水库大坝渗漏探测方法概述

黄世强

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州，311122）

0 引言

水库大坝渗漏是水利水电工程较为常见的问题，大坝渗漏类型众多，状态多样，成因复杂，治理难度较大。水库大坝渗漏不仅影响坝体结构的安全，给水库大坝的运行带来严重的安全隐患，还影响水库正常蓄水和工程效益的正常发挥，大坝渗漏也是导致大坝溃坝的主要原因之一。近年发生的几起溃坝事故都与大坝渗漏有关，如2012年8月10日，浙江岱山县沈家坑水库坍塌，造成10 人死亡、27 人受伤，虽事故原因至今仍未查明，但村民反映溃坝之前水库已出现渗漏；2013年2月2日，乌鲁木齐联丰水库因大坝管涌发生溃坝，造成1 人死亡、18 人受伤；2013 年2 月2 日，黑龙江星火水库因大坝坡脚渗漏、左侧翼墙与土坝结合处渗漏引起溃口事故，溃口段长36 m；2013 年2 月15 日，临汾曲亭水库左岸灌溉洞出现大流量渗漏，2月16日大坝塌陷贯通过水，坍塌近300 m，导致7条客运线停运。

水库大坝渗漏具有一定的隐蔽性，库区渗漏点被库水覆盖，坝基渗漏点深埋坝体底部，坝肩渗漏点位于地下，且工程区地形地貌复杂，坝区干扰因素多，探测难度大。虽然目前探测渗漏位置及通道的方法众多，但还没有通用且十分有效的探测方法。每种探测方法均有其适用性和局限性，并受到场地条件、环境条件、地质条件等制约，特别对复杂的水库大坝渗漏探测，效果并不理想。

1 水库大坝渗漏形式

水库大坝渗漏主要分为孔隙性渗漏、裂隙性渗漏、管道式渗漏等几种形式。孔隙性渗漏是水流透过土石料孔隙间隙产生的渗漏，渗流量的大小主要取决于土石料的颗粒级配及其渗透系数。裂隙性渗漏是水流通过岩体中的节理、裂隙或混凝土的裂缝产生的渗漏，渗漏量的大小取决于节理、裂隙的发育程度或混凝土裂缝的规模及连通性。管道式渗漏是水流通过洞穴、岩溶或溶蚀构造产生的渗漏，渗漏量的大小取决于洞穴、溶洞或溶蚀构造的规模及连通性。

大坝的坝型、材质和结构型式不同，其渗漏病害的形态往往也不同。按大坝渗漏发生的部位，大坝渗漏分为坝体渗漏、坝基渗漏和绕坝渗漏。对于土石坝，坝体的填筑土料和坝基覆盖层都具有一定的透水性，如果坝体心墙破损、坝面开裂，坝基或坝肩防渗帷幕失效、防渗墙破损等，在坝体、坝基和大坝两端地基中均可能产生渗漏；若土坝出现蚁穴、土洞，也会导致大坝渗漏。对于混凝土坝，如果坝体混凝土开裂、止水失效，坝基或坝肩的防渗帷幕破损、存在地质缺陷等，也会形成坝体、坝基或绕坝渗漏。另外，如果水库与库外存在岩溶、裂隙等渗水通道，水库也会出现渗漏。

2 渗漏探测方法及特点

水库大坝渗漏探测一般包括查明渗漏入口和渗漏通道。查明渗漏入口的方法主要有直接观察法、示踪法、压水法和伪随机流场法；探测渗漏通道一般采用物探方法，主要有自然电场法、充电法、高密度电法、示踪法、探地雷达法、瞬变电磁法、激发极化法、大地电磁法、弹性波CT 法等，部分方法还需要钻孔配合。

2.1 直接观察法

渗漏直接观察主要依靠目视、耳听、手摸等直观方法，辅以照相机、摄像机、量筒、卷尺、塞规、裂缝测宽仪等简单工器具。水下检查还应借助水下潜航器或潜水员进行水下观察、摄像检查或探摸。

2.2 钻孔法

在物探异常部位或疑似渗漏部位进行钻孔，通过观察钻取的芯样分析判断是否存在渗漏病害，必要时还应借助钻孔电视摄像。利用钻孔可进行压水法、示踪法、充电法、渗流场法、CT 法等探测，进一步查明渗漏情况。

2.3 压（注）水法

压水法是利用渗漏水通道的逆向性，在渗漏出口安装引水管，通过引水管压入染料水（如红色的高锰酸钾溶液），在压力作用下逆向注入渗漏通道，维持一定压力持续压水直至上游有染料水渗出，渗出部位即为渗漏入口。注水法是指往钻孔中连续注水，使孔内保持一定水位，通过分析注水量的变化，测定不同深度孔段的渗透系数，查明渗漏部位。

2.4 渗流场法

渗流场法是通过测量工程区不同部位钻孔中地下水的流速和流向，进行反演拟合分析建立场区渗流场，根据渗流场的分布特征确定渗漏位置及渗漏通道。

2.5 伪随机流场法

伪随机流场法是通过对渗漏出口供电，在大坝上下游水体中形成人工电场，测定大坝上游库水的电流场分布，分析电流场的异常位置，根据“伪随机”电流场与水流场之间的相关性，确定渗漏入口的位置。

2.6 自然电场法

当地下水通过岩土孔隙时，由于岩土介质的过滤活动性，将沿水流方向形成过滤电场并产生电位差。自然电场法就是通过测量过滤电场的电位差或电位梯度，确定渗漏通道的位置及地下水流向。

2.7 充电法

充电法是通过对渗漏水施加直流电压，使渗水通道形成充电效应，通过测量充电后的场区电位差或电位梯度，分析推断渗漏通道的位置。若在钻孔中投放食盐，充电法还可以测定地下水的流向和流速。

2.8 示踪法

根据示踪剂的来源不同，示踪法分为天然示踪法和人工示踪法。天然示踪法主要有温度示踪法、电导率示踪法和溶氧值示踪法，人工示踪法分为染色示踪法、盐类示踪法和同位素示踪法等。天然示踪法是根据大坝下游渗漏水的水温、电导率或溶解氧浓度与大坝上游库水的相似性原则，分析渗漏水的来源，确定渗漏入口位置。人工示踪法是在水库特定位置或钻孔中投放染料、食盐或同位素示踪剂，在大坝下游各渗漏水点或其他部位检测示踪剂及浓度，分析上游水库与渗漏水的来源关系，确定渗漏入口位置，计算渗流速度。借助钻孔，示踪法可查明渗漏通道的位置。

2.9 高密度电阻率法

高密度电阻率法是一种阵列式的直流电法勘探方法，它以地下介质的电性差异为基础，通过观测不同组合电极的供电电流和电位差，反演计算地下介质的地层结构和电阻率分布，根据含水地层的低电阻率特性，分析判断渗漏通道的位置。

2.10 探地雷达法

探地雷达是通过分析地质界面或地质体的反射电磁波的强度、相位、频率、旅行时间及同相轴形态，探测地下地层的结构、隐伏地质体和地质构造，如岩溶、断层、富水带等，分析地下水的渗漏通道。由于电磁波在土层中衰减较快，故探地雷达在土层中的探测深度相对较小。

2.11 激发极化法

激发极化法是根据地下水的激电效应特性探测地下含水地层，辅助探测地下渗漏通道。

2.12 瞬变电磁法

瞬变电磁法是利用不接地回线向地下发射一次脉冲磁场，通过观测与分析脉冲电流断电后感应涡流产生的二次磁场及变化，分析地下地层结构及电阻率，适用于探测埋深不大、规模相对较大的地下含水地层或渗漏通道。

2.13 频率电磁测深法

频率电磁测深法是通过观测分析不同频率的脉冲交变电源激励地下介质产生的交变电磁场分布规律和衰减特性，探测地下地层结构及岩土电阻率。利用频率电磁测深法可探测埋深较大且规模较大的地下渗漏通道。

2.14 层析成像（CT）法

层析成像法一般包括声波CT法、地震波CT法和电磁波CT法，是通过观测声波、地震波或电磁波穿透地层的走时或振幅，反演重构地层或混凝土介质的结构、波速或衰减系数，探测地下岩溶、裂隙构造或混凝土缺陷，进而分析渗漏通道。CT 法通常需要借助钻孔。

水库大坝渗漏常用探测方法特点见表1。

表1 常用水库大坝渗漏探测方法及特点Table 1 Leakage detection methods commonly used for reservoir dams and their characteristics

3 渗漏探测方法适用性分析

根据常用渗漏探测方法原理，结合土石坝、混凝土坝结构特点，其适用性分析见表2。

表2 常用渗漏探测方法适用性分析表Table 2 Analysis of applicability of common leakage detection methods

当前水库大坝渗漏探测中，探测渗漏入口常用的方法主要有伪随机流场法、示踪法、（逆向）注水法，探测渗漏通道的常用方法主要有高密度电法、自然电场法、探地雷达法等。其中：

（1）伪随机流场法，适用于集中渗漏的、下游出水集中的情形，如坝面破损较大渗漏、土石坝管涌、库区溶蚀通道渗漏等；不适用于探测土石体中的面渗、微小裂缝的渗漏以及下游未见出水点的渗漏。

（2）示踪法，主要采用墨迹示踪、化学示踪、放射性示踪。墨迹示踪使用最多，通过观察渗漏入口、渗漏出口的墨迹确定渗漏入口；化学示踪和放射性示踪因测试手段以及环保等原因很少使用。

（3）（逆向）注水法，适用于检测在混凝土或基岩内的、通道单一的渗漏入口；对于松散的土石体、通道复杂的渗漏不适用。

（4）高密度电法，适用于探测地表相对平整、场地开阔的松散土石体或覆盖层中的渗漏通道；不适用于探测混凝土和基岩中的渗漏，以及场地狭小、地表复杂部位的渗漏通道。

（5）自然电场法，适用于探测地表相对平整、渗漏通道埋深不大、场地游散电流较小的松散土石体中的渗漏通道；不适用于探测混凝土和基岩中的渗漏，以及埋深较大的渗漏。

（6）探地雷达法，适用于探测混凝土或基岩中埋深不大、构造（裂缝）规模较大的渗漏；不适用于探测松散土石体中渗漏通道，以及埋深较大的渗漏通道。

4 工程实例分析

4.1 水工隧洞水下检查

某水工隧洞直径9 m，轴线长度322 m，最大水深200 m。某单位采用水下潜航器检查管道破损及渗漏情况。该水下潜航器在前、后、左、右各搭载一台低照度环境的高清摄像机，并搭载BlueView 900图像声呐。水下潜航器环隧洞内壁进行检查，发现衬砌接缝不平整、细微裂缝、混凝土局部脱落、钙质析出等缺陷50 余处，缺陷大多集中在上弯段与竖井段。隧洞衬砌开裂、剥落缺陷见图1。

图1 某水工隧洞水下潜航器检查图片Fig.1 Image from AUV inspection of a tunnel

4.2 水库渗漏探测

某水电站大坝为碾压混凝土双曲拱坝，坝高77.00 m，正常蓄水位460.0 m。自水库蓄水后，在大坝下游出现多个出水点，最大出水量超过2 m3/s，分析为库水通过岩溶渗漏。某单位采用伪随机流场法进行探测，在大坝上游约3 km 范围内查明30 个渗漏异常点，30 个异常点电流密度范围为20～80，平均值为50，远高于库区背景值。水库降低水位后，经实地调查发现大多为岩溶或溶蚀构造，见图2。

图2 某水库渗漏异常点实地验证结果Fig.2 Field verification of the leakage point of a reservoir

4.3 坝基防渗墙渗漏探测

某水电工程坝基混凝土防渗墙出现渗漏，为查明渗漏部位，在防渗墙布置5只钻孔，孔间距为13 m。在钻孔内进行电视摄像，在钻孔间进行声波CT探测。钻孔电视摄像发现在5 号孔的1.8～1.9 m、3.4～3.6 m 段混凝土开裂，且有渗漏现象，见表3。由于钻孔仅“一孔之见”，无法确定渗漏的范围，结合孔间声波CT探测结果，发现在1号与2号孔之间、4号与5 号孔之间有低声速异常区（红色区），尤其是4号与5 号孔之间的低声速异常尤为明显，且与5 号孔钻孔取芯和电视摄像成果吻合，分析为渗漏区，见图3。

表3 某水电工程坝基防渗墙钻孔电视摄像成果表Table 3 Results from borehole TV for the cut-off wall in dam foundation of a hydropower project

图3 某水电工程坝基混凝土防渗墙声波CT探测成果图Fig.3 Inspection of the cut-off wall in dam foundation of a hy⁃dropower project by sonic CT

4.4 船闸输水廊道渗漏探测

某船闸在放空检查时发现输水廊道侧壁出现渗漏，为查明该渗漏水的渗漏入口，在渗出水点接上水管，用高压水泵把高锰酸钾溶液逆向压入渗漏出口，并保持一定压力持续注入，直至其上部闸室中出现红色液体。最早渗出红色高锰酸钾溶液的部位即为渗漏入口。

图4 某船闸压水法检查渗漏入口Fig.4 Locating the leakage entrance of a ship lock by pressur⁃ized water method

4.5 土坝渗漏探测

某大坝为均质土坝，坝顶长310.0 m，最大坝高9.50 m。由于存在渗漏、洞穴等病害，进行了除险加固处理，但处理后水库仍然渗漏，而且漏水量无明显变化。为查明水库渗漏的位置及通道，某单位采用高密度电法和自然电场法进行探测。

在坝顶上、下游沿坝轴线方向各布置一条高密度电法测线，编号分别为GMD1 和GMD2 线，长度均为297 m；在坝体迎水面和背水面各布置一条自然电场测线，编号分别为ZD1 和ZD2 线，长度分别为238 m和158 m。

GMD1测线的电阻率呈层状分布，上部电阻率较高，下部电阻率普遍较低。在桩号137～189 m段上部电阻率较两侧明显偏低，推测为渗漏及影响带，深度范围为3.9～12.5 m，见图5。GMD2测线电阻率分布与GMD1测线类似，在桩号153～189 m段上部电阻率较两侧明显偏低，推测为渗漏及影响带，深度范围为3.8～11.8 m，见图6。

图5 GMD1测线高密度法成果图Fig.5 Results from resistivity imaging method for line GMD 1

图6 GMD2测线高密度法成果图Fig.6 Results from resistivity imaging method for line GMD 2

ZD1测线的自然电位整体为负值，在桩号97～165 m 之间出现明显的电位低值异常，推测为渗漏带，且靠近渗漏入口一侧；桩号187 m 附近有一个狭窄的低值异常，结合现场情况，确定为钢管影响，见图7。ZD2 测线的自然电位值整体为正值，在桩号109～177 m之间出现了明显的电位高值异常，推测为渗漏带，且靠近渗漏出口一侧，见图8。

图7 ZD1测线自然电场法探测成果图Fig.7 Results from self-potential method for line ZD1

图8 ZD2测线自然电场法探测成果图Fig.8 Results from self-potential method for line ZD2

综合高密度电法和自然电场探测成果，分析渗漏带位于坝体中部桩号120～170 m 之间，距坝顶3.8～12.5 m，对应高程为58.2～49.5 m。

4.6 混凝土面板渗漏探测

某大坝为混凝土面板砂砾堆石坝，坝高110 m，坝顶长337.6 m。河床覆盖层厚度46 m，采用混凝土防渗墙处理，防渗墙底进行帷幕灌浆。大坝建成蓄水后，发现坝后有渗漏水，最大渗漏量值达到357 L/s，超过水库大坝安全渗漏量。某单位采用声呐法观测面板附近和大坝、坝肩观测孔中的渗流矢量，并进行反演拟合分析，得到三维渗流速度分布图，见图9。由图9可以看出，混凝土面板存在两处较大渗漏异常，均位于无黏土覆盖的面板部位。

图9 混凝土面板渗流速度分布图Fig.9 Distribution of seepage velocity on a concrete slab

4.7 水库绕坝渗漏通道探测

某水库大坝为均质土坝，坝顶高程为36.7 m。坝基为冲洪积层和残坡积层，下伏基岩为花岗岩。在排水棱体底部出现多个泉眼渗漏。为查明渗漏通道，某单位采用高密度电法和充电法探测，测线布置如下：①平行坝轴线布置4 条高密度测线，其中背水坡布置3 条高密度测线、迎水坡布置1 条高密度测线；②平行坝轴线布置5 条充电法测线，其中背水坡4条测线、迎水坡1条测线。

4.7.1 高密度法探测成果分析

GM02 测线位于背水坡靠近坝顶，测线长度144 m，在桩号42～48 m存在明显电性界面，分析为坝体与坝肩分界面。在桩号58.5～64.5 m、高程10～15 m 范围，电阻率等值线呈低阻形态，分析为坝体渗漏区，见图10。

图10 GM02测线电阻率断面图Fig.10 Resistivity profile for line GM02

GM03 测线位于背水坡第二马道，测线长度82 m，在桩号65～75 m、高程12～14 m 范围，电阻率等值线呈低阻形态，分析为含水量相对较高区域，见图11。

图11 GM03测线电阻率断面图Fig.11 Resistivity profile for line GM03

GM04 测线位于背水坡第一马道，测线长度79 m，在桩号31～46 m、高程10～16 m 范围，电阻率等值线呈低阻形态，分析为坝体渗漏区，见图12。

图12 GM04测线电阻率断面图Fig.12 Resistivity profile for line GM04

4.7.2 充电法探测成果及分析

L1 测线桩号23～25 m、L2 测线桩号12～13 m、L3桩号12～13 m、L4测线桩号14～15 m 段电位梯度存在零值异常，分析其下部为渗漏区，位置与高密度电法探测成果基本吻合，见图13。

图13 充电法电位梯度曲线平剖图Fig.13 Profile in plan of potential gradient by the mise-a-lamasse method

综合高密度电法和充电法探测成果，分析棱体渗漏通道位于坝体与坝基接触带，为坝体与坝基接触带渗水和坝基砾砂层渗水，靠近坝顶方向的渗漏带宽度约8 m，渗漏带高程为10～16 m，详见图14。

图14 坝体渗漏区平面位置图Fig.14 Leakage area of the dam

4.8 隧洞周边岩溶及溶蚀构造探测

某水工隧洞位于大理岩地层，在近边坡位置岩溶及溶蚀构造较为发育，为查明隧洞周边是否存在潜在的渗漏通道，某单位采用探地雷达法进行探测。

在靠近厂房一侧的隧洞侧壁布置一条长度75 m的测线，采用75 MHz非屏蔽天线进行雷达探测，成果见图15。由图15 可看出，有一条明显的反射电磁波同相轴以小角度与测线相交，分析为溶蚀通道，经钻孔验证溶蚀裂隙，打穿后地下水从钻孔中涌出。

图15 某水工隧洞侧壁探地雷达法探测成果及钻孔验证图Fig.15 Result from GPR method and borehole verification for the sidewall of a tunnel

在该水工隧洞靠近高压管道位置的底板布置一条长140 m的测线，采用75 MHz非屏蔽天线进行雷达探测，成果见图16。由图16 可看出，在桩号40 m、深度42 m 以下有一组双曲线形态的反射电磁波同相轴，分析为岩溶。后经钻孔验证，为半充填溶洞。

图16 某水工隧洞底板探地雷达法探测成果图Fig.16 Result from GPR method for the bottom plate of a tunnel

4.9 水库岩溶及溶蚀通道探测

某水库库区多为碳酸盐岩地层，可溶性极强，岩溶中等或极其发育。某单位采用音频大地电磁法进行探测岩溶，并辅以激发极化法探测溶蚀管道。音频大地电磁法使用EH-4连续电导率成像系统。

在库区4个可疑渗漏区布置了30条共计34.6 km的EH-4测线，其中左岸13条，右岸17条，测线方向与地下水流方向垂直。通过对库区30条测线的探测成果进行分析，共发现大小异常39 处。结合39 处异常的激发极化法探测成果，综合结果如下：

（1）非充填型高阻异常：此类异常有6处，均发育于右岸，规模大小不一，处于地下水位以上，其电阻率大于2 000 Ω·m，如图17所示。结合地质资料分析，推测该类异常为非充填型溶洞。

图17 EH4探测成果图（高阻异常）Fig.17 Results from EH4 detection method(anomalous high re⁃sistance)

（2）管道型低阻异常：此类异常有16 处，其中左岸10 处，右岸6 处，其电阻率小于50 Ω·m，如图18 所示。激发极化探测的视电阻率曲线基本呈明显的K 形，综合半衰时、衰减度和极化率等曲线在异常深度附近均有极大值，且高于背景值，结合地质资料分析，推测该类异常为充填型溶蚀通道。

图18 EH4探测成果图（低阻异常）Fig.18 Results from EH4 detection method (anomalous low re⁃sistance)

（3）非管道型低阻异常：此类异常有17 处，其中左岸9 处，右岸8 处，异常形状各异，高程位于950～1 100 m，电阻率小于100 Ω·m。根据其形态可分为两类：第一类呈封闭状，激发极化探测的视电阻率曲线基本呈明显的K 形，综合半衰时、衰减度和极化率等曲线在异常深度附近均有极大值，但极值小于背景值，分析为溶蚀发育区，有黏土充填。第二类呈层状的低阻形态，分析为三叠系下统夜郎组沙堡湾段碳质页岩。

4.10 防渗帷幕渗漏构造

某水电站下游围堰防渗帷幕线位于中厚层灰岩中，在右岸发育有3条断层（F6、F8和F13），其中F8断层破碎带范围较宽，沿断层带发育溶蚀构造，并形成渗漏通道。某单位利用电磁波CT法探测渗漏通道位置。

电磁波CT 探测发现两处高吸收系数异常区，其中桩号450～467 m 下部区域存在吸收系数为0.26～0.42 dB/m 的高吸收区，结合地质资料分析为K40 岩溶管道；桩号364～467 m 上部区域存在吸收系数为0.16～0.34 dB/m 的较高吸收区，分析为覆盖层堆积体和F6断层影响区，见图19。

图19 某水电站下游围堰防渗帷幕电磁波CT探测成果图Fig.19 Results from electromagnetic CT detection for the antiseepage curtain of the downstream cofferdam of a hydropow⁃er station

5 当前渗漏探测技术的不足

通常库区和坝址区地形不平坦，库区被库水覆盖，大坝内部结构复杂，坝基深埋大坝底部，可供探测作业范围有限，而且水轮机持续振动、高压强电磁干扰和游散电流干扰等，均对探测渗漏的物探方法应用造成较大的制约，或严重影响探测效果。某些物探方法从原理上适用于探测渗漏通道，但受现场条件的制约，探测效果并不理想，或无法取得准确的、可量化的探测结果，或同一种探测方法在不同工程、不同部位、不同地质与环境条件下，探测效果差异很大。现有的探测方法，大多以定性分析为主，“异常”较多，定量、半定量的结果较少，不能满足水库大坝渗漏病害治理需要。

目前，对水库集中渗漏入口的探测相对容易，如岩溶、孔洞、混凝土破损等引起的裂隙性、管道式渗漏；但对散布状渗漏入口探测相对较难，如土石坝孔隙性渗漏。对于渗漏途径复杂的坝体、坝基或绕坝渗漏通道，探测更为困难，如土石坝心墙渗漏、坝基防渗帷幕渗漏等，还缺乏十分有效的探测方法，或需要借助大量钻孔进行，物探方法的无损优势不能充分发挥，甚至因钻孔的制约而无法实施，因此当前水库大坝渗漏探测技术总体上仍存在较大的不足。

6 水库大坝渗漏探测新技术展望

近几十年来，随着科学技术的进步和计算机技术的提高，物探方法得到快速发展，也有大量科研人员潜心研究水库大坝渗漏探测技术，并取得了一些进展，如何继善院士提出的伪随机流场法，在水库集中渗漏、堤坝管涌探测方面取得了较好的效果。但是，鉴于水库大坝渗漏探测的复杂性和困难性，水库大坝渗漏探测技术仍不能满足当前工程需要。展望未来，水库大坝渗漏探测应在以下几方面取得进展：

（1）库区范围广、水域面积大、坝体规模宏大、坝基深埋数十米、数百米高的大坝底部，渗漏通道往往只是一道裂缝、一条裂隙或一个孔洞，探测发现渗漏通道犹如大海捞针，因此需要发展简便、高效、灵敏、精确的渗漏探测方法技术。

（2）水库大坝渗漏探测结果应在“异常”的基础上提出定量、半定量的指标，以便更加准确、有效地指导水库大坝病害评价和治理。