基于高密度电法探测与渗流监测的土石坝渗漏隐患综合研判

黄昊冉，吴云星，2，冯春燕，谷艳昌，2，庞 琼，2，周稳忠，2

(1.南京水利科学研究院大坝安全与管理研究所，江苏 南京 210029;2.水利部大坝安全管理中心，江苏 南京 210029；3.宜兴市横山水库管理所，江苏 宜兴 214200)

1 研究背景

据2018年全国水利发展统计公报，我国已建成各类水库98 822座，总库容8 953亿m3，其中大型水库736座，中型水库3 954座，小型94 132座，其中土石坝数量占比达93%以上[1]。我国自1954年有较系统的溃坝记录以来到2014年，61年间共发生水库溃坝3 530起，在已溃决的水库大坝中绝大多数是土石坝[2]。土石坝的安全问题与溃坝失事一直都是高度关注的问题。张建云等[3]对3 230座病险水库的病害问题进行研究，发现存在渗流稳定不足的病险水库达2 344座，占比72.6%。由此可知，大坝渗漏是水库大坝的常见病害之一。土石坝渗漏病害可分成4类，即坝体渗漏、坝基渗漏、接触渗漏及绕坝渗漏，其主要表现形式有大坝运行后长期存在渗漏、管涌、散浸、沼泽化、流土等[4]。土石坝如果出现渗漏问题，若没有及时发现与处理，则病害将会进一步发展，甚至可能导致溃坝，将造成巨大的经济损失和人员伤亡。

对于水库大坝的渗漏探测，传统方式为现场检测，通过钻探取样，分析芯样判断是否存在渗漏病害。但这种方法耗时较长且具有破坏性，其结果仅能说明单点的情况。当渗漏发生在内部时，无法知晓渗漏通道的大致位置，这将增大钻探的工程量。随着综合物探方法的发展，电法勘探逐渐应用。电法探测自20世纪诞生以来，经过不断地完善与发展，已成为探测土石坝渗漏隐患的最常用方法[5]。与传统电阻率法相比，高密度电法由于其成本低，效率高，信息丰富，解释方便，且电极一次布设完成，能获得丰富的关于地电断面结构特征的地质信息[6]，使得其从最初应用于水源与矿产资源寻找，逐渐发展成为可应用于水利水电工程中水库大坝隐患探测的一种无损探测方法。王传雷等[7]将高密度电法应用于长江堤坝坝体电性随长江水位变化研究中，提出使用高密度电法来监测堤坝隐患的发展；宋先海等[8]用高密度电法对大幕山水库进行渗漏安全隐患探测，结果表明高密度电法能够查明土石坝渗漏通道位置或进行疑点提示；刘海心等[9]对高密度电法的4种装置即单极-单极、偶极-偶极、温纳、温施装置进行对比研究，研究认为探测渗漏时，温纳装置对低阻异常分辨效果更好且抗干扰能力强。

由此可见，高密度电法在水库大坝渗漏隐患探测中发挥了重要作用。在实际工程中，高密度电法得出的反演结果往往需要结合钻孔成果综合分析，以此达到更加准确判别渗漏通道位置的目的。而正如前文所述，钻孔耗时长，具有破坏性，考虑大部分水库大坝设有渗流压力监测项目，而进行渗流监测所使用的测压管本身即为一种钻孔形式，如果能结合渗流压力监测数据进行辅助分析，将提高检测效率。本文以某水库检测实例，采用高密度电法中的温纳法进行渗漏隐患探测，运用Res2dinv3.54程序对探测结果进行模型反演和成果后处理，并结合地勘资料、渗流压力监测资料综合分析，查明主要渗漏通道的空间位置与发育规律。

2 工程概况

2.1 水库概况

某水库大坝为均质土坝，总长4 090 m，呈八字形布置，其中主坝长840 m，东副坝长1 067 m，西副坝长2 183 m，坝顶高程均为42.10 m，最大坝高24.10 m，坝顶宽8.10～8.45 m，防浪墙顶高程均为42.90 m。

2.2 坝基工程地质条件

坝基自上而下分为第四系松散层(粉质粘土层、砂卵砾石层)与J3侏罗系火山岩。

(1)第四系松散层。东副坝地段为河流阶地，地基土呈二元结构，上部粘性土分布较稳定，厚10 m左右，仅在溢洪闸东侧小河处厚度较薄，小于1.5 m，下部砂卵砾石层厚4～5 m，顶板高程17.00 m左右；主坝地段主要为河漫滩，上部粘性土很薄，砂卵砾石层顶板高程16.00～18.00 m，厚3～6 m，砂卵砾石层基本上出露地表；西副坝地段由一系列孤山小丘组成，地形起伏不平，高程26.00～42.00 m，地基土为坡残积黏性土，未见河床砾石。

(2)J3侏罗系火山岩。大坝下伏基岩主要为侏罗系上统龙王山组(J31)、大王山组(J3d)火山岩，岩性主要为角闪石英粗面安山岩、凝灰岩、辉石石英粗面安山岩、流纹岩等；次为次火山岩，岩性为角闪石英粗面安山斑岩。岩质坚硬，巨厚层状～块状构造。①主坝位于开阔的“U”形河道上，基岩面高程12.00～14.00 m，基岩强风化带厚一般1～4 m。基岩之上为厚3～6 m的砂卵砾石层，该层顶部有厚约0.5～1 m的土层，土层之上为坝体填土。②东副坝地段为阶地及古河道，基岩顶板高程12.00～15.00 m，全、强风化带厚2～5 m。基岩之上依次为厚2～5 m的砂卵砾石层，厚8～15 m的土层及厚5～10 m坝身填土。③西副坝地段为基岩残丘，地形起伏不平，基岩顶板高程在26.00～42.00 m之间，全、强风化层厚2～4 m，基岩之上为坝体填土。

2.3 大坝渗漏情况分析

2.3.1 坝体填筑材料

坝体土取自坝址附近山坡覆盖层，土性为杂色粉质黏土、轻粉质壤土、重粉质壤土、重砂壤土等，坝体中局部还有膨胀性土。根据2000年～2001年除险加固阶段和2014年安全评价阶段工程地质勘察资料，坝体填土料源杂，由重粉质壤土、粉质黏土、重壤土，杂轻粉质壤土、细砂、安山岩屑等组成，厚度5.40～25.10 m。坝体填土夹有大量风化岩块与砂卵砾石等，土质不均匀，加之碾压质量控制不严，物理力学指标和渗透性具有明显差异性和随机性。坝体填土渗透系数一般在10-5～10-6cm/s之间，少数试段为10-3～10-4cm/s。部分钻孔渗水量较大或注水试验孔内不返水，说明坝身存在较多孔隙和孔洞。

2.3.2 历史渗漏情况

水库运行过程中，主坝段桩号1+400和1+600左右及东副坝桩号0+830～0+900处下游坡面均出现洇水、漏水现象，个别出逸点还出现过浑水，说明局部已发生渗透破坏；西副坝坝体大部分尚未接触到库水位，未能反映出渗漏问题。

1999年汛期，库水位34.00 m时，主坝段下游坡面发现大范围的窨潮、渗水现象，坝脚发现一个直径6 cm的漏水洞，个别逸出点出现浑水现象(主坝桩号1+400、1+600下游坝坡24.00 m高程附近窨水漏水面积为70×5、67×5 m2。

自除险加固竣工以来，大坝下游坡窨潮、散浸范围大幅度缩减，但局部仍存在散浸。2016年，水库经历了长期高水位运行，西副坝大坝渗漏情况呈现增加趋势，当库水位34.00 m以上，西副坝1+950～2+000下游面30 m平台以上多处出现散浸、渗水现象，坝体内部传出水流声。

3 高密度电法探测及数据处理

3.1 基本原理

高密度电法即高密度电阻率测深方法，是一种阵列式的直流电探测方法，其基本工作原理是以岩土体的电性差异为基础，可进行二维地电断面测量，兼具剖面法和测深法的功能，是进行地层划分、探测隐伏断层构造、岩溶空洞以及地质滑坡体等的一种有效手段[10-11]。高密度电法根据人工电场作用下地下不同电阻率的地质体表现出的电流分布规律，推断地质体的赋存情况。和常规电阻率法工作原理一样，高密度电法通过A、B电极向地下供电流I，测量M、N极间电位差ΔV，从而可求得M、N之间的视电阻率值(见图1)。根据实测的视电阻率剖面，进行计算、分析，便可获得地下地层中的电阻率分布情况，从而可以划分地层，判定异常。视电阻率值的计算公式为

图1 高密度电法工作原理

(1)

(2)

式中，ρs为视电阻率；K为电极装置系数；ΔV为观测的电位差，V；I为供电电流，A；AM、AN、BM、BN均为电极距，m。

3.2 探测装置

3.2.1 高密度电法系统组成

高密度电法系统主要包括数据采集和数据处理2个部分，如图2所示。

高密度电法在现场数据采集时有多种采集装置，采集装置类型不同采集数据的精度也不同。本次探测采用温纳装置，其竖向探测精度高而被广泛采用，其电极排列如图3所示。电极顺序依次是A、M、N、B。数据采集时主机控制电极距AM、MN和NB大小相等。测试时主机将测试剖面划分为若干测量点，根据测量点所在深度，选择电极系中对应电极对该测量点进行数据采集，对应电极距为AM=MN=NB=na(n=1，2，3，…)。采集完成进行相邻测量点数据采集，至整个剖面数据采集完成。温纳装置采集的数据可以形成一个倒梯形的断面。

图3 温纳装置电极排列及测量次序

3.2.2 探测仪器

设备方面采用瑞典ABEM公司生产的Terrameter LS 2，该仪器是一种先进的自电位(SP)、电阻率(RES)和时域激发极化(IP)数据采集系统。ABEM Terrameter LS 2型数据采集系统标配为81道，测试电缆电极距5 m，适合电极距5 m以下，测深为测线长度的17%。

3.3 探测方案

根据该水库坝体特性及下游坡历史散浸情况，在西副坝1+800～2+200、主坝1+110～1+510、主坝1+487～1+887、东副坝0+390～0+790的下游坡平行坝轴线方向各布置3条测线，分别位于坝顶下游侧41 m高程、下游坝坡一级马道36 m高程、下游坝坡二级马道30 m高程，共布置12条测线，每条测线均长400 m、电极数81个、电极间距5 m。

3.4 数据反演处理

3.4.1 反演处理方法

岩土材料的电阻率与其成分、风化程度、是否浸水等因素有关，当坝体或坝基存在渗漏水时，电阻率明显降低，出现低阻异常区域，这是高密度电法探测坝体渗漏情况的物理基础。地下淡水的电阻率一般为10～100 Ω·m[12]，结合本次高密度电法探测结果，规定小于20 Ω·m区域为低电阻异常区，该区域可能存在渗漏隐患。

采用Res2dinv 3.54程序对探测结果进行模型反演和成果后处理，数据反演采用基于平滑抑制的最小二乘优化算法。以主坝1+110～1+510与1+487～1+887处的检测成果为例，结合地勘资料与渗流压力监测资料，对反演成果进行分析，以查明大坝主坝坝段潜在的渗漏隐患。

3.4.2 反演图像

主坝1+110～1+510与1+487～1+887处分别布置3条测线，由上到下分别为坝顶下游侧41 m处、下游一级马道36 m处和下游二级马道30 m处，其反演电阻率图像如图4所示。两次探测时，库水位高程分别为28.93 m与28.47 m。

4 大坝渗漏隐患研判

4.1 高密度电法探测渗漏隐患分析

由图4可知，本次探测的两组测线区域内均存在多处低阻异常区(红圈所示)，其位置高程见表1。沿坝轴线方向低阻异常区呈现间隔分布，并未贯通，结合2.3节中坝体填筑质量可知，坝体填土不均匀，密实度不足，可能存在孔洞，含水量偏高；根据同一测线段处41 m高程、36 m高程和30 m高程处的电阻率反演图像可知，低阻区在上下游方向存在关联性，表明坝体存在上游向下游的渗漏通道，见表1。

表1 2组测线区域内各探测断面的低阻区位置

4.2 渗流安全监测资料分析

根据渗流压力监测资料，在2组测线范围内各存在1个渗流监测断面，分别位于1+343与1+643处，其位置见图4虚线处，2处测压管当时实测数据见表2，其断面渗流压力过程线见图5。

图4 不同位置的反演电阻率图像

图5 1+343、1+643断面渗流压力过程线

表2 1+343、1+643断面测压管水位人工测值 m

在1+343断面位置，由反演图像可知，坝顶下游侧(41 m高程)处低阻区高程范围约为21～26 m，实测水位23.235 m；下游一级马道(36 m高程)处低阻区高程范围约为22～27 m，实测管内水位为26.275 m；下游二级马道(30 m高程)处低阻区范围约为21～23 m，实测管内水位为22.746 m。在1+643断面位置，由反演图像可知，41 m高程处低阻区范围约为23～28 m，实测水位27.301 m；36 m高程处低阻区范围约为20～26 m，实测管内水位为19.990 m；30 m高程处低阻区范围约为20～23 m，实测管内水位为20.161 m。可见两组测线区域内的低阻区高程分布范围与测压管水位现场测量结果较为一致，印证了高密度电法的探测结果。

从本次渗流压力现场实测数据来看，在1+343处，36 m高程处的测压管水位较41 m高程处的测压管水位高，但从渗流压力过程线可知，1+343-3除了少数时间测值发生跳变，测压管内水位高于1+343-2，大部分时间其测值均低于1+343-2，总体上1+343断面渗流压力水位高程随着渗流路径在降低，这与高密度电法反演图像反映的情况一致，即低阻区高程从上游向下游逐渐降低，符合大坝渗流一般规律。

4.3 大坝渗漏隐患综合分析

在2组测线探测范围内，根据现场检测情况得知，1+110处位于泄洪闸左侧，而1+150～1+190范围内存在低阻异常区，推测可能存在泄洪闸与坝体接触渗漏通道。西涵洞(1+790)位于1+487～1+887测线范围内，由反演图像可知，1+760～1+800处30 m高程断面地表以下约6～16 m(14～24 m高程)存在明显的低阻异常区，可知西涵洞周边土体含水量稍高，表明西涵洞周边可能存在接触渗漏通道。

5 结 语

(1)根据大坝地质资料、运行表现和高密度探测结果，表明大坝坝体填土碾压不实、局部存在孔洞，土体含水量偏高。

(2)经高密度电法探测结果分析，大坝坝体存在多处集中的低阻异常区，低阻异常区高程变化与渗流监测数据反映的结果较为一致。坝体与泄洪闸和西涵洞接触部位周边区域表现为低阻异常，初步推断存在接触渗漏通道。

(3)结合前期的地质勘察资料、渗流监测资料和测压管的现场实测，印证了高密度电法探测结果的正确性，并且通过多种资料综合研判，发现了大坝潜在的渗漏问题。

(4)本次探测与分析，主要基于高密度电法反演结果与渗流监测结果。在有条件情况下，建议采用多种无损探测手段，如地质雷达等，通过多种方法印证，提高探测结果的准确性。