物探技术在大坝渗漏通道检测中的应用

王永刚，杨明双，张 俊

(中国电建集团贵州电力设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

1 概述

贵州某水库大坝始建于1958年，土坝高7.4m，坝长55m，水库总库容10.44万m3，最大水面面积4.81万m2，控制灌溉面积460亩，保证灌面329亩。据资料显示该水库属群众投工投劳兴建，无设计、无施工、无指导人员、无质量检测措施，由于历史原因，工程质量未达到技术要求。大坝修建完成后，当库水位升至正常高水位时，大坝背水面渗漏严重，出现大面积的渗漏及浸润现象。1999年鉴定为险病水库，2000年经除险加固后，上游坝坡采用干砌块护坡，厚0.35m，干砌块石下面设0.2m厚碎石垫层。大坝上下游坝坡坡率均设计为2.25，下游坝坡处设1.0m宽的马道、排水沟，排水沟尺寸为200mm×200mm，下游坝脚设贴坡式排水体。并在大坝坝基采用帷幕灌浆防渗，坝基帷幕灌浆孔布置在坝顶中心线上，布设单排孔，孔距3m，自除险加固后运行20年多以来，目前大坝未出现明显变形，原水库大面积渗漏问题基本得到解决，但是仍然存在局部少量的渗漏。若不从根本上解决大坝渗漏隐患问题，随着近年来极端气候的不断出现，任由其发展将会对下游百姓生命财产安全带来极大的威胁。

解决水库渗漏问题的先决条件是排查出渗漏隐患的具体分布特征[1-6]，而目前所有检测方法中，物探技术以其精准、无损、快速高效等优点应用最为广泛[7-11]，主要有探地雷达、高密度电法、瞬变电磁法、反射地震、地震映像等手段[12-19]，但是每种手段均有其优点同时也存在一定的局限性，单一的方法往往会造成多解性[8-11]，因此为查明该水库渗漏隐患分布特征，本文在渗漏通道与大坝电阻率存在差异的基础上，采用充电法与高密度电法对大坝进行综合探测，通过渗漏通道与渗漏点之间的水力联系，利用电阻率数据建立渗漏隐患的空间展布及并分析其形成原因，从而为大坝除险加固提供技术支撑。

2 地质地球物理特征

2.1 坝址水文地质特征

据地质调查，库区为东西走向的带状沟谷，补给源主要来源于周边河流及岩溶管道水补给。水库坝区基岩局部裸露，坝基岩体为三叠系下统安顺组(T1a)白云岩，浅表构造裂隙发育，岩体完整性较差，岩体透水性强。坝基岩石强风化深度约为1～2m，施工时清基不彻底，导致坝基下游接触面的渗漏问题突出。2000年的除险加固对坝基进行帷幕灌浆处理，帷幕灌浆深度至基岩相对不透水层，从现场检查及调查情况来分析，坝基渗漏问题基本得到解决，但局部坝肩地段仍出现零星渗漏现象，渗漏量10～13ml/s。

2.2 地球物理特征

根据地质调查及地质资料分析，该坝体由粘土组成，大坝填筑土料取材于右岸，其中夹杂有碎石颗粒和植物根系。筑坝时因填筑材料不一，土层均一性差，人工分层夯实，坝体的施工质量较差。而坝体填筑土一般表现为相对低阻特征(视电阻率一般为100～300Ω·m)，当夹有碎石或块石时电阻率局部稍高，整体表现为低阻区域存在局部高阻。下伏基岩地层为三叠系下统安顺组(T1a)白云岩，导电性较差(视电阻率一般为n×102～n×103Ω·m，n为1-9的任一数)，通常表现为高阻特征。当坝体存在渗漏通道或裂隙浸润时，其通道及浸润区通常表现为低阻特征，其导电性较好(视电阻率一般为1～50Ω·m)，各岩土层明显的电阻率差异特征为利用电法进行坝址渗流检测提供了良好的电性前提。

3 探测效果分析

3.1 方法选择及测线布置

坝体渗漏必定存在渗漏点与渗漏通道紧密的水力联系，因此在电性特征上表现为联通的低阻体，若对渗漏点进行充电则渗漏点与渗漏通道形成等电位体，两侧水力联系较弱的岩土体则与该等电位体存在电位差，因此在地表上布置测点则可根据电位差查明该渗漏通道的平面位置[19-20]。另外，联通的低阻体在电性剖面上表现为一封闭型低阻异常，因此，基于这明显的电性差异，本文首先通过充电法追索该渗漏通道的平面位置，然后再结合高密度电法对其深度上的分布特征进行解译，故而达到渗漏通道从点-线-面分布特征的全面刻画，给大坝除险加固提供依据，根据现场地质情况共布置了3条测线，垂直于坝体渗流方向，充分利用直流电法中的充电法与高密度电法进行综合探测，如图1中坝体上部红色实线所示。

图1 水库坝体渗漏现状及测线布置图

3.2 充电法

充电法是水库大坝追索渗漏通道平面位置效果极佳的物探方法，通过在渗漏位置设置充电点便可追索坝体内有联通的渗漏水系通道。它是利用被探测对象具有良好的导电特性，采用人工方法对被探测的对象进行充电，测量和研究充电体及其周围电场分布特征，达到解决地质问题的目的[18-20]，以水库大坝东南侧渗漏点作为充电点，通过3条充电法测线，获得了坝体电位差异常带(电位差曲线从负值到正值的零点位置连线)，从电位差曲线平面图中可明显看出，在渗漏通道位置存在明显的电位梯度异常，如图2中虚线所示。由此追索出该水库大坝可疑渗流的平面位置走向为：1号测线的7.5m位置→2号测线的9.5m位置→3号测线的11.4m位置→充点电/渗漏点。

图2 充电法电位差曲线图

3.3 高密度电法

针对充电法追索到的坝体可疑渗流部位，利用高密度电法进行二维剖面解译，由于高密度电法工作效率较高，一次布极可以完成纵、横向二维勘探过程，既能反映地下某一深度沿水平方向岩土体的电性变化，同时又能提供地层岩性沿纵向的电性变化情况，具备电剖面法和电测深法两种方法的综合探测能力[21-25]。高密度电法测线布置图如图1所示，共布置2条测线，其中GMD01测线与2号测线对应，里程为0～59m，长59m；GMD02测线与3号测线对应，里程为0～59m，长59m。结合充电法成果，主要解释为两种情况：①水库可疑渗流部位引起的异常;②坝体填筑土可能存在淤积水或含水率相对较高引起的异常。

针对GMD01测线，在里程8～11m、深度高程约1280～1278m(如图3虚线框所示)；针对GMD02测线，在里程8～12m、深度高程约1280～1278m(如图4红色虚线框所示)，结合地质调查及充电法电位梯度异常，综合推测该两条测线里程8～12m均为水库可疑渗流部位引起的异常。而两条测线中部均体现为低阻，推测为坝体均质填筑土所致，局部可能存在坝体浸润或淤积含水量较高，故而导致视电阻率均较低，对应坝体中部深度较深，对应高程约1273m，深5～6m，而往坝体两侧，回填变浅，底部高阻则为下伏基岩所致，基岩相对较完整，电性特征较连续，与收集到的坝体资料相吻合，如图3—4双虚线所示。

图3 高密度电法GMD01测线视电阻率反演断面图

图4 高密度电法GMD02测线视电阻率反演断面图

3.4 综合解释分析

水库地处山盆期古剥夷面上，地质应力长期以夷平为主，并伴有一较长地质时期的稳定，导致了地下水运移和岩溶发育方向以水平方向为主，溶蚀作用在地表发育浅层溶蚀裂隙，极易在节理裂隙密集带形成渗漏通道。但在2000年除险加固后，对坝体进行了防渗处理措施，截断了上游水来源，改善了坝基岩体渗漏问题，根据坝区的水文地质条件综合分析，坝基未见泉点、散浸等渗漏现象，坝基渗流稳定安全。但坝体为均质土坝，坝基若清基不彻底会导致库内水流顺基础底面裂隙渗流，在坝体下游形成散浸，经充电法电位梯度曲线及高密度电法视电阻率反演断面显示，在溢洪道底部右侧边缘存在明显的异常带，与右侧坝肩渗流泉点相联通，经现场调查复核及物探解译，该渗漏点为溢洪道附近的绕坝渗漏现像，如图5所示。

图5 绕坝渗漏通道综合平面图

4 结语

(1)探测结果表明，利用充电法电位梯度曲线异常清晰地追踪出水库大坝渗漏通道的平面位置，利用高密度电法视电阻率反演断面图直观地解译了大坝渗漏通道的二维断面位置及规模。另外，根据物探结果，均质土坝在水的浸润下其电阻率与基底硬质岩存在明显差异，但是与渗漏通道电阻率差异不是很明显，对于单一电法其解释存在非唯一性缺陷。因此，基于直流电阻率法的综合探测方法相互结合有利于提高渗漏隐患的解译精度，解决单一电法对目标体的非唯一性缺陷。

(2)结合现场地质调查及物探结果，综合推测该渗漏通道为溢洪道绕坝渗漏，为大坝渗漏隐患加固提供可靠的靶区。