郑州“7·20”特大暴雨后常庄水库主坝综合物探分析

赵丽娜，霍吉祥，俞扬峰，周海啸

（1.郑州市常庄水库管理处，河南 郑州 450006；2.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程国家重点实验室，江苏 南京 210029）

1 工程及暴雨概况

常庄水库位于郑州市市区西南的贾鲁河支流贾峪河上，坝址位于郑州市中原区须水镇常庄村。水库控制流域面积82 km2，正常蓄水位130.00 m，死水位118.93 m，水库按百年一遇洪水标准设计、五千年一遇洪水标准校核，设计洪水位131.34 m、相应库容1 102万m3，校核洪水位135.07 m、相应库容1 708万m3。由于水库地理位置非常重要，因此按大型水库管理。主要建筑物包括主坝、副坝、溢洪道、输水洞等，其中主坝原为均质土坝，上游坝坡采用六棱混凝土块护坡，下游坝坡设混凝土框格，其内为草皮护坡，坝顶为沥青路面、高程为135.64 m，最大坝高26 m，坝顶长380 m，坝顶宽8 m。除险加固时在坝体桩号0＋062—0＋380新建塑性混凝土防渗墙，防渗墙中心线在坝轴线上游1 m处，墙顶高程135.64 m，墙厚0.4 m，总长318 m。

2021年7月17日至23日，河南省遭遇历史罕见特大暴雨。降雨过程17日至18日主要发生在豫北（焦作、新乡、鹤壁、安阳）；19日至20日暴雨中心南移至郑州，发生长历时特大暴雨；21日至22日暴雨中心再次北移，23日逐渐减弱结束［1］。7月20日8时至21日8时，常庄水库降雨量达到592.0 mm，超过有水文记录以来的最大值（2005年7月22日降雨量171.2 mm）。暴雨期间常庄水库主坝下游坝坡先后出现多处渗水、塌坑等险情。发现险情后，水库管理处立即上报并采取了应急抢险措施，包括在渗水部位铺设土工布、砌筑反滤井和井内压填中粗砂等，塌坑处铺设土工膜覆盖等。通过抢险，大坝下游坝坡险情基本得到控制。

2 综合物探技术

综合物探技术是采用2种或2种以上物探方法对工程目标进行多角度探测的一种手段［2］。对于大坝内部隐患的综合物探，一般应遵循“先整体后局部、先粗略后精细，各种物探技术互相结合、互相验证、相互补充、相互约束”的探测原则，即探测时首先采用效率高、分辨率低的物探方法对大坝进行整体探测，对隐患部位进行粗略定位，然后再采用分辨率高、敏感度高的物探方法，进行针对性、精细化的探测，同时不同方法之间相互验证、互为补充和约束，从而克服单一方法的多解性和局限性［3］。其中，整体探测多以电磁法类为主，根据目标深度不同可选择探地雷达法或瞬变电磁法，而局部探测多采用电法类的高密度电法，并可结合地震法类的面波法等。如周华敏等［4］在对长江中游某干堤进行泵站管道间脱空或不密实探测时，采用瞬变电磁法与高密度电法相结合的手段进行探测；刘现锋等［5］综合应用探地雷达法、高密度电法及面波法对黄河下游某堤防进行了内部隐患探测；赵汉金等［6］、皮雷等［7］采用瞬变电磁法和并行电法相结合的方式对土石坝渗漏隐患进行了探测。

为了解“7·20”特大暴雨后常庄水库主坝的内部情况，针对主坝上、下游护坡类型及坝顶硬化特点，采用探地雷达与高密度电法相结合的方式进行综合探测。

地质雷达以宽带短脉冲的高频电磁波形式，通过天线由地面送入地下，经目标体反射后返回地面，然后用另一条天线进行接收。通过分析回波波形、路径及电磁场强度等变化可以解译出目标体的位置、特性及分布等。探地雷达法具有信号采集速度快、抗干扰能力强等优点［8］。不同频率电磁波探测深度及分辨率有所不同，本次采用意大利IDS公司生产的RIS型探地雷达，配备400 MHz屏蔽天线，以及美国劳雷公司生产的劳雷工业GSSI型地质雷达，配备100 MHz天线。

高密度电阻率法属于电阻率剖面法，通过测量电极采集地下介质的视电阻率，测量时在地表布设大量电极，并不断调试测量和供电电极，获得不同位置的电阻率数据，将其绘制成像，可直观反映地下异常体和隐患的位置［9］。本次探测工作采用的高密度电法仪器为瑞典ABEM公司生产的Terrameter LS2型电法仪。

3 现场探测及分析

3.1 现场测线布置

按探测方法进行测线布置，包括：①高密度电法测线2条，总计458 m；②400 MHz地质雷达测线34条，总计2 418 m；③100 MHz地质雷达测线42条，总计2 992 m。

按测量部位进行测线布置则包括：①上游坝坡，100 MHz地质雷达测线7条，400 MHz地质雷达测线1条；②坝顶，沿坝轴线方向布置100 MHz和400 MHz地质雷达测线3条（分别位于轴距－2.7、－1.0、2.0 m位置），垂直坝轴线方向布置测线14条；③下游坝坡，高密度电法测线2条，100 MHz地质雷达测线18条，400 MHz地质雷达测线16条。

具体测线布置如图1所示。

图1 测线布置示意

3.2 地质雷达探测结果及分析

以下选取代表性结果进行分析。

3.2.1 上游坝坡

由图2可以看出：①地质雷达探测结果呈现出波形振幅均匀、同相轴连续的特征，下部未见空洞、土体欠密实等不良现象，表明在有效探测范围内，上游坝坡土体均匀、相对较为完整、密实；②在桩号0＋040—0＋048范围内局部位置见有地质雷达波振幅的强反射现象，原因是该处为输水洞启闭平台所在位置，受平台及工作桥排架影响，坝坡表面略有起伏使得雷达天线未能与坡面紧密贴合，从而导致信号异常；③除险加固中为配合输水洞拆除重建，对输水洞上方坝体进行开挖、回填，新、老坝体间填筑质量差异在探测结果中亦有所体现（大致以桩号0＋080为分界线）。

图2 上游坝坡高程126 m、桩号0＋004—0＋200范围内400 MHz地质雷达探测结果

3.2.2 坝顶

坝顶各断面探测结果相似，以平行于坝轴线方向轴距－1 m断面100 MHz雷达探测结果为例，桩号0＋000—0＋400探测结果见图3。

图3 坝顶轴距－1 m断面桩号0＋000—0＋400 范围内100 MHz地质雷达探测结果

由图3可以看出：①除表层受多次路面铺设以及其下碎石垫层的影响存在浅层反射外，坝体内部总体表现出波形振幅均匀、同相轴连续的特征，表明在探测深度范围内总体无明显异常，同时该断面位于坝体防渗墙顶部，可见防渗墙总体连续，与大坝土体结合良好；②在桩号0＋060—0＋104深度2 m范围内，可见地质雷达波振幅的不规则变化，且雷达波的同相轴具有较为明显的错断、分叉、缺失等情况，根据防渗墙施工资料，在桩号0＋062—0＋104.8段为保证防渗墙导向槽口稳定，在其两侧设置混凝土导墙（300 mm×600 mm矩形断面），并浇筑C15混凝土，因此该部位异常可能是混凝土导墙所致；③竖条状强反射与坝顶减速带、渗压计电缆穿线管（镀锌钢管）等部位一致，为这些部位所引起的局部异常。

3.2.3 下游坝坡

下游坝坡各测线探测结果总体相似，分别以靠近一处渗漏点的桩号0＋108断面和靠近一处塌坑的桩号0＋166断面为例，400 MHz地质雷达探测结果如图4所示。

图4 下游坝坡400 MHz地质雷达探测结果

由图4可以看出：①在地表向下一定范围内（浅层），地质雷达波振幅的正负交替变换特征显示浅层土体相对欠密实。这种特征在下游坝坡其他部位400 MHz和100 MHz地质雷达成果图中均可见，仅深度范围随频率不同而略有差异，这主要与不同频率雷达分辨率有关，400 MHz雷达分辨率相对较高，显示欠密实层深度约在1 m范围以内。结合现场条件来看，认为其主要与下游坝坡采用大型混凝土拱形框格＋小型混凝土六棱框格的形式有关，受施工工艺限制，框格内及框格下部浅层土体较原下游坝坡土体密实性差。②浅层以下部分波形振幅均匀、同相轴连续，未见空洞、土体欠密实等不良情况，表明下游坝坡浅层以下土体均匀且相对密实。

3.3 高密度电法探测结果及分析

在主坝下游坝坡布设的2条高密度电法测线，其中测线D1位于下游坝坡高程132 m处（轴距13.2 m），测线D2位于下游坝坡高程128.5 m处（轴距21.8 m）。由于电阻率与含水率、土体密实程度等有关，因此可根据库水位大致估算探测位置处的坝体水位情况。探测期间常庄水库的库水位为121.06～121.07 m，结合坝体渗流监测数据，测线D1和D2测量剖面处水位为115～118 m。下游坝坡高密度电法测线D1探测结果如图5所示。

图5 测线D1高密度电法结果

由图5可知：①测线D1总长284 m，电极距为2 m，电阻率总体呈上高下低的趋势，同一高程位置电阻率在桩号0＋086后变化较为显著，桩号0＋086左侧电阻率相对较小，主要原因是除险加固期间该段坝体开挖回填，土体密实程度相对较高；桩号0＋086右侧为老坝体，因此电阻率呈较好的成层性。②测量段总体浅层电阻率相对较高，尤其是在桩号0＋090—0＋115及桩号0＋150—0＋294范围内，表明下游坝坡浅层土体密实程度相对较低，与探地雷达探测结果相一致，而在对应渗流、塌坑等险情部位，深部未见渗漏通道引起的电阻率异常。

下游坝坡高密度电法测线D2探测结果见图6。

图6 测线D2高密度电法结果

由图6可知：①测线D2总长174 m，电极距为2 m，电阻率总体呈上高下低的趋势，其展布情况与测线D1具有较好的一致性；②与测线D1类似，测线D2亦在桩号0＋090附近及桩号0＋150—0＋180范围内（浅层）呈高阻特征，同样应为浅层土体相对不密实所致，而深部未见渗漏通道引起的探测结果异常。

3.4 综合解译

综合探地雷达及高密度电法探测结果可知，大坝上、下游坝坡及坝顶均未发现渗漏通道，仅下游坝坡混凝土框格施工范围内土体密实度较差，结合大坝渗流监测资料，可认为郑州“7·20”特大暴雨期间常庄水库主坝下游出现的渗水、塌坑等险情并非库水经坝体内部上下游向的渗漏通道渗流出溢引起，而是降雨强度大、下游坝坡浅层土体不密实以及坝面排水能力不足等多种因素使得雨水快速入渗，再从低处“逸出”形成渗水现象，并在局部导致塌坑出现。

4 结 论

采用探地雷达与高密度电法相结合的综合物探手段对常庄水库主坝进行探测，以了解“7·20”特大暴雨对大坝造成的影响以及分析暴雨期间险情发生的原因。探测结果显示，采用综合物探方法可对水库大坝进行全方位多层次隐患探测，而且不同物探方法之间可互为补充、验证，为查明隐患位置、分析险情原因提供充分依据。