大坝渗漏检测最新进展

崔弘毅，周克发编 译

（1.国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，310014；2.水利部大坝安全管理中心，江苏南京，210029）

监测挡水结构（如大坝、渠道、堤坝和岸堤）的性态和稳定性对现有水资源和水电供应以及对生活在附近的社区居民来说都非常关键。这是一项综合任务，包括在几何构型、组成材料、结构均质性（如空洞和裂隙）、震损风险、稳定、渗漏等方面对水工建筑物进行特性分析。

总的来说，土石构造的水工建筑物的溃决都与内部冲蚀有关，譬如美国爱达荷州的提堂坝，该坝于1976年溃决。内部冲蚀是在地下水的作用下，细粒料的持续移动。内部冲蚀分为几个不同的物理过程，主要是向源冲刷、溶出和流失。

Foster等人于2000年对11 192座土石水利建筑物进行了统计研究，发现其中136座存在病险，其中6%是因为滑动，48%是因为漫顶，46%是因为内部冲蚀。

假定配置的是常规较大规模且具有挑战性的水力发电设施，对冲蚀进行快速，且理想情况下无损的探测绝非易事。但目前有一种新的地球物理工具，它可以直接感应地下水流，既可以提供快速有效的检测，又可以最小损伤准确探测到渗流。

1 常规方法

评估水利装置的结构整体性和探测结构物的均质性，通常使用岩土工程方法和地球物理方法。在这些案例中，会首先使用较为经济的地球物理方法来获取结构物大范围的特性，其目的是为之后进行的岩土工程勘察揭示更进一步的细节特征。

在土石坝和岸堤的案例中，传统的地球物理方法如电阻层析成像法（Electrical Resistivity Tomog⁃raphy,ERT）和电磁勘探法（Electromagnetic,EM）经常被用来探测结构的均质性和次表层的岩土变化（较深的地方）。实践证明，电阻层析成像法是土石坝成像的有效工具，在某些情况下，也可用于探测渗漏。地震层析成像法主要用于确定砌石坝的压实度。探地雷达（Ground Penetrating Radar,GPR）可帮助确定混凝土和砌石建筑物的结构和状况，对相对较浅的部位，可提供高精度的图像。

但是，这些技术都不能直接感应到内部冲蚀过程。虽然探测技术在许多领域都取得了进展，但考虑到在下游洪泛区观察到砂沸现象和出现某些特定的植被是最明显的指征，那么定期人工巡视检查通常是发现内部冲蚀的最佳办法。

但人工巡视检查也有其不足之处。人工巡视检查通常要花费大量的时间，并且还取决于内部冲蚀的程度，并非对所有内部问题的测点定位都有效。鉴于安全、实用和经济的原因，若有一种地球物理方法可优先定位水流，这会是往前迈进的重要的一步。

2 自然电位法

这种用电的被动地球物理方法被称为自然电位法（Self-Potential,SP），它是优先定位水流的方法之一，已在许多商业项目中得到证明。这些项目都需要定性和定量确定水流在水工建筑物内的传输路径。

除温度和水声测量外，自然电位法是唯一一种直接感应地下水流的地球物理学方法。其原理是测量由地下水引起的电场内的特定电动效应，这在地面、钻孔或地下水中均可探测得到。

电动学现象表现在源电流密度上，源电流密度与流过矿化多孔材料的孔隙水流有关。过剩电荷覆盖在多孔基体中矿化细粒的表面，由水流引起的这些过剩电荷的位移形成了净电流密度，这就是在探测的水流中形成了穿过水工建筑物的对流电流，对流电流将在上游形成负电场，大概为几十毫伏（范围为0～100 mV）。电场强度取决于水流流速和水力装置中材料的电学特性。在上游侧探测负电位可明确渗漏区域。

但是，自然电位法同样也会感应水工建筑物中其他的被动电源，例如，包括来自电线的电磁干扰和金属腐蚀的氧化还原作用。氧化还原会产生范围为0～1 000 mV的负电势。其腐蚀信号的强度会掩盖渗漏区域，但可以有效地深入了解金属结构的位置或确认与老化相关的冲蚀。

因此，自然电位法大多数是被用来探测土石坝和堤岸中的渗透水流，其探测结果不会因为金属的作用或电磁干扰而复杂化。但也有专家将这种方法应用于更具挑战性的砌石和混凝土结构中，并取得了巨大的成功。

3 单道自然电位采集

典型的现场组装的自然电位设备包括一套感应线圈和一套连接到高输入阻抗采集卡的基准非极化电极。

用船将移动电极拖到大坝或堤防的上游坝趾处，参考电极固定在地表面（比如沿大坝坝顶或堤防坝顶布置）。增强电缆可提供感应线圈和参考电极间的电接触，根据目标建筑物的不同，增强电缆通常可达几百米长。自然电位信号的记录频率平均为200 Hz/s。在船上设有全球定位系统作为采集装置用于水自然电位的空间坐标的获取。图1为某一混凝土大坝进行单道自然电位检测的结果。

4 创新的多道水检测系统——渗漏扫描仪

只要建筑物规模允许，标准的单道系统可升级为多道采集方式。例如，在渠道的评估中，多道系统可实现对渠道底部的一次性全覆盖，因此可在纵向和横向两个视角对可能的渗漏实现更好的可视化。

图1 对法国某一混凝土坝进行单道自然电位检测的结果Fig.1 Results of single channel SP acquisition from a concrete dam in France

为了利用这些优点，法国Furgo咨询公司设计研发了多道水检测系统——渗漏扫描仪。法国东南部有一条非钢筋混凝土衬砌的渠道，全长12 km，60 m宽，多道水检测这种创新的方法在这条渠道上成功地进行了初次测试检测，见图2（a）。

现场表现和结果显示，该方法可实现对大坝或其他大型蓄水建筑物的快速、准确、大范围的检查。

渗漏扫描仪组件包括一条船，船的两侧各有1个浮子，对其配备了GPS天线以在检测过程中实时记录船和浮子的位置，见图2（b）。共有10个非极化电极，间隔1 m布置，拖于船后30 m。船两侧各置5个电极，检测宽度可达10 m。自然电位传感器位于水和渠道底部的交界面。

图2 渗漏扫描仪在法国东南部一条渠道上成功进行了现场测试Fig.2 SCAN Leak successfully trialled at a canal site in South East France

为使微分电位测量成为可能，船载采集系统与一个位于渠道顶部的参考电极相连。这12 km的检测被划分为每段500 m的24段自然电位扫描。每一段检测中，参考电极都是固定的。

5 结果

在图3所示的案例中，渗漏扫描仪结果显示异常处约有100 m长、10 m宽。

大尺寸的原因是电场在所有导电区域内传播，比如渠道中的水和土石构造的渠道体。在确切的渗漏位置，电场可达到其最大幅值，并根据异常程度和水的导电性随距离减小。

渗漏检测系统于5 d内完成了整个12 km长渠道的检测。它能检测出并定位到来自渠道下被腐蚀破损管道的小的被动电信号，以此证明了其准确性和有效性。其他负自然电位异常被诠释为潜在入流区域，为将来极有针对性地进一步检查和维修奠定了基础。

该项目表明，渗漏检测仪可在大坝检测中推广应用。同样，在快速检测大型建筑物时，该技术是完全的无损检测，且不会干扰到其正常的运行，也不会对周围环境造成影响。渗漏处理前后的重复检查可验证工作的有效性，定期检查可了解建筑是否处于稳定状态或性态在随时间恶化。由于该设备已经模块化且携带方便，因此是适用于全球各地应用的较经济的可移动方式。

图3 渠道现场进行的渗漏扫描仪多道自然电位采集结果Fig.3 Results of SCAN Leak multi-channel SP acquisition at canal site

6 其他技术

自然电位法在大坝检测中的使用需要与介入性方法和非介入性方法增大的适用范围相结合考虑。大多数案例中，自然电位法若使用在评估项目的早期阶段，则可以收到最好的效果。随后，可结合其他的辅助数据对检测发现的异常进行分析和解读。

这可能需要一些投入，包括结构和地质监测系统的安装以及用其他检测方法对用自然电位法检测出的问题部位进行检测。第二阶段经常使用的检测手段包括结合水压扰动的被动信号的水声测量和结合参数测量的目标钻孔或椎体渗透测试，如地下温度梯度等参数。

图4 在某水库砌石坝进行钻孔地震勘测Fig.4 Colour representation of wave velocity results from a borehole seismic survey of a masonry dam on a water reser⁃voir,showing compactness anomalies around the boreholes

7 结论

标准的自然电位法和渗漏检测仪可提供关于水利设施中渗漏区域的重要信息。

该方法可与其他非介入性的地球物理方法结合使用，这样，对不同规模的建筑物进行渗漏检测时，可将介入性检查减到最少，实现时间节省、经济环保的检查方法。

8 大坝检测方面的其他进展

若堤防（大坝或堤坝）的运行性态和设计不一致，则可能会造成生命财产损失，后果严重。老坝和新坝结构物都要求对工程设计、结构稳定性评估或消缺处理规划等方面进行科学的评估。

科技的发展，特别是远程传感数据的采集，使检测更具稳健性，特别是与传统的地球科学方法相结合时。这种综合方法集成了多种技术性的数据和传统的地下勘测，为评估地质风险或堤防的基础问题提供了强有力的工具。

过去，对航拍图像（如斜低太阳角照片）、摄影测量收集到的地形数据和有限的地球物理调查结果（如地震波折射）进行分析，这就是实际的工作状态。在过去的十年中，通过综合成熟的地球物理调查、高分辨率的地形数据和“传统”的岩土数据，对堤坝进行的地质和岩土工程评价逐渐变得更高效，成本也在逐渐降低。

激光雷达（光探测和测距）和应用于更远区域的INSAR（卫星雷达）技术等都可提供详细的高程数据，用以开发地表模型。地表模型可在其他各种潜在不良地表特性中识别出如边坡失稳或断层崖等风险。

工程地球物理学家们可利用地球物理方法（如电阻成像法和地震波反射成像法）来分析地下条件的类型和分布，这些信息可用于以下用途：

（1）它是一个框架，可用于开发有针对性的地下勘探计划，相对于传统的布置；

（2）它是连续的数据集，可用于解读离散勘探点间的地质条件，因此降低了不确定性。

这些最近的技术进步并没有取代传统的地质和岩土工程方法。但它们是一个重要的补充，可加强对工程现场地质条件的解读能力，更准确地描述潜在的危害，从而提高结构的可靠性、性能和安全性，同时尽可能降低风险。

[1]Alex Boleve.Advances in leak detection[N/OL].Water Pow⁃er&Dam Construction,[2013-08-13].http://www.water⁃powermagazine.com/features/featureadvances-in-leak-de⁃tection/.