大坝渗漏探测新技术联合应用

孙红亮，张宏达

(四川中水成勘院工程物探检测有限公司，四川 成都 610072)

截止目前，我国已建成各类水库大坝9.8万座，居世界第一[1- 2]。据统计数据，全国241座大型水库发生的约1000宗工程事故中，渗漏管涌事故占31.7%[3]。据我国溃坝事故统计，由质量问题导致溃坝事件共1146起，其中有675起是由渗漏病害引起，占58.9%[4]。

渗漏探测可正确分析渗漏问题并做针对性的封堵及防渗处理，对保证水利水电工程蓄供水效益和堤坝安全具有重要意义。目前常用的大坝渗漏探测方法主要包括：传统物探地震法、电法、电磁法类，以及其他研究的伪随机流场法、温度场反分析法、示踪法等。渗漏探测新技术的发展趋势主要是，在已有的理论基础上提高数据计算处理技术以及在新型智能堤坝渗漏探测水下机器人系统方面的研发及应用。

通过伪随机流场法快速圈定渗漏异常区域，引进三维多波束声呐测深系统进行高精度地貌特征扫描，并通过研发智能水下机器人系统自动喷墨系统，实现代替潜水员作业的复杂水下环境精确示踪及高清视频直观观测。三种新方法及新数据处理技术的联合应用，形成电、声、视一体化渗漏探测体系，解决了大坝渗漏探测速度慢、精确低和多解性的难题。

1 探测方法分析

1.1 伪随机流场法

伪随机流场法是中国工程院何继善院土提出的找渗漏管涌入水口的特殊电法类新方法，用恒定电流场来拟合微弱变化的水流场，通过测量电流场空间分布来确定渗漏水流场。采用该方法对坝体迎水面的渗漏入水点检测[5]，检测防渗墙及基岩渗漏区域并推断其渗漏通道、指导灌浆施工[6]，效果较好。

本文采用伪随机流场法具有测量速度快、高分辨率和强抗干扰能力的技术优势，利用RTK进行精确平面定位，快速圈定渗漏异常区域。但不能进行精确的高程测量，特别是对于蓄水时间较久的库区，水下地貌变化较大，无法判断检测异常对应的水工建筑高程位置，为资料的解译带来了困难。

1.2 三维多波束声呐测深

三维多波束声呐测深系统利用超声波原理工作，是一套多传感器复杂组合的海洋测绘系统，集现代信号处理前沿技术、高性能程序计算技术、高分辨率图像拟合技术、高精度定位导航技术等一体化，可实现快速、高分辨率、高精度的地貌特征测量。近几年引进该海洋测绘方法在水利水电工程水工建筑物冲刷破坏检测[7]、库区滑坡蓄水稳定性评价[8]应用效果较好，但尚未有该方法试用在渗漏探测方向的相关案例。

库区渗漏异常区域经长时间的渗漏，地貌特征将会发生明显的变化，主要表征为不均匀局部或整体沉降变形，在变形较大的区域可能形成错台、垮塌等，因此本文结合厘米级高精度的水下三维点云数据进行渗漏区域的综合异常对比分析。

1.3 水下机器人系统

目前水下检测大部分工作由潜水员携带专业检测设备来完成，但是水下环境复杂，不明情况多，存在较大的风险性。水下机器人系统近年20年来在军事及民用领域均有了长足的发展，可适应长时间、大水深、高海拔作业[9]。

本文通过研发自动喷墨示踪系统，结合高清视频观测及水下精确定位功能，实现对渗漏异常的精确查找及定位，并进行定点示踪检测和视频观测，近距离直观观测判断渗漏入水点位置的渗漏情况。

2 联合应用分析

电、声、视联合应用整体思路为：伪随机流场法可检测渗漏异常平面位置，三维多波束声呐测深系统探测水下三维坐标数据，两种方法联合应用，快速圈定渗漏异常三维范围及特征，而后采用水下机器人系统进行定点观测验证。

2.1 电、声联合应用

利用伪随机流场法快速、高效的技术优势，联合三维多波束测深系统，可解决伪随机检测数据高程模糊缺陷。坐标系统数据采用三维多波束高精度点云数据，数据强度大小采用伪随机数据强度变化，联合进行数据建模分析。

联合电、声学先进的渗漏检测方法，可在短时间内完成水下探测任务，初步完成异常区域快速圈定。平面和高程的三维坐标数据精度均可达厘米级，结合伪随机流场法异常强度信息进行数据模型建立，实现渗漏异常区域的精确定位与定量分析。

2.2 水下机器人验证

受水下光线及内陆河流水质影响，水下视频观测范围有限，且水下渗漏流速较小，需要定点长时间观测，因此水下机器人代替潜水人员进行渗漏异常区域的大水深、长时间直观观测验证效果最佳。

为适应内陆河流水下检测，采用水下机器人系统包含：①水下定位装置，根据异常区域坐标圈定范围进行精确查找定位，避免长时间的无用功巡航；②自动喷墨示踪装置，专门根据渗漏检测需求研发，在可能渗漏通道入口处定点释放示踪剂；③条带性LED均匀光源及高清摄像设备，使水下观测面积更大、自然光无色差、观测区域亮度均匀一致，高清摄像设备实时记录观测示踪剂在渗流作用下被带入通道的影像，直观判断渗漏通道入口。

3 工程特征分析

3.1 工程背景

某电站工程等别为Ⅱ等工程，工程规模为大(2)型，电站枢纽主要由粘土心墙堆石坝、两岸泄洪洞和右岸引水发电建筑物等组成。

工程于2011年8月开始蓄水，首台机组2011年10月投产发电。2013年3月，下游距坝轴线约448m、距坝脚下游约200m右岸河道发现渗水，对应坝桩号约0+240。涌水初期流量约5L/s，至2013年4月涌水区地面发生塌陷，流量增至约200L/s，且有较多的灰黑色细颗粒涌出。涌水点附近出现地面开裂、河床塌陷等变形。

坝前库区平面布置图如图1所示，桩号0+200纵剖面设计图如图2所示，由图1—2可见，坝前库区主要包含：坝体迎水面，桩号(坝)0+0—(坝)0-107.64；压重平台，桩号(坝)0+107.64—(坝)0-285.86，压重平台顶面高程与原上游围堰顶高程一致。

图1 坝前库区平面布置图

图2 桩号0+200坝前纵剖面设计图

3.2 典型工程特征

3.2.1伪随机流场法探测成果

采用伪随机流场法对近坝库区进行渗漏检测，探测成果平面色谱图如图3所示，渗漏异常区域平面分布图如图4所示。

由图3—4可见，伪随机流场正常场测值在2～5mV，异常场测值在15mV以上，异常极大值甚至可以达到60mV以上，正常场与异常场差异非常明显，渗漏异常区域判定清晰。近坝库区渗漏异常区域基本可划为存在3个区域，分别为上游围堰轴线区域、左岸边坡与坝体交界区域、左岸边坡区域。

图3 探测成果平面色谱图

图4 渗漏异常区域平面分布图

3.2.2三维多波束声呐探测成果

近坝库区三维多波束声呐探测水下地貌平面图如图5所示，纵剖面实测图如图6所示，由图5—6可见：

图5 渗漏异常区域平面分布图

图6 桩号0+200纵剖面实测图

(1)近坝库区水下地貌完整清晰，各部位特征反映明显，与设计图基本一致。

(2)坝体迎水面整体呈1∶2斜坡状，坝体无明显的沉降、变形等，在水边区域、压重与坝体接触部位局部存在淤积。

(3)上游围堰轴线呈现明显的凸起状态，上游围堰轴线下游侧压重Ⅰ区约35m范围内，整体高程低于设计高程，压重Ⅱ区整体高程与设计高程基本一致。

3.2.3电、声联合应用

采用三维多波束测深坐标数据作为基准，采用伪随机信号异常强度作为赋值进行数据处理，模型图如图7所示。由图7可见，伪随机测试异常区域明显集中在上游围堰轴线区域、左岸边坡与坝体交界区域、左岸边坡区域，其中上游围堰轴线区域存在明显的地貌异常。对上游围堰轴线区域进行局部纵向比例尺放大分析，如图8所示。由图8可见，上游围堰下游侧区域明显呈陡坎状，压重区高程呈缓坡状向下游方向上升。

图7 联合数据处理成果图

图8 局部区域纵向比例尺放大

电、声联合应用说明，上游围堰轴线下游侧区域存在深层的绕坝渗漏，沉积细颗粒物质可能已经被下渗水流带走而形成陡坎。

3.2.4水下机器人验证

对可疑渗漏源区域进行水下机器人验证，包括：上游围堰轴线区域、左岸边坡与坝体交界区域、左岸边坡区域三处。

(1)上游围堰轴线下游侧区域典型成果图如图9所示。高清摄像可见，该区域连续性发育直径为10～20cm的凹陷，存在明显地表异常区域；喷墨示踪法显示，墨汁未见明显向下入渗，红色墨汁缓慢向四周扩散，说明该区域渗漏通道较长、入渗缓慢，入渗吸引力不足以引起示踪剂下渗；水压系统显示，围堰轴线下游侧高程明显低于设计高程0.6～1m。

图9 上游围堰轴线下游侧区域

(2)左岸边坡与坝体交界区域典型成果图如图10—11所示。高清视频可见，该区域存在明显裂缝，呈张开贯通状，分为上下两部分，上部区域为直径在5cm左右圆形渗洞，下部区域为浆砌石接触缝隙，张开约2～3cm、长度20cm左右；喷墨示踪法显示，示踪剂明显下渗，渗漏特征明显。

图10 左岸边坡与坝体交界区域(上)

图11 左岸边坡与坝体交界区域(下)

(3)左岸边坡区域典型成果图如图12所示。高清视频可见，边坡区域为踏岸碎石堆积区，该碎石堆积区表面无泥沙沉积；喷墨示踪法显示，示踪剂明显向碎石内部入渗，墨汁未向四周库水扩散，说明该区域渗漏明显，表层沉积泥沙均被渗漏水流带走。

图12 左岸边坡区域

4 结语

结合相关工程实践效果验证，电、声、视一体化的渗漏探测新技术联合应用系统，实现了从整体到局部、从高精度三维数据定量认知到高清视频直观定性观测相结合的功能，达到快速、高效并直观判断大坝渗漏目的。建立三维精度达厘米级渗漏点云数据模型，可解决大坝渗漏探测速度慢、精确低、多解性的难题，也可代替潜水员在复杂水域从事长时间、高海拔、大水深探摸作业，具有成本低、效率高、有效规避潜水作业安全风险等多方面优势，是一套切实可行、行之有效的新技术联合应用体系。