监测资料与探地雷达在均质土坝渗漏分析中的应用

陈国光，李 卓，方艺翔，杨 阳，蒋景东

（1.宁夏汉延渠管理处，宁夏 银川 750001； 2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；3.水利部大坝安全管理中心，江苏 南京 210029）

防渗墙是水利工程中重要的防渗、截水结构，其质量关乎工程的成败与安全［1］。 鉴于各种原因，防渗墙施工时会导致墙体存在裂缝、架空、蜂窝、离析、接缝不牢、局部充泥、无墙等隐患［2］，因此对防渗墙连续性和防渗效果进行评价至关重要。 监测资料分析和探地雷达［3-5］近年来在大坝防渗体防渗效果评价中发挥了重要作用。

张漫等［6］综合分析了连续3 a 的监测成果，对枞阳长江干堤一标段防渗墙防渗效果进行了评价，揭示了长江水位与堤基渗透的关系。 金建峰等［7］通过对闲林水库大坝试运行期间监测资料的整理，分析了降雨等因素对测点水位的影响，综合监测数据表明坝基、坝址两岸防渗系统工作正常。 方致远等［8］为评价某反调节水库防渗墙渗透稳定性，结合监测资料等分析了防渗墙性能。 詹青文［9］以廖坊水利枢纽库防工程八堡堤为例，采用地面渗点调查法、重点堤段物探法及防渗墙墙体钻孔取芯等方法对混凝土防渗墙的渗漏缺陷进行分析研究及相互验证，查明了混凝土防渗墙产生渗漏的主要原因，为除险加固方案的拟订提供了重要的依据。 马宏新等［10］开展了探地雷达法和高密度电法现场检测试验，分析了某水库大坝混凝土防渗墙的完整性及防渗墙和帷幕灌浆的防渗效果，验证了综合物探技术应用于防渗加固效果检测的实用性和可靠性。 方艺翔等［11］以某心墙坝除险加固工程为例，综合工程地质、探地雷达、高密度电法、监测资料和压水试验分析了防渗体的连续性和防渗效果。 张清明等［12］为实现堤坝涵管与土体结合部位的有效探测，采用时移3D 高密度电法追踪探测、判断接触渗漏，实现了对接合部位接触渗漏的有效探测。

综上，监测资料和物探方法较多应用于水库大坝渗漏识别和防渗效果评价。 某均质土坝除险加固工程采用塑性混凝土防渗墙处理后，大坝下游出现大面积渗水，针对大坝严重渗漏问题在大坝不同断面安装了测压管。 笔者对大坝渗流水位、绕坝渗流水位和渗流量监测资料进行了系统分析，同时结合防渗墙墙体探地雷达和钻孔取芯探测数据，对防渗墙连续性、封闭性和胶结程度进行分析，查明了该大坝渗漏原因并对除险加固工程效果进行了评价，可为同类工程渗漏原因分析提供参考。

1 工程概况

某水库总库容1 403 万m3，工程规模为中型，工程等别为Ⅲ等。 水库坝址以上流域面积903 km2，主要建筑物级别为3 级，次要建筑物为4 级。 水库设计洪水为50 a 一遇，校核洪水为千年一遇，消能防冲采用30 a 一遇设计。 工程区地震基本烈度为8 度，建筑物地震设防烈度为8 度。 水库始建于1978 年12 月，1979 年年底建成。 水库由大坝、溢洪道、输水建筑物、尾水渠等建筑物组成。 大坝为均质土坝，坝顶高程为1 193.80 m，坝顶宽度为8.0 m，最大坝高为25.3 m。

水库水质受上游工业废水污染严重，水质不达标，蓄水没有价值，枯水期空库运行，汛期起防洪作用，故不设正常蓄水位。

根据地勘报告，坝体填土渗透性属于强透水-中等透水，局部为弱透水，大坝坝体填土的渗透系数不满足设计要求，大坝下部的砾岩层属于强透水，坝脚及坝基存在严重的渗漏问题，坝基渗流比较严重，在大坝下游较大范围内形成类似沼泽地带，且该部位长满芦苇及杂草。 2019 年3 月进行除险加固，主要内容为坝轴线上游侧设0.4 m 厚的塑性混凝土防渗墙，顶高程为1 192.80 m，墙底嵌入砾岩弱风化界限以下0.5 m，最大深度为28.4 m。 大坝典型断面见图1。 防渗墙采用塑性混凝土，设计要求允许水力梯度J允许＞80，渗透系数k＜10-7cm／s，抗压强度＞2.5 MPa，抗拉强度＞0.2 MPa，弹性模量≤2×103MPa。 原设计塑性混凝土防渗墙与两岸山体基岩连接，深入砾岩（微风化-新鲜砾岩）弱风化界线以下0.5 m。

图1 大坝典型断面（单位：m）

2019 年11 月水库蓄水，2020 年1 月11 日库水位1 183.00 m，大坝下游出现渗水。 2020 年5 月25 日坝后出现沼泽化现象，渗漏严重，为了将坝后左侧渗流引至量水堰，下游开挖一条引水沟，发现沟底存在多处管涌等渗透破坏现象，此时库水位为1 182.70 m，观测渗流量很大，为74.5 L／s。

2 监测资料分析

2.1 防渗墙前后测压管水位分析

在桩号0＋050、0＋150、0＋250、0＋350、0＋490、0＋510、0＋690、0＋700 和0＋710 断面共布置了36 根测压管（见图2），选取典型桩号0＋250、0＋350、0＋490、0＋700 断面进行分析。 所有断面第1 根测压管孔位于防渗墙前部坝顶上游侧，第2 根测压管孔位于防渗墙后坝顶下游侧，第3 根测压管孔位于大坝下游坝体马道上、轴距（与坝轴线之间距离，坝轴线下游侧为正，坝轴线上游侧为负）为29 m，第4 根测压管孔位于下游坝脚坝后盖重层前部、轴距为66 m。 测压管水位过程线见图3～图6，取2020 年5 月14 日（库水位为1 183.50 m）、2021年4 月20 日（库水位为1 182.65 m）的渗流监测数据，防渗墙前后测压管水位差见表1，不同断面测压管渗流位势见表2。

表1 防渗墙前后测压管水位差统计m

表2 不同断面测压管渗流位势统计

图2 测压管布置

图3 桩号0＋250 断面测压管水位过程线

图4 桩号0＋350 断面测压管水位过程线

图5 桩号0＋490 断面测压管水位过程线

图6 桩号0＋700 断面测压管水位过程线

由表1 和表2 可知：2020 年5 月14 日，防渗墙前后测压管水位差最小值为0.16 m，最大值为1.65 m；2021 年4 月20 日，防渗墙前后测压管水位差最小值为0.26 m，最大值为0.92 m。 防渗墙前后测压管水位差较小，部分断面前后测压管水位差别不大（桩号0＋250 断面），桩号0＋700 断面防渗墙前后水位差比其他断面大，表明该断面防渗效果较好。 对比库水位与测压管水位过程线可知，防渗墙后测压管水位与库水位变化保持同步，测压管水位与库水位正相关。 不同断面防渗墙消杀水头为1%～5%，防渗墙前后测压管渗流位势基本接近，防渗墙未起到有效消杀水头的作用。因此，防渗墙整体防渗效果较差，未达到设计要求。

2.2 渗透比降分析

选取2020 年5 月14 日（库水位为1 183.50 m）、2020 年10 月15 日（库水位为1 181.98 m）、2021 年4 月20 日（库水位为1 182.65 m）测压管水位，计算各断面不同测压管间渗透比降，结果见表3。 由表3 可知，桩号0＋350断面和桩号0＋700 断面防渗墙前后两根测压管间渗透比降均大于0.097，最大值为0.205，其他断面不同测压管间渗透比降均小于0.1，小于人工填土允许渗透比降（0.45）。 不同断面防渗墙前后测压管渗透比降均相差不大，说明防渗墙未达到设计渗透比降。

表3 测压管间渗透比降统计

从渗流出口处（泄水渠道上游侧）看，上游侧渠道混凝土接缝或排水孔处存在较多细颗粒析出现象，表明渗流出口处存在管涌破坏。 水库正常运行时坝基渗透比降将进一步增大，渗流出口处渗透破坏将进一步加剧。

2.3 绕坝渗流分析

2.3.1 左岸绕坝渗流监测

大坝左岸设绕坝渗流测点E1～E4，其中E1、E2 测压管分别位于溢洪道控制段左右两侧山体，E3、E4 测压管分别位于溢洪道下游消能段左右两侧，具体布置见图2。 2020 年4 月开始进行人工观测，左岸绕坝渗流水位过程线见图7。

图7 左岸绕坝渗流水位过程线

由图7 可知，总体上左岸绕坝渗流测压管水位与库水位正相关，E2 测压管水位高于E1 测压管水位，渗流方向为由山体流向坝体。

取2020 年8 月13 日（库水位1 180.50 m）、2021年4 月20 日（库水位1 182.65 m）监测数据（见表4）进行分析，E2—E1 测压管水位差分别为1.80 m 和1.27 m，渗透比降分别为0.049 和0.034，小于允许渗透比降。 前后两个时刻，库水位升高时，E1—B1-2 测压管、E2—B1-3 测压管水位差有减小趋势，渗透比降小于允许渗透比降。 在帷幕灌浆处理后，E1、E2 测压管位置绕渗问题有一定改善。

表4 左岸绕渗测点水位差和渗透比降统计

2.3.2 右岸绕坝渗流监测

大坝右岸D1、D2 测压管分别位于桩号0＋745 断面下游坝脚、下游坝坡马道，D3 测压管位于桩号0 ＋780 附近，靠近右岸山体，具体布置见图2。 2020 年4月开始进行右岸绕渗的人工观测，D3 测压管2021 年损坏后无法获取数据。 右岸绕坝渗流水位过程线见图8。

由图8 可知，总体上右岸绕渗测压管水位与库水位正相关，D3 测压管水位高于D1、D2 测压管水位，渗流方向为由山体流向坝体。

图8 右岸绕坝渗流水位过程线

右岸绕渗水位差和渗透比降见表5。 可知，库水位相近情况下，2021 年4 月20 日D2—D1 测压管水位差对比2020 年11 月17 日（库水位1 182.50 m）存在明显增大趋势，2021 年4 月20 日D2—D1 测压管水位差为2.23 m，渗透比降为0.149，大于允许渗透比降。

表5 右岸绕渗水位差和渗透比降统计

2020 年8 月13 日、2020 年11 月17 日，B5-2—D2 测压管水位差分别为0.14、0.13 m，渗透比降分别为0.004、0.004；B5-3—D1 测压管水位差分别为0.27、0.01 m，渗透比降分别为0.005、0.000 1。 D2、D1 测压管水位分别低于临近坝体B5-2、B5-3 测压管水位，渗透比降均小于允许渗透比降。

2021 年左、右坝肩采用帷幕灌浆处理后，绕渗情况有一定改善。

2.4 渗流量分析

量水堰于2020 年5 月20 日安装完成投入使用，至2020 年11 月，共进行了5 次监测（天气晴），监测数据见表6，其中渗流量计算公式为Q＝1.4H2.5。 除险加固后大坝渗流量无有效减小。 按原设计库水位在1 189.68 m（设计洪水位）时，大坝单宽渗流量为0.005 m2／d，坝长按780 m 计算，相应日渗流量为3.9 m3／d。现状低水位下实际渗流量远大于设计值，说明防渗墙未起到有效防渗作用。

表6 坝后三角量水堰监测数据

目前水库大坝下游坝脚盖重层后部出现沼泽化现象，局部渗水点存在管涌现象，渗流量较大。 随着库水位的抬高，渗流量将进一步增大。

3 探地雷达探测结果分析

进一步采用探地雷达进行了渗漏探测，主要探测塑性混凝土防渗墙的连续性，查明塑性混凝土防渗墙是否存在不完整、不密实或渗水等质量缺陷。 探测日期为2020 年4 月20—27 日，库水位为1 183.34 m。 探地雷达测线共布置了2 条，分别布置在塑性混凝土防渗墙顶（1＃测线）和防渗墙后坝轴线（2＃测线），根据探测深度要求，采用40 MHz 天线。 探地雷达的探测结果见图9～图11。

图9 1＃测线和2＃测线桩号0＋000—0＋260 断面雷达探测剖面

图10 1＃测线和2＃测线桩号0＋260—0＋520 断面雷达探测剖面

图11 1＃测线和2＃测线桩号0＋520—0＋790 断面雷达探测剖面

由图9～图11 可知，雷达信号随着探测深度的增加而明显减弱，墙底显示不明显，大坝两侧塑性混凝土防渗墙底部在雷达探测剖面上变化明显。 1＃测线探测结果表明桩号0＋245—0＋690 断面塑性混凝土防渗墙部分坝段可能存在不密实现象，另外泄水涵洞两侧雷达波同相轴错断，推测涵洞两侧塑性混凝土防渗墙可能存在渗漏，墙体不密实。 2＃测线探测结果表明桩号0＋210—0＋750 断面坝体下部和浅部坝基多处雷达波表现为粗波形、强振幅，推测该异常区域含水量高。 探测异常结果汇总见表7。 探地雷达探测结果表明，防渗墙墙体存在多处不密实情况，总体连续性较差，桩号0＋210—0＋750 断面坝体下部和浅部坝基存在多处高富水的异常区域。

表7 探地雷达探测异常结果统计

4 防渗墙墙体钻孔取芯分析

为查明塑性混凝土防渗墙墙体连续性和深入基岩情况，针对性开展了地勘工作，沿塑性混凝土防渗墙轴线布置10 个钻孔，桩号分别为0＋150、0＋245、0＋334、0＋370、0＋420、0 ＋535、0 ＋675、0 ＋696.8、0 ＋709.3、0 ＋735，钻孔布置见图12。

4.1 塑性混凝土防渗墙连续性分析

由塑性混凝土防渗墙检查孔统计结果可知，10 个塑性混凝土防渗墙钻孔中仅3 个钻孔（ZK1、ZK8、ZK10）塑性混凝土防渗墙是连续的，但3 孔中塑性混凝土防渗墙下部胶结较差。 不连续的塑性混凝土防渗墙包括以下类型：①塑性混凝土防渗墙-细砂-塑性混凝土防渗墙-坝体填土-圆砾-强风化基岩-弱风化基岩（ZK2）；②塑性混凝土防渗墙-坝体填土-塑性混凝土防渗墙-圆砾-强风化基岩-弱风化基岩（ZK3、ZK5），表明钻孔没有打偏，塑性混凝土防渗墙不连续，且墙下存在圆砾层；③塑性混凝土防渗墙-圆砾-强风化基岩-弱风化基岩等（ZK6、ZK9）；④塑性混凝土防渗墙-圆砾-强风化基岩-弱风化基岩（ZK7）；⑤塑性混凝土防渗墙-坝体填土-塑性混凝土防渗墙-弱风化基岩（ZK4）。

根据防渗墙墙体钻孔取芯结果，6 个塑性混凝土防渗墙钻孔（ZK2、ZK3、ZK5、ZK6、ZK7、ZK9）未深入弱风化基岩0.5 m（占60%），且该6 孔墙下均存在厚度不等（0.3～2.7 m）的圆砾、角砾层等中等-强透水层。表明塑性混凝土防渗墙总体上没有截断中等-强透水层和强风化基岩，塑性混凝土防渗墙总体上没有封闭，因此塑性混凝土防渗墙的连续性和封闭性均未达到设计要求。

对比防渗墙墙体钻孔取芯结果与探地雷达检测结果，可发现钻孔取芯揭示的防渗墙墙体不连续部位与探地雷达揭示的防渗墙墙体不密实区域吻合。

4.2 塑性混凝土防渗墙胶结程度分析

通过钻孔取芯得到的混凝土的胶结情况见图13～图15，图中注明了孔号及取样部位。 可知，不同部位墙体胶结程度不同，一类以结石程度较差的散体状混凝土为主，另一类以结石程度较好的柱状混凝土为主。柱状混凝土块体干密度较大，强度高，孔隙率低，性质较好；散体状混凝土块体干密度低，强度相对较低，孔隙率大，性质相对较差。 总体上防渗墙以散体状塑性混凝土为主。

图13 防渗墙墙体钻孔ZK6 芯样（以柱状混凝土为主）

图14 防渗墙墙体钻孔ZK8 芯样（以散体状混凝土为主）

综上所述，塑性混凝土防渗墙总体上均匀性较差。均匀的部位胶结情况良好，不均匀部位胶结情况差-极差，防渗墙底部胶结情况较差。 总体上防渗墙墙体以散体状塑性混凝土为主。

4.3 塑性混凝土防渗墙防渗性分析

对塑性混凝土防渗墙进行了注水试验，结果表明塑性混凝土防渗墙注水试验透水性以微透水-极微透水为主。 渗透系数k＜10-6cm／s 的极微透水16 段，占64%；10-6cm／s≤k＜10-5cm／s的微透水5 段，占18.5%；10-5cm／s≤k＜10-4cm／s的弱透水1 段，占3.7%；10-4cm／s≤k＜10-3cm／s 的中等透水1 段，占3.7%。 因此，塑性混凝土防渗墙整体渗透系数小于1×10-5cm／s，但有84%的试验段渗透系数大于10-7cm／s。 根据设计要求，塑性混凝土防渗墙渗透系数k＜10-7cm／s，注水试验结果表明，渗透系数k应小于10-7cm／s 的极微透水4 段，仅占16%，总体上塑性混凝土防渗墙渗透系数不满足设计要求。

综合监测资料、探地雷达分析和防渗墙墙体钻孔取芯结果表明，该水库大坝塑性混凝土防渗墙质量存在缺陷且防渗墙未深入弱风化基岩0.5 m、施工存在缺陷、防渗不满足设计要求，防渗墙参照规模相当且投运多年运行性态正常的工程进行结构设计是可行的，但墙厚偏小、水库渗流量远大于设计值的原因是除险加固工程未起到设计防渗效果。

5 结 论

本文应用监测资料、探地雷达并结合防渗墙墙体钻孔取芯结果综合分析了某均质土坝防渗体防渗效果、连续性、封闭性和胶结程度，查明了渗漏原因。

（1）监测资料分析表明，防渗墙前后测压管水位差较小，最小值为0.16 m，最大值为1.65 m；防渗墙前后的渗流位势变化不大，防渗墙消杀水头较小，为1%～5%；坝后实测渗流量远大于设计值（3.9 m3／d）。监测资料分析表明防渗墙未起到有效防渗作用。

（2）探地雷达探测结果表明，防渗墙墙体存在多处不密实情况，总体连续性较差，桩号0＋210—0＋750断面坝体下部和浅部坝基存在多处高富水的异常区域。

（3）结合防渗墙墙体钻孔取芯结果，70%的钻孔揭示防渗墙不连续，60%的钻孔揭示防渗墙未深入弱风化基岩0.5 m，防渗墙墙体以散体状塑性混凝土为主，防渗墙连续性和胶结情况较差，总体上没有封闭，渗透系数不满足设计要求，水库渗流量远大于设计值。（4）监测资料、探地雷达的综合应用，结合防渗墙墙体钻孔取芯结果，可有效用于水库大坝渗漏原因分析与除险加固工程效果评价，为同类工程提供参考。