水库堤坝渗漏检测技术探讨及应用

韩文娟 顾 梅

我国是水利大国，拥有世界上最多的水库堤坝，目前达到9.8万余座，其中95%以上为土石坝；还有44.51万千米堤防，堤防多为土质堆筑。而渗漏问题是土质堤坝的常见病害，汛期和雨季极易发生破坏，关系到人民生命及财产安全。因此，渗流检测监测和安全评价等需要深入研究，急待发展高效渗漏检测技术。

一、水库堤坝渗漏检测技术

目前，进行水库堤坝渗漏检测的常规方法主要有：

1.有损检测

（1）工程地质钻探

工程地质钻探是指利用机械设备，在岩层中钻孔并取出岩芯了解岩石透水性和裂隙性的手段。它是工程地质勘察的一种勘探方法，目的是揭露与水工建筑物有关的工程地质结构和水文地质条件，了解岩土体的工程地质性质。通过调查岩土体的空间分布、厚度等变化情况，进行土体结构类型的划分；通过了解地质构造的变化、破碎带的空间分布以及岩性随钻孔深度的变化情况，判断可能造成水库堤坝渗漏的位置。

（2）注水或提水试验

孔内注水（提水）试验是通过钻孔向试段内注水（提水），保持固定水头高度，量测注入（提入）试段内的水量或水头高度，得到其与试验时间的关系曲线，用以判定土体渗透性能，测定岩土层渗透系数大小，分析岩土层接触部位存在渗漏的可能性。注水（提水）试验适用于检测渗透性较大的结构不紧密的粘性土、存在明显节理裂隙的岩土的透水性。坝体或土基钻孔宜进行注水试验。

（3）压水试验

压水试验是用止水设备隔离出一定长度的钻孔试验段，然后借助水泵或水柱自重将固定水头压入这一试验段中，根据试验记录得到压力和流量的P-Q关系曲线，用以确定试验段的透水率，一般用吕荣值（Lu）表示。压水试验的目的是了解水工建筑物地基与水库堤坝渗漏地段岩体渗透性。压水试验常用于测定强度高、渗透系数低、处于饱和状态岩体的透水性，为评价岩体的渗透特性、防渗和地基处理提供基本资料。基岩孔段应进行压水试验。

（4）钻孔电视

在工程勘察中，钻孔是一种非常重要的方法，但由于不同岩性的岩石、破碎带、裂隙、不同的地质结构、多变的水压及水温等，极易造成钻孔内部存在复杂的环境，如存在钻孔取芯率不足的情况，研究人员很难得到这些部位的各种特征及细微构造，而这些信息又是解决问题的关键。在这种背景下，近年来钻孔电视应运而生。钻孔宜采用孔内电视探查软弱夹层或结构面的分布规律及特征，能获得钻孔裂隙的分布位置，为渗漏检测提供更准确的科学依据。

2.无损检测

（1）高密度电阻率法

又称电阻率影像法，是一种新兴阵列勘探方法，它利用岩体、土体电性的差异，通过人工施加稳定电流场的作用研究地层中传导电流分布规律，该方法将多个电极置于测线上，通过电极转换开关和工程电测仪实现数据的快速自动采集并能够进行现场数据处理、分析和成图。当水库堤坝未出现渗漏时，坝体电阻率垂直分布将呈现出近似层状均匀分布的状态；若坝体或基础存在渗漏点时，电阻率垂直分布会出现明显的低电阻值区域。高密度电阻率法适用于电性不均匀体的探测，对于地质资料缺乏的病险水库展开渗漏探测，能较好地揭示坝体及坝基的电阻率分布情况，为堤坝的防渗加固提供科学依据。

（2）探地雷达

探地雷达技术利用宽带天线发射和接收高频电磁波来探测地下内部目标特性和分布规律，了解其结构形态及确定其位置。当水库堤坝发生渗漏时，渗漏区域内部力学特性以及电磁特性将会发生很大的变化。通过对渗漏区的形状和范围进行探测，结合现场的地质资料，便能了解地质特征信息，从而探测堤坝隐患位置。探地雷达技术具有迅速、准确、高效、直观、连续获得结果、可重复探测的优点，其探测过程具有强抗干扰和高分辨率的能力，在无损探测中有着独特的优势。探地雷达技术有着广阔的应用前景，但也存在探测深度有限的局限性，且需要地下目标体和周围介质显示明显的电性差异，否则会影响探测效果。

（3）示踪试验

随着同位素技术的产生和发展，1957年德国科学家Moser首次提出利用同位素示踪法测定含水层渗流速度、渗透流向的稀释测井法。示踪试验一般在含水层渗漏段的上游投源孔投入适当的示踪剂，在渗漏部位下游的检测点（检测孔）采取水样检测示踪剂成分，绘制出水样的电导率—时间关系曲线，判定投源孔与检测孔之间是否存在径流通道以及径流量的大小。对于岩溶发育、地质构造复杂的地区，传统渗漏检测难度大，采用放射性同位素作为示踪剂的示踪试验对水库堤坝的渗漏进行探测可以取得较好效果。但由于放射性同位素对人体和环境易产生危害，所以示踪剂的选择需遵循一定原则。

（4）地下水流速测定

图1 示踪试验某检测孔电导率—时间关系曲线图

图2 地下水流速测定某断面流速—高程曲线图

该方法通过测定地下水流速，分析不同部位钻孔不同深度处的地下水流速变化规律，判定渗漏部位及渗流强度，进一步分析确定渗漏范围。放射性同位素单孔稀释示踪法其基本原理是将放射性示踪剂投进投源孔中的水体，孔内地下水的渗流会稀释示踪剂，根据示踪剂浓度变化的快慢即可推求孔内地下水流速。随着科学技术的发展，实时、精准测量地下水流向流速的地下水流速流向仪已问世并应用于工程实践，该仪器提供了一个直接准确确定地下水流方向和速度的手段，在定量确定地下水流速方面，仪器测量误差更小，精准度更高。地下水流速测定作为水库堤坝渗漏检测技术的补充，用来验证其他检测手段的结论，可以提高判断的准确性。

（5）水温观测

水库表层水体温度随季节变化十分明显，夏季自表层向下水温一般呈递减趋势，且浅部变化梯度较大，深部变化梯度逐渐减小；冬季自表层向下水温一般略呈递增趋势，如果水深不大，上下层水温相差很小。如果地下水径流强度大、循环快，那么在径流过程中水体热能与周围地层水体热能会产生相互影响和转换。也就是说，如果低温水体通过径流带进入较水体温度高的地层区，会沿径流带形成一个地层低温带，由于大部分岩石属于热的不良导体，在一定温度差与径流强度下，沿径流带会形成较长的低温带。因此，通过测定不同部位钻孔及不同深度的水温分布规律可以分析判断地下水的径流情况，间接判定水库堤坝的渗漏部位。

（6）声纳渗漏检测

图3 某检测孔流速曲线与钻孔电视图像对比图

声纳是利用在水中发送和反射声波对目标进行探测、定位及跟踪的技术，声纳渗漏检测是利用声波在水中得天独厚的传播条件实现对水库堤坝渗漏部位的探测。其检测原理是：如果被测水库堤坝存在渗漏部位，则在测区一定产生渗漏流场，使用声纳探测仪可以探测出声波在水体中传播的大小、分布以及速率，根据传播速度之差与被测流体流速之间的关系可以建立连续的渗流场水流质点流速方程，从而判断堤坝渗漏位置、渗漏路径、渗漏源头等信息。声纳渗漏检测技术与传统检测方法相比，不干扰流场，具有节水环保、费用低廉的优点，在水库堤坝渗漏检测、水文地质勘察及城市开挖基坑的渗漏检测方面皆有广泛应用。

3.模拟分析

模拟是用近似的简化模型或者数据模仿真实的情况，并试图找出简单有效的方法来解决现实中的问题，用于水库堤坝渗漏检测的模拟主要有数值模拟和物理模拟。数值模拟运用水库堤坝已有的监测资料和试验资料，建立三维渗流有限元数值模型，利用该模型进行不同蓄水位的三维渗流计算，反馈分析蓄水后坝体和坝基的渗漏情况。物理模拟是在实验室通过实验模拟真实物理过程，对于数值计算难以处理的复杂情形一般可用物理模拟。物理模拟具有易控、省力、可重复，可进行较全面和规律性实验的优点。模拟分析是渗流检测技术重要的补充。

图4 某检测孔水温—高程曲线图

4.监测资料的分析

水库堤坝的渗漏检测技术中较受欢迎的是监测资料的分析。在水库运行期间，在堤坝边坡适当位置布置观测孔，观测各孔水位，绘制坝址地下水水位线图和三维渗流场图，分析地下水流场，确定不同部位地下水的径流方向，初步判定堤坝下游地下水的来源，进一步判定坝址渗漏部位。选择两个或多个观测孔水位与库水位进行相关性分析，通过孔水位与库水位的关系曲线，判断可能存在的渗漏区域，了解坝基地下水渗流特征及其变化趋势。

5.综合检测技术

上述堤坝的渗漏检测技术在工程实践中有很多成功的应用案例，但由于坝体的渗漏原因多变，渗漏部位尺寸细小，且坝体所处地质条件、填筑材料、填筑密度、含水量等因素对检测结果多有影响，导致渗漏隐患探测难度大。显然，单一不变的检测技术并不能满足准确查明堤坝渗漏原因、确定渗漏位置的要求，因此，对病险堤坝的综合检测技术应运而生，通过各种检测结果的互相验证，可以有效提高准确性。

二、工程应用

1.工程概况

某水库总库容3.14亿m3，正常蓄水位714.0m，设计洪水位719.1m，校核洪水位721.2m。该水库堤坝为混凝土堆石坝，坝顶高程为720.8m。水库通过安全鉴定后开始蓄水，在蓄水至682.0m时，坝端上、下游出现渗漏现象。

2.渗流检测

该工程渗漏检测基于渗漏现象与水库堤坝运行期间监测资料的分析，初步确定可能存在渗漏的部位，进而采用工程地质钻探、水位观测、示踪试验、地下水流速测定、钻孔电视、水温观测及模拟分析等多种手段对坝肩部位进行综合检测，部分检测成果见图1～4，各检测结果大部分具有明显一致性，相互验证了分析结果的可靠性。

三、结语

水库堤坝的渗漏检测技术多种多样，采用单一方法往往具有多解性，且存在精度不高的现象，根据实际情形合理选择、组合探测技术对水库堤坝隐患进行综合检测，各种检测结果相互验证，如果高度统一，则可以说明其高精度与高准确率