综合物探法在小排吾水库大坝渗漏探测中的应用

王 祥，宋子龙，姜 楚，李 璐

（湖南省水利水电科学研究所，湖南长沙，410007）

0 前言

小排吾水库位于花垣县小排吾乡境内的沅水三级支流兄弟河上游，坝址距花垣县城36 km。该工程是兄弟河流域4级开发中的第一级工程，坝址以上干流长度7.35 km，控制集雨面积50.60 km2，正常库容1 020万m3，是一座以灌溉为主的中型水利工程。水库枢纽工程由主坝、副坝、溢洪道、引水隧洞等建筑物组成，主、副坝均为粘土均质坝。自水库蓄水以来，渗漏问题就一直存在。经重点地段防渗帷幕灌浆及2002年除险加固工程处理后，仍未从根本上解决水库渗漏问题。而且随着水库运行年限的增长，防渗帷幕体逐渐失效、溶洞充填物被击穿产生渗透破坏，渗漏现象日趋严重。

据现场调查和对运行期观测资料的综合分析，小排吾水库坝基（肩）岩溶渗漏是其存在的主要工程地质问题。主、副坝之间已封堵涵洞的岩溶泉仍然以0.45 m3/s的流量长期溢出，坝肩夯彩岩溶泉流量达1.38 m3/s。为确定漏水通道，并为地质勘察提供资料，采用综合物探方法对坝体进行了勘查。

1 渗漏成因分析及探测方法选择

1.1 水库大坝渗漏成因分析

要准确探测水库渗漏，首先应该对水库大坝渗漏隐患产生的机理有一定的认识，以便有针对性地开展探测工作。小排吾水库大坝为均质土石坝，而土石坝渗漏问题的主要表现形式为坝体渗漏、坝基渗漏、绕坝渗漏及输水设施（涵、洞）渗漏，其形成原因详见表1。这些渗漏问题，无论是坝体坝基渗漏、接触面渗漏或坝肩绕渗，都是由于原有的防渗结构受到破坏，使物理场发生变化，出现异常，从而为各物探方法的应用提供了前提条件。

1.2 探测方法选择

目前国内探测渗漏隐患的技术方法很多，如电法、地质雷达法、瞬变电磁法、同位素示踪法以及中南大学何继善院士发明的流场法等。小排吾水库主要渗漏问题是坝基（肩）岩溶渗漏，渗漏量大、异常物理场明显，结合现场地形条件和各物探方法特点，选择综合物探法技术方案：自然电场法用以探查坝体、左右库岸渗漏通道；流场法用以探查库区渗漏入水口位置，高密度电法用以确定坝体、坝基岩土特性，判别渗漏深度与范围［1-2］。

表1 土石坝渗漏成因分析一览表Table 1 Statistics of seepage causes of earth dam

2 各物探方法工作原理及适用条件

2.1 自然电场法

所谓自然电场，即无须人工供电，利用地下天然存在着的电场。大坝渗漏水是一种特殊的地下水，与它有关的自然电场有扩散吸附电场、氧化还原电场和过滤电场三种形式，水库大坝自然电场是以过滤电场为主，过滤电场是自然电场法探测渗漏隐患的场源。当水流在一定的渗透压力作用下通过岩石的孔隙或裂隙时，由于岩石颗粒表面对地下水中的阴离子具有选择的吸附作用，因此，在水流的上游会留下多余的阴离子，而下游有多余的阳离子，从而将在水流方向产生电位差，形成自然电位异常。通常在漏水点形成负自然电位异常，而在出水点出现正的自然电位异常，这便为开展自然电场法检测渗漏通道提供了前提条件［3］。

自然电场法在土石坝安全隐患探测中具有一定的局限性，具体体现为：需要土壤湿润均匀，保持接地条件良好，不得选择在地形切割严重、地表干燥的地方或乱石堆上进行探测，还要避免能产生氧化还原的岩土层或流水沟。

2.2 流场法

流场法（流场伪拟合法）是利用水流场与电流场的相似原理，在水中发送一种特殊波型的电流场（伪随机信号），通过测量水中电流密度分布，间接确定管涌与渗漏入口位置。流场法的核心技术是用电流场拟合渗漏的水流场，电流场的密度向量分布与渗漏水流场的水流密度向量相似，电流场的密度向量将集中指向渗漏水的入口，根据电流场的密度变化确定渗漏区的部位［4］。

此方法可非常准确地找到渗漏的入水口，但无法确定渗漏水通道位置，而且对渗漏量级也有一定要求。

2.3 高密度电法

高密度电法是地球物理电法勘探的一种重要方法，就其原理而言，与常规电阻率法完全相同。高密度电法实际上是一种阵列式电阻率测量方法，它将常规直流电法勘探技术与计算机数字技术相结合，集电剖面和电测深于一体，采用高密度布点，进行二维地电断面的测量，既能揭示地下某一深度水平岩性的变化，又能提供岩性沿纵向的变化情况。高密度电法的成果以视参数剖面图、断面等值线图等形式给出，在纵向上或者横向上都能直观地反映出地质体不同电性结构分布特征［5］。

当土石坝中出现渗漏、空洞等安全隐患时，该隐患区域的电阻率会出现很明显的变化，因此该方法在探测渗漏、空洞时效果显著。高密度电法探测技术的缺点是对没有明显地电差异的地质体反应不太敏感，探测结果大多为定性分析，对渗漏量大小等参数无法进行定量分析。

3 现场测线布置与资料解释

3.1 现场测线布置

（1）在主坝布设了3条自然电场法测线，分别位于下游一级平台（高程约574.30 m）、二级平台（高程约566.90 m）和三级平台（高程约559.80 m）；副坝布设了2条自然电场法测线，上游近水平台（高程约579.50 m）和坝顶（高程585.00 m），测点间距为2～4 m。自然电场法测试使用直流电法（激电）仪和Cu-CuSO4不极化电极。

（2）流场法主要在主、副坝近水面区域探测渗漏入口。在近水面布置3条测线，在库区（库岸）布置7条测线，测线间距4 m。结合现场实际探测情况，判断标准如下：正常区的强度值定为J＜15，异常区的强度值定为J≥15。现场测量采用划船沿测线行走，每隔1 m测读一次数据；每次测读数据时，将探头置入河堤底，然后拉起约20 cm，查看接收机显示值，若发现J≥20则利用浮标进行定位。流场法测试使用堤坝管涌渗漏检测仪，选择已封堵涵洞的岩溶泉渗漏出口为B极。

（3）高密度电法重点探测副坝坝体与基础，共布设2条测线，1号测线对应自然电场法坝顶测线（高程585.00 m）位置，2号测线位于副坝下游坝脚平台处（高程约579.50 m）。两条测线长均为120 m，测点距2.0 m。高密度电法探测使用高密度电法测量系统，采用温纳装置，60路电极，最大间隔系数为10层。

3.2 资料分析

3.2.1 流场法

根据实测资料，主副坝近水面3条测线的测值均在15以内，属于正常场范围。发现集中渗漏区两处，散浸区一处：原卧管高程约571.7 m处，伪随机流场强度值高达55，属于严重异常；副坝右坝端上游92 m处（枯水期时为一陡坡），强度测值为35～40，属于严重异常。副坝左岸上游65 m处测值维持在20～30，存在明显异常，面积约30 m2，判断为散浸渗漏口，渗漏入口平面分布详见图1。

为验证流场法判断渗漏入口的准确性和可靠性，在枯水期时，对库区出露区域进行了详细查勘，发现以上三处异常区均存在不同程度的孔洞和流水痕迹。

3.2.2 自然电场法

图2是副坝近水平台和坝顶的两条自然电位曲线图，1号测线桩号F0+030～0+050段和F0+060～F0+068段均处于低值电位区，自然电位值均在-5 mV以下，为渗漏区域；F0+054和F0+074存在高值异常，最高达17 mV，系表层堆石所致。2号测线桩号F0+076和F0+016处明显低电位属异常，最小值为-13.5 mV，属异常渗漏带；坝顶F0+152处电位值高达11 mV，其位置对应于封堵涵洞正上方，且靠近灌浆位置，故存在高值异常。

图3是主坝下游平台3条测线的自然电位曲线图，三条测线初始段均出现自然电位负值，明显低于其他位置的测值，可判断主坝右坝肩自上而下有不同程度的绕坝渗漏。主坝下游三级平台5号测线的Z0+062处电位值低于-18 mV，存在渗漏异常区，与3号测线的Z0+042测点和4号测线的Z0+052测点低电位值对应，可判断其极有可能为一渗漏通道。根据下列经验公式可推测渗漏通道顶部埋深：

式中：H——渗漏通道顶部埋深，m；h——低值异常区宽度，m。

推测5号测线Z0+062处的渗漏通道埋深约为30 m。后经地质钻探验证，进尺31.2 m时出现掉钻现象。

图1 库区渗漏入口平面分布图Fig.1 Distribution of leakage entrance in reservoir area

图2 副坝自然电位曲线图Fig.2 Pontaneous potential curve of auxiliary dam

图3 主坝自然电位曲线图Fig.3 Spontaneous potential curve of main dam

3.2.3 高密度电法

图4是副坝下游坝脚高密度电阻率反演结果，从图中可以看出：（1）剖面深度1～3 m处有一条带状低阻异常区，分析为下雨形成的浸水区；（2）桩号F0+069～F0+085段、深度4～10 m范围有一处40～80 Ω·m的低阻异常区，分析为严重渗水区域；桩号F0+160～0+170段、深度4～9 m范围有一处50～80 Ω·m的低阻异常区，分析为严重渗水区域；（3）桩号73.5 m和121 m附近、深度11～15 m范围各有一处100～150 Ω·m的低阻异常区，分析为渗水区。由此，判断副坝桩号F0+069～F0+085段、高程570.5～567.5 m区域为渗漏带。

图4 副坝下游坝脚高密度电阻率剖面图Fig.4 Profile of high-density resistivity in downstream toe of auxiliary dam

3.2.4 综合分析

综合自然电场法、高密度电法及流场法三种方法所测得的资料进行分析，并结合地质资料和现场勘查得出如下结论：副坝上游近坝库岸存在三处渗漏入口，其中两处为集中渗漏入口；主坝右坝肩存在绕坝渗漏，坝基存在一条深层渗漏通道；涵洞封堵段无渗漏迹象，副坝桩号F0+069～F0+085段、高程570.5～567.5 m区域属渗漏严重区。

上述物探结论在水库枯水期查勘和地质勘探中得到了进一步的验证。综合物探法充分发挥了各方法技术优势，取长补短，最终准确直观地对水库渗漏情况进行了有效分析和判断。

4 结语

物探是一种间接的勘探方法，以一定的地质因素与物理现象间的相关性为前提。在水库大坝渗漏隐患的探测中，需要充分发挥综合物探的作用，根据不同方法原理和适用条件，通过多种方法测试成果的综合对比分析，克服单一方法的局限性，消除推断解释中的多解性。当然，单靠物探方法是不全面的，还需要结合有关地质资料加以佐证，以提高综合物探成果的准确性。针对水库大坝渗漏问题，充分利用水的“低电阻率、高介电常数”的物理特性，提出了基于“自然电场法”、“流场法”和“高密度电法”的综合物探法应用，是综合使用物探方法的一次有效尝试。

[1]SL 326-2005,水利水电工程物探规程[S].

[2]谭界雄,任翔.我国小型病险水库病害特点及除险加固技术[J].中国水利,2011(14):31-33.

[3]郑灿堂.应用自然电场法检测土坝渗漏隐患的技术[J].地球物理学进展,2005(3):854-858.

[4]何继善.堤防渗漏管涌“流场法”探测技术[J].铜业工程,2000(1):5-8.

[5]宋子龙,王祥,黄斌.基于高密度电法的土石坝渗漏探测技术探讨[J].大坝与安全,2013(1):38-41.