DB-4型堤坝管涌渗漏检测仪在水库渗漏探查中的首次应用

白广明，孙 震，张耘菡，孙光年

(黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

DB-4型堤坝管涌渗漏检测仪在水库渗漏探查中的首次应用

白广明，孙 震，张耘菡，孙光年

(黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

为检验新研制的DB-4型堤坝管涌渗漏检测仪的有效性，项目研究组在水库工程中进行了首次实际应用。结果表明：新设备可以探查到堤坝渗漏入口位置；设备由模拟量测试改变为数值量测试后，检测成果实现了定量数据化；增加的GPS定位功能，可以将检测出的渗漏入口位置标记在工程图纸上，精度达到厘米级；该仪器在堤坝渗漏探查领域有推广价值。

水库大坝；管涌；渗漏；探查；拟流场

堤坝是挡水建筑物，当堤坝内出现了渗漏通道，堤坝后就会出现管涌现象，如不采取工程措施及时除险，管涌会带走颗粒土使渗漏通道不断扩大，直至堤坝溃决。水利技术人员知道：及时、准确封堵渗漏通道在水下的入口，或截断堤坝内渗漏通道路径，是遏制险情发展、根除堤坝发生溃决灾害的有效方法。但采用这些工程措施的前提是需要掌握渗漏通道入口或路径的位置。

由于渗漏入口在水下，渗漏通道路径在堤坝内部，靠肉眼仅能检查出堤坝后出现的管涌险情。

何继善院士2000年提出了拟流场法探测技术[1]，并研制出了DB型堤坝管涌渗漏检测仪[2]。2001年起，该技术先后在洪泽湖大堤[3]、龚嘴电站[4]、浏阳市株树桥水库[5]、汉寿县阁金口闸[5]等工程中得到了应用，均取得了良好的探测效果。该仪器2006年获得国家重点新产品称号，2008年获得水利部水利先进实用技术推广证书，探测技术写入《堤防隐患探测规程》(SL 436—2008)[6]，探测设备被水利部列为国家防汛储备物资，该项技术已经在全国得到广泛应用。

2016年黑龙江省水利科学研究院和湖南继善高科技有限公司合作，共同承担了以深入进行拟流场法理论研究、仪器升级改造为内容的科研项目，创新研制出了DB-4型堤坝管涌渗漏检测仪，将模拟测试转换为数值测试，并增加了GPS高精度定位功能。为了检验新设备工作效果和性能，在坝后有渗漏出水的水库进行了首次实际应用。

1 应用工程概况

应用工程位于黑龙江省三江平原，是一座以下游防洪、城镇工业供水为主，兼顾环境用水、旅游和养鱼等功能的中型水库，水库总库容5228万m3，兴利水位292.00 m，校核水位293.63 m，设计标准为100 a一遇，校核标准为1000 a一遇。主要建筑物为三等3级，水库土坝坝顶高程为295.5 m，坝长885 m，最大坝高40.65 m，心墙顶宽4.0 m。大坝溢洪道采用岸边式，主要由进水渠、控制段、泄槽、消力池、出水渠组成。

大坝左坝肩及溢洪道位于左岸低山区，组成岩性为燕山期侵入岩，岩性为花岗斑岩内。地下水为基岩裂隙水。岩体可划分强风化岩体、弱-微风化岩体。由于此处强风化厚度较大，溢洪道部分底板座落于强风化带内，工程地质条件较差。为防止坝肩绕渗，在距左坝肩20.0 m范围内进行帷幕灌浆，灌浆深度20.0 m。溢洪道闸室段基础座落于强风化、弱风化花岗斑岩上。闸室基础垂直防渗采用帷幕灌浆，闸室左侧帷幕灌浆与重力坝基础灌浆相连接，闸室右侧通过侧墙底部帷幕灌浆与黏土心墙石渣坝坝基帷幕灌浆相连接，闸室底部设1排帷幕灌浆孔，孔距2.0 m，深度为闸底板以下10.0 m。

2 水库渗漏情况

根据水库运行管理单位介绍，水库2015年11月建成蓄水，一直在低水位运行，2017年5月23日水库水位上升到279.80 m时，经巡查发现坝后出现了集中出水渗漏，具体位置在坝体桩号0+100下游110 m处的溢洪道右侧山体处，渗漏出水流量大约0.4 L/s，水流清澈，渗漏出水位置卫星图如图1所示，出水情况如图2所示。

图1 坝后渗漏出水位置图

图2 坝后渗漏流出水情况

3 探查方法

探查前在水库大坝后渗漏出水口放置一个电极，在大坝前水域中远端放置一个电极，然后通过导线接通测试设备的发射机，由发射机通过两个电极在大坝前水域和坝体中建立起拟流场。测试时，用船运载接收机，探测人员将与接收机连接的接收探头深入到水下拟流场中检测不同位置电场强度的分布情况。如图3所示。

在正常(即探头没有接近渗漏入口)的情况下，接收机面可以接收到拟流场分布的较小电场强度数值，该数值反映了正常情况下的电场强度分布特征，此时的检测值称之为正常值，对于不同工程的水域，其正常值大小略有不同，但是对于一个具体工程而言，正常值的数值变化范围是比较小的。

图3 渗漏检测示意图

异常值是相对正常值而言的，由于堤坝渗漏的存在，使得拟流场的分布特征发生改变，在正常拟流场的基础上，局部出现电场强度高值反映，可以达到正常值的2倍以上，该高值称之为异常值。正常值与异常值的关系如图4所示。

图4 正常值、异常值关系

在完成一个区域水下探测后，可以将从拟流场中测得的电场强度数据以图的形式表现出来，其方法是以某一测线方向为X轴(一般以堤坝的方向)，其垂直方向为Y轴，按各测点的X、Y坐标位置，将测得的数据标于平面图上，并按一定的差值，以数学内插的方法绘制出等值线平面图，如图5所示。

图5 探测结果等值线平面图

探测结果等值线平面图能比较清楚地反映出堤坝前水域中渗漏入口位置。没有渗漏水集中渗入的区域探测成果数值变化范围比较小，等值线分布距离相对较稀疏，有渗漏水集中渗入区域的探测成果数值变化具有突变的特点，幅值高，等值线分布距离相对较密集。

通过平面图对探测区域进行了异常值范围的圈定，圈定的范围即为探测到的入水部位。异常值幅值与入渗水量相关，如果异常幅值高，表明渗入水量较大；异常值分布范围反映了入渗区域的大小，范围小是集中渗漏的特征；范围大是散侵的特征。

本次探测使用的设备是新研制的DB-4型堤坝管涌渗漏检测仪，比较原有设备，新研制设备的检测成果由数值量取代了模拟量；接收机设置了连接RTK GPS定位仪端口，具有了精确测定各测点在大地位置的功能；增加了探头至水底距离测量功能。

4 探测查工作实施

探测时首先将连接发射机的一个电极放置在坝后渗漏出口水中，将连接发射机的另一个电极放置在距离坝前坡水边线100 m远的水域中，开启发射机电源，然后船载接收机在坝前水域探测寻找水下渗漏入口。由于坝后渗漏点位于溢洪道陡坡段右边墙外侧，在库区水域探查时，将溢洪道入口临近水域作为重点探查区域，并分别向两侧扩大延伸，以确保探查范围能够全面覆盖可能存在渗漏入水口的区域。由于库区临近左岸水域长满树木荆棘，探测船无法进入，只能在距离岸边较远的树丛外水域探测。为了减少探查工作量，首先船载接收机在探查区域内进行大范围测试，探查到渗漏异常值后，再将渗漏异常点附件作为重点探测区域进行反复探查，确认入渗区域的存在。

船载接收机在坝前水域探查，共进行了22条测线探测，各条测线位置如图6所示。

船载接收机在测线上每秒钟接收四组探测数据，每组数据中有探测时间、经纬度位置坐标值、拟流场电场强度值及探头距水底距离等信息，每条测线上测点距离密、数据量大，表1中仅列出一条测线上的部分探查成果数据，表中的x、y为测点的平面坐标[7]。

根据测点的平面坐标，将各条测线上测得的拟流场电场强度数值成果落在平面图上，发现在一个椭圆形区域中集中有异常值，电场强度值接近或大于2 mV，椭圆形区域中心位置点平面坐标为(5 065 616.3687,384 106.4197)，各测线上典型异常值和对应的平面坐标见表2。

图6 测线位置图

序号xy场强值/mV15065593.602384075.0270.00725065594.122384075.2530.01235065594.727384075.4180.01345065595.417384075.5800.01855065595.929384075.4490.01765065595.952384076.4620.02575065597.312384075.8940.02785065597.924384076.3560.03895065598.621384076.8160.049105065599.166384078.1150.063115065600.347384077.2530.074125065600.790384077.8380.081135065600.977384078.4890.094145065601.107384080.3930.116155065601.507384079.1320.116165065601.897384077.4550.050175065602.117384079.5350.130185065602.414384077.5620.062195065602.990384080.1700.123205065603.344384080.6390.137215065603.397384079.2070.104序号xy场强值/mV225065603.789384081.2840.160235065604.307384081.4500.177245065605.442384082.2580.218255065605.460384083.0320.185265065605.882384082.7240.247275065606.382384082.1170.198285065606.516384084.1400.346295065606.528384084.6760.378305065606.978384085.5590.403315065606.997384082.6980.231325065607.009384083.2340.499335065607.454384083.8790.324345065607.815384084.6460.361355065607.859384082.8570.472365065607.862384086.6710.659375065608.053384087.5000.733385065608.239384088.0920.790395065608.349384085.4670.598405065608.407384084.2740.546415065608.444384082.1880.420425065608.454384086.2990.642

续表1

表2 各测线典型异常值坐标位置

根据测点坐标数据将表2异常电场强度数值绘制在水库枢纽平面图上，发现异常值椭圆形落在溢洪道进口右边墙前端附近区域，该区域判定为疑是渗漏入渗区域，对应大坝桩号范围为0+020～0+040，中心点距离坝轴线水平距离52 m，如图7所示。

5 左坝肩段地质及测压管监测数据支持探查结果

左坝肩地质条件相对较差，分析渗透压力测压管数据变化过程可知，此处渗透压力与坝后渗漏出水直接相关，说明库区水是经过左坝肩基础渗漏到坝后的。本次拟流场法探测结果表明临近左坝肩坝前水域存在渗漏水入口，工程运管单位提供的左坝肩地质情况及渗透压力变化过程支持这一探测结果。

左坝肩及溢洪道坐落在强风化岩石基础上，地质条件差，透水性较强，工程上进行了帷幕灌浆处理，但从强风化岩层分布范围、厚度和风化程度分析，不容易实现理想阻断渗流，水库蓄水后，此处是大坝垂直防渗体系中相对薄弱部位。

工程运管单位提供了左坝肩基础渗透压力两个监测管PR2-1、PR2-2观测数据。两个测压管距离坝后渗漏出水点较近，PR2-1在大坝上游侧，PR2-2测压管在坝下游溢洪道左侧，两个测压管的位置及孔口高程信息见表3。

图7 拟流场法测定渗漏入口位置图

序号测压管名称所在断面桩号孔口高程/m1PR2-10-0.50(上游)295.582PR2-20-0.50(下游)291.31

根据运管单位提供的测压管记录数据，分别绘出了PR2-1、PR2-2观测管渗透压力-日期变化过程曲线，图8～图9是在坝后出现集中渗漏前10 d 起近50 d时段两个测压管渗透压力变化过程。

图8 PR2-1测压管渗透压力过程曲线

图9 PR2-2测压管渗透压力过程曲线

查阅5月23日大坝出现渗漏以前观测管渗透压力过程记录，PR1-1测压管位于土坝上游侧，压力观测值略低于库区水位，PR2-2测压管为坝后测压管，压力观测值低于库区水位较大，两个测压管压力变化趋势均与库区水位变化趋势相一致，跟随库区水位变化，说明测压管工作情况是正常的。

从图9可以看到，PR2-2测压管在5月24日压力数值异常降低，恰好是水库发生异常渗漏的第二天，分析其原因可能是随着库水位的增加，流经左坝肩及溢洪道强风化岩层基础的渗透水增加，渗透压力随之加大，当渗透压力超过临近坡降时，坝后渗漏出水口位置出现结构失稳状态，形成集中渗漏水流，渗透路径末端上的渗透压力突然释放，导致PR2-2测压管压力数值异常降低。从图9还可以看到，6月13日后，PR2-2测压管压力数值变化趋势又恢复到跟随库区水位变化，这是由于渗透路径上局部出现渗透压力降低时，周围相对较高渗透压力区的水将向出现局部低渗透压力区补给，如果此处至渗漏出水口之间没有形成贯通性渗漏通道，经过一段时间后，渗透压力将达到新的平衡，使PR2-2测压管的观测值变化趋势又恢复到正常状态。

6 结 论

通过使用新研制的DB-4型堤坝管涌渗漏检测仪对水库渗漏入口首次现场探查，应用结果表明，检测仪可以准确找到堤坝前渗漏水入渗区域，工作性能得到了质的提升，可以推广使用，初步得出主要结论分述如下：

(1)使用新研制的设备，找到了库区水在坝前渗漏至坝后的水下入渗区域，探测成果为分析渗漏水流经路径、选择工程处理方案提供了科学的参考依据。

(2)设备新增加了测点位置GPS测量功能，实现了测点位置用经纬度坐标标识，标识精度达到厘米级，探测成果可以落在堤坝工程平面图上，方便工程技术人员准确解读探测成果。

(3)新研制的设备改变了流场法探测时采样、识别工作模式，用数值量自动采样、存储及后期计算机系统分析，代替了测量船上读取接收机指针指示的模拟量，现场判定探测结果，使探测数据分析更加全面、系统，提交的结论更加准确。

[1] 何继善. 堤防渗漏管涌“流场法”探测技术[J].铜业工程，1999(4)：5-8.

[2] 冷元宝,李跃伦,黄宜更，等. 流场法探测堤坝管涌渗漏新技术[J].人民黄河，2001, 23(1)：36-37.

[3] 朱自强,邹声杰,何继善，等. 流场法在洪泽湖大堤管涌渗漏探测中的应用[J].工程地球物理学报，2004, 1(3)：243-246.

[4] 戴前伟,冯德山,王小. 龚嘴电站大坝渗漏入口部位探测技术[J].水力发电学报，2006, 25(3)：88-91.

[5] 邹声杰,汤井田,何继善，等. 流场法在堤坝渗漏管涌探测中的应用[J].人民长江，2004, 35(2)：7-10.

[6] 中华人民共和国水利部. 堤防隐患探测规程：SL 436—2008[S].北京：中国水利水电出版社,2008.

[7] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. 全球定位系统(GPS)测量规范：GB/T 18314—2009[S].北京：中国标准出版社，2009.

The first application of DB-4 dam piping detector in the detection of the reservoir seepage

BAI Guangming，SUN Zhen,ZHANG Yunhan,SUN Guangnian

(HeilongjiangProvinceHydraulicResearchInstitute,Harbin150080,China)

In order to test the effectiveness of DB-4 Type Dam Piping Detector developed newly, the research group carried out the first practical application in the reservoir project.The result shows that it can search out the position of the seepage entrance.After it is changed from the analog quantity test to the digital quantity test, the result is quantified.With the added location function of GPS, it can mark the detected position of the seepage entrance on the engineering drawings with a precision of centimeter level.The instrument has the popularization value in the field of dam seepage detection.

reservoir dam; piping; seepage; detection; the quasi-steady flow fields calculated

TV698.1+2

A

2096-0506(2017)11-0019-07

黑龙江省应用技术研究与开发计划引导项目(GZ16B005)

白广明(1958-)，男， 黑龙江密山人，研究员级高级工程师，主要从事堤坝隐患探测研究。E-mail：baigm@126.com。