 浙江省水利防灾减灾重点实验室，浙江 杭州310020)

我国建设于20世纪80年代前的水库大坝，其超龄期运行引发的不安全因素逐渐增多，尤其随着气候异常现象的频发而愈发突出，因此采取合理的整治措施成为避免灾害事故发生的关键。工程实践表明，查明水库大坝的隐患及病因是实施有的放矢治理的前提，经众多工程技术人员不断的努力，已形成了一系列水库渗漏探测设备及方法。其中，高密度电法是查找土石坝渗漏隐患应用最为广泛的物探方法[1-2]，但专门针对大坝坝肩部位渗漏通道探测的研究应用实例不多。贾海磊等[3]采用高密度电法对南京某水库土坝坝肩的渗漏问题进行试验研究，采用网格化布置测线，克服了坝肩场地狭小难以布设电极的缺点。陈勇等[4]针对南京市赭山头水库坝肩渗漏采用综合物探手段查明坝肩渗漏部位，并采取防渗处理解决渗漏险情。谭磊等[5]根据所在团队多年来的水库渗漏探测及防渗处理实践，得出由于水库两坝肩坝基开挖缺陷、岩体构造及接触冲刷作用，坝肩岩土接触带及岩基部位是水库渗漏隐患的多发区。尤其是水库大坝一般均建于山区，两坝肩受场地条件限制，测线延伸难度较大，二维电阻率测试断面上造成测线两端存在固有的盲区问题，同时倾斜的坝肩高阻岩体对电阻率成像产生畸变，从而导致对探测疑似渗漏部位成果判断的不确定性问题。

为提高水库坝肩渗漏隐患的诊断水平，本文通过室内构建水库坝肩渗漏通道模型，利用并行电法技术研究坝肩渗漏通道的地电特征。结合工程实例，利用并行电法装置对青山水库坝肩进行渗漏隐患探测，并通过钻探揭示渗漏通道，为类似水库大坝的坝肩渗漏诊断及防渗处理提供技术支撑。

1 并行电法渗漏探测原理

图1 AM法解编后电极电位分布及数据采集Fig. 1 Potential distribution and data acquisition of electrode after AM method

1.1 并行电法技术

电阻率是评价岩土体介质之间物性差异的重要指标，利用专门的仪器设备采集地下空间的地电响应特征及变化规律成为工程勘察的重要手段。随着电子技术及数据处理技术的不断发展，电阻率法也从一维的电剖面、电测深发展成为高密度电法、三维电阻率成像等技术，在探测精度、目标体分辨率及抗干扰能力方面都得到新的提升。并行电法与高密度电法的基本原理及装置类型都相同，差异在于数据收录方面参考地震的数据采集思想，在整个采集过程中不再以单一装置控制电极的供电及采样，从而保证了所有电极电位都处于同一电极形成的稳恒电场中，有力压制不同时刻外来信号的干扰，同时也提高了现场的工作效率[6]。

根据形成电流场供电点的不同，并行电法的测量方式可划分为AM法和ABM法[7]，其中AM法是收录点电源向地质体供电形成电场的时空电位值，具有高效、便捷的特点，在水库大坝渗漏探测中得到广泛应用。图1（a）给出了测量点与供电点不同位置的电位衰减曲线，根据不同电极之间的电位差及供电电流值即可得到电阻率数据体，图1（b）为数据的采集方式，选择排列上的某一个电极与无穷远电极形成供电回路，其余电极全部进行电位数据的测量，依次更换排列上的供电电极，最终获得点电源电场的电阻率数据体，为地质体的精细化解译提供依据[8]。

并行电法反演采用的是基于圆滑约束的最小二乘法，通过不断地迭代计算给定场源、边界条件及初始模型的地电单元，并把正演计算值与测量值作拟合逼近，当二者达到一定的约束条件时，即把得到的重构模型作为地质体电性剖面，否则将不断地修正模型。反演是一个根据观测数据来重建模型参数的过程，即从数据空间矢量y=col(y1,y2, ···,yN)成像到f=col(f1,f2, ···,fM)模型空间的过程[9]。具体表达式为：

式中：F为二维平滑滤波矩阵；qk为模型的电阻率值取对数形成的向量；λ为阻尼系数。

1.2 土石坝渗漏隐患区的地电特征

土石坝因其整体结构分布差异明显，其内部岩土体导电性存在一定的分布规律。通常，坝体表层填土大多为透水性较好的非饱和粗粒土，在非降雨等外界因素影响时，含水率低，具有高电阻率特征；坝体内部填筑黏性土由于浸润线影响，呈饱和状态，表现为相对较低的电阻率，视电阻率曲线呈层状分布；大坝岩基结构致密、防渗能力强，含水率低，相对于坝体其电阻率值高。从以上分析可知，不考虑碾压过程的差异性，根据土石坝的电阻率特性垂向上可概化为H型3层地电模型[10]。当大坝内部发生异常渗流现象时，渗流薄弱带的低阻将打破原大坝地电模型在纵横向的渐变及均匀性，尤其是渗透破坏带的电阻率相对周围介质更低，因此通过测量电阻率的相对变化可推断出大坝内部的隐患部位。但也要考虑到由于大坝形成稳定渗流后坝体饱和黏性土本身的低电阻率特征，会降低电法探测对导水通道等异常的分辨率，使得较小的异常渗漏等空间分辨不出来，所以单纯以低阻区判断坝体渗漏隐患区仍然存在误判的风险，但坝体与岩基接触带附近的低阻区可视为探测疑似渗漏部位。

从目前的水库渗漏探测实践看，沿坝轴线河床段坝体及坝基H型电性特征较为明显，两坝肩由于受测线延伸限制及倾斜岩体的高阻对电流的排斥作用，常规高密度电法的不同装置探测的渗漏隐患电性特征差异较大。

2 坝肩渗漏的物理模型试验

图2 填筑料电阻率随含水率的变化曲线Fig. 2 Relation curve between resistivity and water content of clay medium

2.1 不同含水率的填筑料电阻率变化

首先测试黏土体在不同含水率下的电阻率值，通过对原状土经过筛选、烘干、碾碎等处理后进行土工试验。考虑到土石坝填筑材料的差异性，为保证室内试验填筑料与实体大坝的相似性，填筑料中黏土与细砂的比例为4∶1。把黏土与砂的混合填筑料分成6份，每份加入不同量的水，并让填筑料内的水分均匀分布，把6份填筑料分别在轻型击实仪内进行击实试验，总击实次数为80次，从而形成6个不同含水率的柱状样。利用并行电法仪测试的6组柱状样的电阻率值如图2所示。

从图2中的填筑料电阻率随含水率的变化曲线可知，总体上电阻率值随含水率的增加而不断降低，但在整个变化过程中呈现出渐变-突变-渐变-稳定的态势；在含水率小于12%时，电阻率值大于120 Ω·m；当含水率增加到14%时，电阻率值降低到30 Ω·m左右；其后，随着含水率的不断增大，电阻率值基本保持不变，可能含水率达到一定的值时，电阻率的主要影响因素发生变化。通过填筑料的含水率与电阻率试验可知，为获得较为理想的探测成果，在物理模型试验中填筑料应控制一定的含水率[11]。

2.2 物理模型试验

土石坝室内试验模拟装置采用高0.6 m、长1.3 m、宽0.8 m的有机玻璃水槽作为骨架，该装置内可进行坝体、坝肩及渗漏通道等复杂土石坝模型的构建。土石坝的填筑过程模型见图3，其中图3（a）用于模拟坝肩结构及渗漏特征，通过在水槽短边浇筑两段楔型混凝土，采用纱布包裹砂土制作渗漏通道（埋深为0.2 m，通道长0.08 m，宽0.03 m），并把渗漏通道埋设于坝肩混凝土与黏土坝体接触部位，渗漏通道中心与坝头边界的距离为0.20 m；选择含水率为12.5%的黏土-细砂作为填筑料，坝体填筑过程中，采用分层碾压的施工工艺，保证填筑质量符合试验要求，图3（b）即为室内构建的高0.42 m、坝顶宽0.1 m的微型土石坝坝肩渗漏模型。

在微型大坝的坝顶中轴线上布置并行电法测线，所有电极固定在模板上，保证电极与填土充分耦合；控制电极进入大坝土体深度为0.01 m，总计布设电极32个，相邻电极距为0.04 m，测线长度为1.24 m。通过多次测试后将无穷远极布置于模型中测线首端的坝脚处以尽量远离测线；试验时向土石坝模型一侧注入自来水，最终保持水位低于坝顶0.07 m；当背水坡坝肩渗漏部位发生渗漏时，利用并行电法仪中的AM法采集地电场数据，供电时间为0.5 s，采样间隔为0.05 s。

图3 土石坝坝肩渗漏模型及测试Fig. 3 Leakage model and test of earth rock dam abutment

2.3 试验成果分析

从图4（a）的视电阻率剖面图可看出，并行电法AM装置对整体视电阻率成层性比较好，但坝肩未见明显可解译为渗漏的低阻隐患区，底部相对高阻可能与边界有机玻璃材质有关；从图4（b）电阻率反演结果看，坝肩存在异常低阻区，其异常位置归位较好，可判定为设定的通道位置，由于体积效应，反演后的隐患尺寸比实际要大，其形态也不规整，反演后通道核心深度变浅，说明室内水槽空间具有一定的边界效应。尽管反演深度与实际模型有一定的差距，但仍可以直观反映出预设模型的存在，这表明利用并行电法的反演成果探测坝肩渗漏在理论上是可行的。

图4 坝肩接触带渗漏模型探测结果Fig. 4 Results of electrical survey on leakage model for abutment contact zone

3 工程应用实例

3.1 水库概况

青山水库坐落于长兴县和平镇境内，总库容109.90万 m3，是一座以灌溉为主，结合防洪、供水等综合利用的小（1）型水库。大坝为黏土心墙砂壳坝，坝顶高程60.2 m，最大坝高为22 m，坝顶长178 m。水库于1971年12月动工兴建，至1978年完工。水库建成蓄水后右坝段背水坡长年潮湿、渗水，且在右坝肩山体侧有漏水现象。2001年6月大坝进行套井回填及帷幕灌浆处理，2004年又进行除险加固处理。目前大坝右坝头下游坝坡排水沟仍存在渗漏点，漏水点实测高程46.60 m。为查明大坝渗漏原因及通道，现场采用并行电法结合钻探对右坝头进行探查。

3.2 现场测线布置

并行电法测线布置在大坝中轴线，并由右岸向左岸布设，采用AM法采集，电极距为1 m，测线长度为63 m，拟探查右坝肩渗漏问题。现场测线布置及探测如图5所示。

图5 现场测线布置及探测Fig. 5 Layout and detection of field survey line

3.3 数据处理及解译

从图6（a）的视电阻率剖面来看，坝体填土与右岸岩体的电阻率差异较为明显，视电阻率均较高，高阻形态与岸坡地形一致，剖面未见明显低阻异常区，但坝体与坝基接触带下部明显存在高阻缺失异常现象。根据图6（b）反演电阻率剖面，高低阻区明显得到收敛，右坝肩岩体表部为高阻，但下部岩体电阻率呈明显下降趋势，与常规岩基地层电阻率形态不符，说明坝肩岩体区域可能存在岩体破碎渗漏带。在异常区位置布置3个钻孔，深度为16～18 m，地质钻探剖面如图6（c）所示，图中阴影部分即揭示的坝基岩体破碎带，水文地质试验结果为中等透水性，地下水位明显偏低，钻孔CK02与CK03在岩基钻进过程中出现间歇性无回水，下游坝肩排水沟漏水量增大，在钻孔CK02孔中注入红墨水，3 h后渗漏点有明显红色水流出。物探及钻探结果表明，右坝肩岩体破碎存在渗漏通道是导致水库右坝坡排水沟出现渗漏的主要原因。

图6 右坝头地电剖面Fig. 6 Geoelectric section of right dam head

4 结 语

水库两坝肩岩土接触带及岩基部位是水库渗漏隐患的多发区，通过室内构建水库坝肩渗漏通道模型，利用并行电法探测技术探测得到的低阻隐患区与模型结果较为吻合，并行电阻率反演采用电流、电位差数据进行模型重构，避免常规电阻率法受装置格式的限制，提高了对坝肩渗漏的探测精度，试验表明AM法反演图像能较好揭示出预设渗漏通道模型的位置。通过水库实例探测，得出青山水库的大坝渗漏部位位于右坝肩，钻探及水文地质试验验证了结果的准确性，说明并行电法技术具有探测水库坝肩渗漏隐患区的可行性。