物探技术在水库渗漏探测方面的应用研究

2022-08-31李永铭孙永清

陕西水利 2022年8期

李永铭,张伟,孙永清

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳 550000)

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。据世界相关组织统计结果显示，由于大坝渗漏引起的水库工程问题数量达到失事工程总数的40%以上。我国水利部曾经整理了国内已经建成并投入使用的241 座大型水库资料，分析了发生工程事故的1000 宗案例，其中由于渗漏引起的事故总数317 宗左右，占事故总数的31.7%。因此，渗漏问题对水库安全会造成极大的影响，引起了相关部门的高度重视[2]。近年来，不管是中央还是地方，均投入了大量的资金进行水库渗漏处理，解决水库渗漏，消除安全隐患。

确定渗漏模式[3]、准确探测渗漏通道是水库渗漏治理的前提。对于一些渗漏模式明确、渗漏通道相对集中的病害，通过资料分析、在借助物探技术一般能够较为准确地探测渗漏通道。根据国内学者长期的研究实践，伪随机流场法[4]、电磁波CT、声波CT、压水试验、钻孔全景数字成像等方法在分析渗漏模式、探测渗漏通道等方面有很好的应用效果。但对一些渗漏规模比较小、渗漏通道不集中的微小异常，由于其物性差异比较小，常规的物探方法常常无法解决，而微小异常又常常关系到水库渗漏处理的成败。本文通过作者大量的工作实践，从分析水库渗漏模式和探测水库渗漏通道入手，阐述物探技术、尤其是一些“非常规”物探技术在水库渗漏探测方面的应用。

1 渗漏模式分析

根据水库渗漏部位的不同，水库渗漏类型一般分为坝体渗漏、坝基渗漏和坝肩渗漏三种。其中，坝基渗漏和坝肩渗漏是水库工程中最普遍存在的问题之一。坝基和坝肩岩体的特征，如河床砂砾卵石层、坝肩松散碎石土层(坡积物、坡洪积物)、基岩风化节理或构造裂隙带等，均是产生渗漏的关键因素。

水库渗漏模式通过查阅水库勘察资料和设计图纸、分析工区地质条件、施工期存在的薄弱环节并结合已经揭露的渗漏现象，一般均能够得出比较准确的结论。但由于渗漏问题的复杂性，仅靠上述资料分析得出的结论往往存在一定的局限性，得出的结论有时不够全面。这种情况下，借助一些物探方法，可以更好地辅助分析渗漏模式。

以某水库大坝渗漏探测为例:某水库大坝为混凝土面板堆石坝，坝顶宽7.0 m，坝顶高程782.5 m，坝顶长272.5 m，最大坝高60.0 m，最大坝底宽174.23 m，其他主要建筑物为开敞式溢洪道、取水兼放空隧洞等。坝址区及近坝库岸出露全为寒武系中统高台组白云岩、泥质白云岩、砂岩及泥岩等，为中等岩溶含水岩组。坝址区位于丝棉背斜北西翼，受区域构造影响，坝址区张性裂隙发育，并发育有断层f1与f2。f1位于趾板下游，基本横切河床，产状为N3°～10°W/NE ∠60°～80°，地面长度大于500 m，断距4 m～7 m，破碎带宽约0.5 m～1 m，影响带宽2 m～4 m，局部基岩裸露区岩体破碎，并伴有小褶曲发育，为陡倾角的正断层。f2发育于取水兼放空隧洞进口，斜切右岸，止于下游冲沟，产状为N35°～70°E/NW ∠70°～80°，长度约350 m，断距1 m～3 m，破碎带宽约0.2 m～0.5 m，影响带宽1 m～3 m，断层附近基岩极为破碎，且岩层产状变化较大，为陡倾角的正断层。近坝基肩一定范围内受断层f1、f2和裂隙切割影响，岩体风化破碎，水库存蓄水后库水沿近坝岸绕坝基肩向下游河床及冲沟渗漏的可能性较大。

水库于2018 年1 月下闸蓄水，库水位740.2 m，实测坝基渗漏量为22.6 L/s;2018 年4 月水库蓄水至767.6 m 高程，坝基渗漏量为92.98 L/s，达到三角堰最大量程。6 月以来坝基渗漏量较大，已超过三角堰最大量程，不能对坝基渗漏量进行观测。通过观测，下游坝脚沿线均有水渗流，局部有较集中出水口，呈小股状，初步估算，整个坝脚渗漏量约160 L/s。

为查明大坝两岸岸坡趾板、河床水平段趾板及两坝肩适当延长段区域内可能存在的渗漏范围及部位，采用伪随机流场法进行渗漏探测。测线布置见图1。红色线条圈闭范围为探测区域，蓝色线条为测点所在位置。探测时将电极A 布置与坝前出水点，电极B 分别布置于左岸及右岸无穷远处，探头沿蓝色线条所在位置以1 m 点距拉网式扫描。探测完成后，建立两种不同的电流场，分别为:左岸—坝后电流场、右岸—坝后电流场。探测成果见图2。从探测结果看，右岸存在多处渗漏点且渗漏点成带状分布，与坝址区的断层走向基本一致，但同时，在左岸也发现一处异常区域，此处异常区域形态规则且独立存在。最终在水库放空检查后，在异常位置处发现一处漏水通道。

图1 伪随机流场法测线综合布置图

图2 某水库左岸-渗水点电流场分布图(左)及右岸-渗水点电流场分布图(右)

通过上述案例可知，虽然通过分析资料可以比较准确地确定水库的渗漏模式和圈定大致的渗漏范围，但存在一定的局限性，同时缺乏技术资料支撑，借助物探技术，能够比较全面、科学地获取水库渗漏信息。

2 渗漏通道的探测

渗漏模式确定之后，需要对渗漏通道进行探测。渗漏通道可以采用地面、孔内两个不同的部位进行探测。但地面探测由于各种条件限制，往往探测精度较低。为了更好地探测渗漏通道最好采用孔内探测的方式进行。

孔内探测可采用噪声监测、井温测试、钻孔全景数字成像测试、压水试验、电磁波CT、声波CT 等方式进行。

受物探方法的限制、一种物探方法往往很难确定渗漏通道，水库渗漏探测应以资料分析为基础，物探方法为手段，多种方法相互印证和补充。图3 为某水库钻孔透水率、电磁波CT、渗流场、温度场对比图。从各种不同的信息联合分析渗漏通道。

图3 某水库钻孔透水率、电磁波CT、渗流场、温度场对比图

渗漏通道的探测中，如果发现空洞等异常，可以采用三维激光扫描(三维声呐扫描)等方式进行探测。通过此方法可以确定空洞等异常的规模、发育方位等。图4 为某水库钻孔空洞三维声呐扫描探测成果，从图中可见，空洞发育规模、发育方位等清晰可见。

图4 某水库钻孔三维声呐扫描探测成果

3 微小异常的探测

在渗漏通道的探测中，有些异常因为规模较小，使用常规探测方法探测难度很大。在这种情况下需要使用一些“非常规”方法对异常进行探测处理。

图5为某水电站心墙声波CT 探测原始数据，从数据上看初至比较清晰，且初至变化不大，说明心墙声波波速变化较小。但图中红色标记位置初至主频变化较大，说明该部位的心墙与其他部位的心墙存在一定的差异，导致声波在穿透过程中主频发生变化，通过资料分析，认为这些部位心墙存在一定程度的缺陷。

图5 某水电站大坝心墙声波CT 原始数据

定义声波相邻道之间各参数差与相邻道之间各参数平均值的比值为各参数变化率。图5 为图6 数据初至波速与初至主频变化率曲线图。从图中可知，初至波速变化率较小，但初至主频变化率较初至波速变化率明显提高。

图6 某水电站心墙声波CT 初至波速(蓝色)与初至主频(红色)变化率曲线图

此类情况下，使用初至主频反演更能突出异常。图7 为同一数据波速反演成果与初至主频反演结果对比图。从图中可以看出初至主频反演成果当中出现了很多波速反演结果“不存在”的异常。说明这些区域异常规模较小，尚未引起介质波速变化，但引起了介质主频变化。

图7 某水电站大坝心墙声波CT 波速反演成果与初至主频反演成果对比图

某些异常因其规模较小，不一定能引起井温、钻孔全景数字成像等的明显变化。但可能引起周边噪声的变化。在很多情况下，使用高精度噪声监测，可以发现其它方法发现不了或变化不明显的异常。图8 为某水电站心墙钻孔噪声监测与井温测试结果对比图。左图为噪声监测结果，右图为同一钻孔井温测试结果图。从图中可知在深度140 m～150 m 范围内噪声主频发生明显变化，但井温仅在140 m 左右发生轻微跳动，变化不明显。