综合物探在防水灾中的应用——以某尾矿库大坝渗漏为例

龙思帆 王显光 陈海波 徐子桥

引言

在各类大坝隐患中，渗漏隐患危害较大，主要表现为坝体渗漏、坝基渗漏及绕坝渗漏。目前，探测大坝渗漏点的技术方法有很多，一般是通过地球物理资料反演间接推断坝体、坝基的含水信息，再推测渗漏介质和渗漏途径。目前在大坝渗漏检测中比较成熟的物探方法主要有直流电阻率法、充电法、同位素示踪法，较新的方法有瞬变电磁法、微动勘探等。

充电法可以用于探测渗漏通道及追索地下暗河，异常突出，且一般不受地貌条件影响，但受浅表径流及游离电流影响较大。瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Methods，TEM），是辅助地下水勘查可行和有效的方法，该方法勘探深度大、分辨能力强、受地形影响小，能够为物探找水工作提供有价值的含水层分布信息，比如在充水岩洞、直立导水断层等水害源异常表现明显，但低阻异常从浅层到深层贯通，有拖长现象。微动勘探作为一种新兴的物探手段，应用范围正逐步拓展，通过微动线性点阵剖面测量在某水库大坝渗漏检测实例中取得较好效果 （贾惠涛等）。综合运用多种地球物理方法，相互验证，排除假异常，对于探寻细微的渗漏通道是极为必要且有效的，本次采用以上物探勘查方法，大致圈出了大坝的渗漏通道，为防水灾发生及渗漏治理提供了依据。

库区概况

（一）库区基本情况

安徽某尾矿库位于庐江县境内，是一座三等山谷型尾矿库。庐江地区气候属亚热带湿润季风气候，年平均气温15.8℃，四季分明，降水丰富，周边有合铜黄高速公路，合九铁路，周围有几个村民组，库区内有简易小路通往村外公路，附近交通便利。该尾矿库坝体由主坝、1#副坝、2#副坝等组成，坝体结构均为不透水堆石坝，内坡面设HDPE防渗土工膜防水，坝体铺砌预制混凝土块，库区按照全防渗设计。其中1#副坝坝轴线地面标高介于44.8～74.1m，坝顶长度约152m。

2021年9月，有村民反映1#副坝外下游有渗水现象，随后应急及村镇相关部门现场进行了踏勘，发现1#副坝坝脚处能看见明显渗水现象（参见图1），于是组织开展勘查工作，以提前做好防灾减灾工作，保护村民的人身财产安全。

（二）库区地质背景

本区地处大别山余脉之东延部分和滁巢褶皱带山地西南缘的衔接部位，为起伏不平的低山丘陵地形，山顶较浑圆，山坡较平缓。库区地形大致为三面环山，西、北、东三面山势连续。根据收集到的库区及附近的区域地质资料，库区内未发现有影响场地稳定的大的地质构造（断层破碎带），库区内也未发现全新世活动断裂带。已发现三处小破碎带分别在南侧主坝位置、东南侧主坝的坝基、坝址北部2#副坝。1#副坝位置未发现较大的破碎带。

（三）库区工程地质

根据工程地质调查，该库区原生地层主要以火山岩为主，地基土上部主要由第四系残积坡积和冲洪积的黏性土所组成，下部基岩为上侏罗系安山岩、闪长斑岩等组成。从上到下大致分3层（参见图1）。

图1 库区概况图

（1）第四系粉质黏土层（Q4），主要由黏性土组成，微透水性。

（2）安山岩层主要矿物成分为斜长石、角闪石、云母等，分上中下三层。上层（J3l-1）中风化，中等透水；中层（J3l-2）强风化，中高等透水；下层（J3l-3）中风化，微透水。

地球物理勘查工作

（一）探测原理及数据处理

充电法：采用人工方法对被探测的对象进行充电，测量和研究被探测对象等电位场的分布及其特征，达到解决地质问题的目的。根据电场理论，在均匀各项同性地下空间下充电椭球体上方，延测线上任一点的电位U是与测点距充电球体距离倒数1/R、电流I呈正相关的（参见图2），公式为：理论上做归一化处理后的“R·U/I”曲线，会在良导体（渗水通道）上方出现曲线峰值，由此可初步推测渗水通道。

图2 充电椭球体理论模型

微动探测技术：从微动信号中提取面波（瑞雷波）频散曲线，通过对频散曲线反演获得地下介质的S波速度结构，以探查地质构造的物探方法。通过S波速度在不同深度层次的高低变化，进行介质分层及构造识别。本区S波速度相对低值区可能是坝体破碎带、含水裂隙等的反映。

瞬变电磁法：利用不接地回线向地下发送一次脉冲磁场，在间歇期间用另一回线或探头接收由地下地质体受激励引起感应二次场，根据二次场衰减曲线的特征（其中低阻地质体感应二次场衰减速度较慢，二次场电压较大），以判断地下地质体的电性特征、规模等。

（二）剖面分析

充电法在探测地下良导体，追索渗漏通道异常反应明显，施工方便，是一种成熟有效的方法，所以先采用充电法对坝体和坝体东南侧山体全部勘查，然后坝体部分再补充微动、瞬变电磁勘查。三种方法相互验证，在剖面分析中如果三种方法都有较大异常反应，则推断为可能性较大渗漏点；反之，有异常但三种方法反映程度不一致的，推断为可能性较小渗漏点。

现将坝体上4条勘查剖面（由坝体内至外分别编号为1～4号剖面）的充电法成果、微动成果、瞬变电磁法成果进行对比分析、综合解译，再结合已有的地质资料，初步推测了坝体范围内渗水通道的平面位置和埋深情况。4条剖面分析如下：

1号剖面分析（图3）：1号剖面位于迎水面中部坝肩处。充电法“R·U/I”曲线（红色）与U/I曲线（蓝色）形态相近，有两处较大异常，但在210～216点的异常“R·U/I”曲线反应更明显。瞬变电磁TEM等值线图中，在充电法有异常反应的地方也基本有低电阻异常显示，其中在108～120点异常反应不明显，在200点附近异常较明显。微动明显的低速异常在108～130号点、209～216号附近，与充电法的两处最大异常位置基本吻合。微动两处大异常深度点基本在强风化安山岩层内。综合三种物探方法和地质剖面，推断了W1-1、W1-2、W1-3三处可能性较大异常，W1-4、W1-5两处可能性较小异常。

图3 1号剖面综合物探解译图

2号剖面分析（图4）：2号剖面位于坝体坝顶平台处。充电法“R·U/I”曲线与U/I曲线形态整体上有一定差异，在250点之后U/I曲线衰减过快，可以看出经距离校正后的“R·U/I”曲线（红色）更符合实际，其在142～144点、199～203点、240～249点有峰值异常显示。但整体上异常幅值不大，推测坝顶标高较高，渗漏通道在充电法曲线上反映比较微弱。瞬变电磁TEM在坝顶两侧有铁栏杆干扰，等值线图浅层数据失真，在238～250点附近虽视电阻率值并不算低，但等值线连线近乎直立，似小断裂反应。微动明显的低速异常在240～250号点附近，高程主要在55～80m，纵跨强、中风化安山岩层。综合三种物探方法和地质剖面，推断了W3-1、W3-2、W3-3三处可能性较大异常，W2-4、W2-5两处可能性较小异常，其中W2-1、W2-2两处异常，充电法峰值正对在微动高低速分界面的位置，这可能是圈定异常上方低阻地层的分流作用对充电法的影响。而且推测异常W2-3在强风化安山岩层内有向220点延伸连通的可能性。

图4 2号剖面综合物探解译图

3号剖面分析（图5）：3号剖面位于坝体背水面坝肩处。U/I曲线受距离影响大，已影响异常判定。“R·U/I”曲线划分异常点较多，主要异常区块为114～118点、167～179点、189～199点（异 常幅值大）。瞬变电磁TEM剖面在117点、176点、192点附近视电阻率曲线弯折厉害，异常明显，与充电法、微动对应较好。微动三处明显的低速异常区块基本与充电法三处明显异常一一对应，两者吻合较好。综合三种物探方法和地质剖面，推断了W3-1、W3-2、W3-3三处可能性较大异常，W3-4、W3-5两处可能性较小异常。而且推测W3-2、W3-3可能有一定连通性。

图5 3号剖面综合物探解译图

4号剖面分析（图6）：3号剖面位于坝体背水面坝脚处。充电法“R·U/I”曲线与U/I曲线形态相近，其中“R·U/I”在112点有一较小异常，在144～154点附近有一处较大异常，在线头100处有极大值，推测小号点延伸方向有异常。该剖面未做瞬变电磁TEM。微动在60～70点，高程50m左右圈出异常W4-3，此处像是一个漏斗的漏口，与充电法异常位置（144～154点）一致。在8点，高程50m附近圈出的异常W4-1，位于充电法小号点延伸方向，说明两种方法也吻合。另微动还圈定了W4-4、W4-5两处可能性较大异常，而且推测异常W4-3、W4-4有极大的可能性是连通的。对比其他测线，4号剖面圈出的异常区块波速度更低，反映出渗漏更明显。

图6 4号剖面综合物探解译图

（三）渗水通道推测

以上围绕坝体开展了4条多方法综合物探勘查，另外充电法还施工有CD1线、CD7线及CD11～CD18线，结合现场实际，最终绘制了推测的渗漏通道空间分布图（图7）。

图7 推测渗漏通道空间分布图

主渗漏通道（即通道B、通道C）基本上是剖面可能性较大漏点的主要串联线，平面上看通道B近似直连了已知的渗水点（SL3）与漏水点（SL0），通道C则基本近似坝体与山体接触带的走向线，这符合水力特征，与实际吻合也较好。渗漏点SL1、SL2水量较小，同时坝内未发现漏水点，所以次通道A的漏水源可能是大坝也不排除是大坝西侧山体。从4号剖面的微动成果来看，通道B、通道C分别穿过W4-3、W4-4，两处异常区块紧邻，不仅速度低、高程近、面积还大，同时东侧山体还有渗漏汇入。考虑到大坝水位在68m，该W4-3至W4-4片区高程在50m左右，堆土范围内已知的渗漏水点高程平均在48m左右，因此在图7中推测了该片区为严重渗漏区。

推断的山体内的渗水通道，仅根据充电法推断，未能标识宽度和埋深。但推断的山体渗水通道有多处向坝体汇聚的点，这与“示踪试验”工作中发现堆土区（SL3片区）几个渗水点的氯离子浓度不一致，且SL3渗水量大于坝体已知漏点SL0的漏水量的情况相吻合。

结论与认识

（1）从以上综合分析得出，主要大的异常点都靠近坝体与其东南侧山体的接触带上，这些点串联成了通道C（及通道B），说明该渗漏通道可能是由坝体与山体的接触部分不密实、裂隙或防水未做好等引起。同时通道C（及通道B）上大部分异常点高程基本在50～60m，亦主要在强风化安山岩内或强、中风化安山岩界面附近，说明渗水通道主要在透水性好的强（中）风化安山岩内。渗水片区SL3的水源除了来自B、C通道外，东侧山体也有渗水汇入，该水源可能来自山体内部，也有可能由大坝内（可能CD1线209点附近）渗入，但现场未发现渗漏点。通道A的渗漏较弱，其漏水源可能来自大坝也不排除是大坝西侧山体。

（2）本次充电法根据理论曲线特征，计算“R·U/I”参数，初步验证经“距离校正”的“R·U/I”曲线比传统的U/I曲线更能凸显单纯由地下渗水通道引起的异常，说明这种校正方式简单而有效。微动方法在本次渗漏通道勘查中取得了突出效果，微动圈定的异常不仅在平面位置上与充电法等高度吻合，而且能较精确地显示深度信息，值得推广。

（3）该区物探工作结束后为了不破坏防渗膜而开展钻孔封堵验证实验，在3号剖面的118点附近布置了钻孔开展水泥注浆，注浆后SL1附近的渗漏点已不见水流出，初步证明物探推测结果较可靠。而B、C渗漏通道漏水较严重，在极端强暴雨等情况下，大坝易发生安全隐患，治理则较复杂需多方审慎研究。

（4）本次综合运用充电法、瞬变电磁法、微动方法，多种地球物理方法相互验证，对探寻细微的渗水通道取得了较好效果，大致圈出了大坝的渗漏通道，推测了渗漏原因，为防灾减灾做了技术支撑。