渗漏探测应用研究

刘康和 童广伟 赵楠 李国瑞

据不完全统计，我国现有各种堤防27万km，水库大坝9.8万余座，这些水利水电工程在发挥巨大的经济、社会、生态等效益的同时，因受到各种环境及人文因素的影响使其遭受损坏甚至垮塌危险，其中渗漏是主要因素之一。渗漏不仅影响水利水电工程蓄供水效益，而且直接威胁堤坝的安全。根据国内外统计资料，渗漏问题引起的失事事故占失事工程总数的40.5%。因此，对渗漏入水口、渗漏通道、渗漏出水口、渗漏量的精准探测，可为正确分析评价出现的渗漏问题并进行有针对性的封堵及防渗处理，保证水利水电工程的蓄供水效益和堤坝体安全具有重要的现实意义。

1 渗漏成因

要准确地进行渗漏探测，首先应该对水利水电工程产生渗漏的机理及成因有一定的认识，以便有针对性地开展探测工作。经综合分析后认为天然地质缺陷、整治施工中的质量缺陷、生物破坏引起的洞穴和各种裂缝，以及修建堤坝或抢险口门时人为的薄弱环节是引起渗漏的主要原因，具体如下。

1.1 地基基础原因

（1）包括水库库底、堤坝基存在透水岩层，或透水岩性带，如沿松散层产生的孔隙型渗漏、沿基岩裂隙或构造破碎带等产生的裂隙型渗漏、沿岩溶或溶蚀裂隙产生的溶隙——管道型渗漏等。

（2）基础防渗处理缺陷，如铺盖出现裂缝、地下截渗墙质量差等。

1.2 堤坝体原因

（1）建设期存在质量缺陷，包括设计不合理、施工填筑材料不佳、碾压不密实、混凝土坝段接缝差以及混凝土与填土（即软硬结合面）接触处压密不实等。

（2）运营期出现的问题，包括堤坝裂缝、沉降变形、滑坡、坍陷、隆起、抢险口门等，白蚁、老鼠、獾子等形成的洞穴，混凝土材料的老化脱落、钢筋锈蚀，堤坝中涵管出现破裂、错位、脱节等现象。

1.3 堤坝与基础接触原因

（1）两坝（堤）肩与基础或其他建筑物接触部位结合不够紧密，如山区中的水库大坝、河流的拦河坝以及输水工程的渠堤与渡槽或倒虹吸的接触渐变段等部位出现较多，容易出现散浸，有时也形成集中渗水通道。

（2）堤坝体下部基础面施工时处理不好、清基不彻底、齿槽未按设计开挖等而形成渗漏；在混凝土坝中，由于温度应力引起混凝土开裂，也可能出现多处集中渗水通道。

2 渗漏探测内容与目的

（1）已知渗漏出水口（点）时，应首先探测渗漏出水口（点）与库水或渠水的连通情况，然后查明渗漏入水口（点）的位置、规模、范围、深度等，以便于及时采取相应措施进行渗漏入水口（点）的封堵及加固处理。

（2）探测渗漏入水口（点）与渗漏出水口（点）之间的渗漏通道，分析判断是堤坝体中，还是堤坝基础，还是结合部位存在渗漏通道以及渗漏对周围介质的破坏情况，以便对渗漏通道进行截渗封堵并对其破坏的材料或介质进行加固处理。

（3）在库水或渠水出现明显渗漏，但渗漏入水口（点）、渗漏通道、渗漏出水口（点）并不十分清楚，此时应先探测渗漏通道，然后追踪渗漏出水口（点），最后测定渗漏入水口（点）的位置及范围，为加固设计及处理提供依据。

（4）对水利水电工程中存在的洞穴、裂缝、松软层、沙层、溶蚀破碎带、软硬结合部位脱空等渗漏隐患探测，以便对已发现的渗漏隐患位置或段（点）加强现场观察，增加巡视频次，加强监测密度，并及时反馈情况，保证水工建筑物的正常运营。

3 探测方法选择

堤坝（堤坝体、基础及相关部位）渗漏均是由于其防渗结构受到破坏，导致物理场发生变化，出现异常，从而为各物探方法的应用提供了前提条件。一般渗漏体与周围正常介质的物性参数为：

（1）渗漏体（区）（包括渗漏管涌通道或含水裂缝）：电阻率50～150 Ω·m，有时更低；相对介电常数40～80；纵波波速600～1 500 m/s；多存在过滤电场和激电效应。

（2）周围正常介质：电阻率500～2 000 Ω ·m；相对介电常数1～10；纵波波速1 800～2 600 m/s；一般不存在过滤电场和激电效应。

依据探测对象的不同，建议方法如下：

（1）针对库水或渠水的渗漏入水口（点）的探测方法主要有：伪随机流场法、直流充电法、人工交流电场源磁测法、水下机器人摄像技术、水下探地雷达法等。

（2）针对渗漏入水口（点）与渗漏出水口（点）之间的渗漏通道的探测方法主要有：高密度电法、直流充电法、自然电场法、激发极化法、探地雷达法、瞬变电磁法、地震映像法、面波法、人工交流电场源磁测法、核磁共振法、同位素示踪法等。选用探测方法时应注意水工建筑物类型与材质的不同。

（3）针对渗漏隐患的探测方法主要有：直流电阻率法、自然电场法、瞬变电磁法、探地雷达法、弹性波法、温度场法、同位素示踪法等。

（4）当有钻孔（含专门研究性钻孔及排水孔、观测孔、渗漏检查孔等）可以利用时，采用的探测方法主要有：孔间CT法、同位示踪法、钻孔全景数据成像、超声成像测井、声波测井、温度场法、孔内充电法等。

不管哪种物探方法都以所要探测的对象与周围介质间存在某种物性差异为基础，同时考虑探测对象所处的客观环境条件、水工建筑物的类型、填筑材料及其空间尺寸、物理性质和特征参数等，以及对探测深度和分辨率的不同要求，在把握各种探测方法的共同本质和差异的前提下，提取渗漏探测的典型检测信号特征，选用合适的探测方法及组合，进行“联合”探测与分析。

4 工程实例分析

4.1 刁河渡槽下游渐变段渗漏探测

刁河渡槽下游槽身下方附近可见明水流出，渗漏严重，渗漏量最大为39 L/min，折合每日漏水量约56.2 m3。为此，运管单位及时对刁河渡槽槽身实施缝体修复，但渗漏水未见消失，后经现场查看发现渐变段第5接缝水上裸露部分呈现明显的错动现象，其他接缝未见明显异常。综合分析认为：该渗漏出水点为渡槽与明渠渠道连接渐变段渠水渗漏所致。建议进一步加强观测，尽快查清渠内漏水点，及时采取相应措施处理，并加强对附近渠道两侧的巡查，发现渗漏水现象及时处理。

为查清渐变段水域范围内的渗漏水点的位置与范围等，建议采用流场法、直流充电法进行探测。

综合分析流场法和充电法探测结果认为：刁河渡槽右联第9跨槽身下方附近渗漏水主要来源于渡槽与明渠之间连接渐变段中的第5伸缩缝和第6伸缩缝的渗漏异常区，如图1所示Ⅰ#异常区、Ⅱ#异常区。其中Ⅰ#异常区的具体范围为：以水面左边线为起点，沿第5伸缩缝向渠中心2.3～15.5 m范围内和第6伸缩缝向渠中心2.6～19.5 m范围内以及第5缝与第6缝之间的渠道边坡与底板连接缝圈定的区域内；Ⅱ#异常区的具体范围为：以水面右边线为起点，沿第5伸缩缝向渠中心2.6～14.0 m范围内和第6伸缩缝向渠中心2.4～22.2 m范围内以及第5缝与第6缝之间的渠道边坡与底板连接缝圈定的区域内。

图1 刁河渡槽下游渗漏综合探测成果解释图

后经水下机器人查看确认：所圈定的Ⅰ#异常区、Ⅱ#异常区内的接缝止水带均已损坏，局部未见止水带存在（已被水流冲走），所以形成渠内渗漏入口。

该处渗漏水产生的主要原因：由于第5伸缩缝至第6伸缩缝之间渐变段混凝土衬砌板在上游接缝处（第5伸缩缝）存在明显沉降现象，势必影响第6伸缩缝防水防渗效果，致使该混凝土衬砌板上下游2个伸缩缝产生渗漏，推测其渗漏水沿混凝土衬砌底板与基础脱空处向右侧运移，然后再沿渐变段的软硬结合部的微小间隙向渡槽下部流动，直到渡槽右联第9跨槽身下游端的支撑渡槽的混凝土桩边流出地表，并形成一定流量的渗漏水。

4.2 七家营水库坝后渗水探测

七家营水库大坝基本建成并蓄水至高程1 244 m时，发现坝下游排水棱体渗水明显，渗水在排水棱体处汇聚成流，沿排水沟向左侧汇聚并流向下游。从现场看，渗流分为水平渗流和上涌渗流两种。

为查明大坝渗透原因及渗漏通道的分布规律，特进行专门性渗漏勘察综合研究（包括地质、物探、钻探、试验等），其中选用的物探方法有：高密度电法、直流充电法、自然电场法、地震折射波法、全景电视成像、声波测井、温度场测试等。

根据物探测试成果，可得坝体地下水位分布特征，其中水位高程三维等值曲面如图2所示；水位高程等值线如图3所示。

图2 坝0+030—0+420、下0+005—0+051间地下水位高程曲面图

从图2和图3可知：（1）从坝上到坝下水位高程逐渐降低；（2）坝体内水位呈两侧高中间低的趋势，在坝0+030—坝0+200和坝0+350—坝0+540段坝体水位偏高。（3）垂直坝轴线方向，部分测段水位高程在下降过程中有向上凸起现象。

图4为渗漏通道探测综合成果图，所测渗漏通道基本沿着自然电场法所揭示的低电位区域延伸。

图3 坝0+030—0+540、下0+005—0+051间地下水位高程等值线图

图4 渗漏通道综合成果图（图中等值线为自然电位曲线）

综合分析实测成果可得：

（1）沿坝轴线方向坝体内水位整体呈中间低、两侧高的态势，坝顶部位纵向地下水位最大高差约4 m，说明渗漏水体在坝顶部位沿坝轴线方向连通性差。

（2）黏土心墙下游侧从坝上到坝下水位逐渐降低，并在排水棱体处基本趋于一致，说明渗漏水流在渗漏的过程中逐渐扩散。

（3）地面综合物探测得地下水位多较相应部位钻孔揭露的水位低，并且低于防渗墙的顶界面高程，说明钻孔揭示水位为击穿局部隔水层后形成的混合水位，高于实际地下水位，黏土心墙基本不渗水。此外，在坝0+081处S2孔附近测得水位高于防渗墙顶部，且从坝顶的坝0+013—坝0+120到排水棱体处的坝0+021—坝0+200区间内自然电位值较低，推测该区间在防渗墙与黏土心墙接触部位存在渗漏通道，并且渗水量较大。

（4）基岩上部破碎-完整性差岩体中裂隙走向多为NE20°～NE30°，坝轴线为SE143°，裂隙的发育方向由坝上到坝下主要是自坝右向坝左；而所测渗漏通道的轴线走向，自坝上到坝下约有53%从坝右向坝左偏移，约24%垂直坝轴线方向，约有23%从坝左向坝右偏移。渗漏通道走向与基岩中的裂隙走向存在一定的正相关性。

（5）部分自然电场法测得的低电位异常在排水棱体处未见明显出水，高密度电法测试成果也显示部分低阻异常的中心埋深较大，推测这些部位渗漏通道埋深较大，水库渗漏出水在地下向下游方向运移。

（6）坝0+500—坝0+620段自然电位值低于有明显渗水出露处的电位值，结合前期成果及钻孔资料分析推测是由于岩性变化和渗漏造成水位埋深变浅所致，之所以渗漏水未出露于地表，是因为该部位地势较高，并在施工过程中被碎石土掩埋，渗漏水在地下排泄。

（7）钻孔测试结果显示，混凝土防渗墙内存在裂隙、破损、孔洞、离析和脱空等现象；基岩中未见明显灌浆痕迹，上部基岩主要为较破碎-完整性差岩体；黏土心墙内未见明显的渗漏迹象。

综上所述，在当前运行工况下，库水渗漏主要是由防渗墙混凝土缺陷、防渗墙与基岩胶结较差和坝基较破碎岩体帷幕灌浆效果较差，局部混凝土防渗墙与黏土心墙接触部位存在缺陷等所致。

渗漏通道走向：①坝0+000—坝0+060渗漏通道由坝上到坝下基本垂直坝轴线；②坝0+060—坝0+170渗漏通道由坝上到坝下多数从坝左向坝右偏移；③坝0+170—坝0+240渗漏通道由坝上到坝下基本垂直坝轴线；④坝0+240—0+480渗漏通道由坝上到坝下多数从坝右向坝左偏移。

从坝顶的坝0+013—坝0+120到排水棱体处的坝0+021—坝0+200区间内渗水量较大。渗水从坝顶到坝下呈喇叭口状扩散。部分渗水未在排水棱体处排出，而在坝基以下向下游方向渗流。

5结语

（1）渗漏探测应在综合分析设计、地质、水文、监测资料的基础上，结合水工建筑物类型、渗漏区域场地的客观实际条件和地球物理特征，选择有效的物探方法进行综合探测，必要时进行钻探和试验工作，以查明渗漏入水口（点）、渗漏通道沿线的埋藏条件、水动力特征和渗流特征，渗漏出水口（点）的高程、类型、水量及动态变化等，并提出防渗处理范围和深度的建议。

（2）目前，应用于渗漏探测的物探方法种类较多，但没有能比较全面地解决各类问题的一种方法。对于很多问题只有采取多种方法综合探测，获取尽可能多的信息数据，并采用合理的工作流程，才能起到事半功倍的效果。

（3）了解各渗漏异常区域随时间变化的趋势，开发利用物探测试方法进行堤坝渗漏安全预警的四维无损检测的方法，可为判断渗漏入水口（点）及渗漏通道随时间的发展变化情况、检测防渗处理效果等提供依据，为堤坝安全提供预警。

（4）探测信息及数据的处理结果，直接影响到堤坝渗漏特征的分析判断，提高对各种探测方法正演理论和反分析方法的研究是渗漏分析判断的核心内容，需要采用不同探测方法的数据采集和处理方式，建立多重影响因素下的耦合正演理论方程，进行三维和四维的数据采集处理和非线性反演技术研究，将是我们今后努力的方向。