综合物探方法在水库大坝渗漏探测中的应用

胡 雍，吴 奇

(1.深圳市水务规划设计院股份有限公司，广东 深圳 518000；2.深圳市水务科技发展有限公司，广东 深圳 518000)

0 引言

根据2021年4月27日经济日报报道，截止目前，我国现有水库9.8万多座，其中大中型水库4700多座、小型水库9.4万座，80%以上修建于20世纪50-70年代[1]，反映了我国水库堤坝数量多，大部分堤坝的建设年代也较久远，水库堤坝在运行过程中，随着时间的不断推进，其安全情况也在逐渐变化，特别是在受到外界条件(如暴雨、蓄水、冰冻、风浪冲刷、洪水、地震等)扰动时，堤坝及各水工建筑可能出现不同程度的隐患，也将影响堤坝的安全运行。同时水库大坝作为国家水网构建的重要结点，是国家水资源配置和供水保障体系中的重要一环，也是连接自然水流系统与经济社会系统的重要桥梁，水库大坝安全也是国家水网高质量安全发展的重要基础。大坝渗漏是大坝安全首要解决的问题[2]，也是最为常见的水库大坝病害类型[3]，大坝渗漏的类型众多，状态多样，因地质条件不同、施工过程不同、天气气象不同、人为管理不同，导致渗漏病害的成因复杂性，给水库大坝的运行带来了严重的安全隐患[4]，特别是在高水位蓄水期，大坝渗漏问题令水库管理部门苦恼不已。因此，研究如何快速、准确的探测出水库大坝渗漏问题的方法和手段是一项有意义的工作。单一的物探方法，因其本身的局限性和适用条件，很难全面、准确地提供出渗漏隐患的空间分布位置以及进行成因分析[5]。

为此，本文通过分析水库渗漏区域的场地条件，采用了多种无损物探方法进行实地勘探，并搜集了建坝时的历史资料和近期的大坝安全鉴定地质资料进行综合分析，最后利用钻孔示踪的方法对渗漏通道进行验证，从而确定了渗漏通道的位置和走向，为大坝的除险加固提供了支撑依据。

1 工程概况

深圳某水库位于深圳东部，是一座中型水库，水库枢纽工程包括1座主坝(1#坝)和15座副坝，以及4条输水管，16座坝坝型均为当地风化料均质坝加土工膜防渗，输水管型式为坝下压力埋管。集雨面积3.46km2，正常蓄水位66.0m，总库容2659万m3，兴利正常库容2450万m3，水库16座坝均质土坝，总长2968m，最大坝高28m。水库担负着原水调蓄、城市供水和防洪抢险，还可通过泵站与主体水源工程进行水量调蓄。

本文以其中一均质土坝为研究对象，上游坝坡采用土工膜防渗，坝长为164.5m，最大坝高为25.0m，坝顶宽度为6.0m，高程68.0m。坝顶设防浪墙，迎水面为钢筋砼面板护坡，坝坡坡度为1：2.75，1：3.0；背水坡设一级马道，马道上下坡度均为1：2.5。坝脚设置排水棱体，最大高度为3.0m。2019年2月28日，水库水位62.83m，水库运维单位发现大坝存在渗漏现象。为查明渗漏通道及坝体可能存在的潜在隐患，保障水库的长期运行，现场采用多种物探方法进行探测并综合分析。

2 综合物探方法及测线布设

2.1 综合物探方法

根据探测对象的物理特性差异(表1)[6]以及本次探测的工作目的，本次采用了高密度电法[7-8]、充电法[9]、探地雷达法进行综合探测[10]。

表1 常见介质物理参数

坝体湿润区、岩体破碎含水区、密实坝体间存在明显的视电阻率差异，为采用高密度电法、充电法查明渗漏通道提供了地球物理基本前提条件。土体不密实区、土体湿润区与密实土体间存在着明显的介电常数差异，为地质雷达法初步查明是否存在土体相对不密实区提供了地球物理基本前提条件。

2.2 测线布设

针对不同的探测目的，作出如下测线布置测线布设图如图1所示。

图1 测线布设图

(1)在水库蓄水前(水位高程64.05m)，在坝脚、马道与坝脚间、马道旁、坝顶、迎水面、左右坝肩布置了7条高密度电法剖面和1条AMN单边三极剖面(与GM3重合)，在背水坡及坝下泉眼附近布置了15条充电法剖面，在背水坡布置了10条探地雷达剖面。

(2)在水库蓄水后(水位高程65.04m)，在坝顶布置了一条高密度电法监测剖面。

3 成果分析与验证

3.1 高密度电法资料解释

各高密度电法剖面反演成果图2-11所示。

图2 坝脚GM1剖面高密度电法反演成果图

图3 坝脚与马道间GM2剖面高密度电法反演成果图

图4 马道旁GM3剖面高密度电法反演成果图

图5 马道旁GM3剖面AMN单边三极电法反演成果图

图6 坝顶GM4剖面高密度电法反演成果图

图7 迎水面GM5剖面高密度电法反演成果图

图8 左坝肩GM6剖面高密度电法反演成果图

图9 右坝肩GM7剖面高密度电法反演成果图

从各剖面反演成果图及对应的充电法探测成果，逐条分析可知：

(1)坝脚GM1剖面：距剖面起点GM-1A 32.3～39.5m范围内，高程在38.5m以下范围内存在ρs(视电阻率，下同)低值异常，结合此处充电法探测结果，推测此处低值异常为渗漏通道范围；距剖面起点GM-1A 29.5～30.5m范围内，高程在43.0～44.5m范围内存在ρs低值异常，考虑其为浅部表层异常，且其旁侧存在排水沟，排水沟底板破损，推测此处低值异常为土体相对不密实、排水沟雨水下渗引起。

(2)坝脚与马道间GM2剖面：距剖面起点GM1-2A 31.0～38.5m范围内，高程在38.5m以下范围内存在ρs低值异常，结合此处充电法探测结果，推测此处低值异常为渗漏通道范围；距剖面起点GM1-2A 25.0～30.5m范围内，高程在41.5～46.5m范围内存在ρs低值异常，充电法未在此范围内出现零值点，且其高程高于漏水点高程(漏水点出水特征为向上冒水)，且未见坝脚棱体有漏水痕迹，考虑该剖面工作前几天天气连续降雨，推测其应为土体相对不密实、湿润的低值异常；距剖面起点GM1-2A 56.0～59.0m范围内，高程在44.0～47.0m范围内存在ρs低值异常，考虑充电法未在此范围内出现零值点，低值异常范围平面位置位于左侧排水沟旁，同时考虑该剖面工作前几天天气连续降雨，推测其应为旁侧山体富水引起的低值异常。

(3)马道旁GM3剖面：距剖面起点GM1-3A 74.0～108.0m范围内，高程在51.5～54.7m范围内存在ρs低值异常，其高程与GM1、GM2对应的渗漏通道高程无法对应，且低阻异常在水平方向上呈现层状、串珠分布，推测此处低阻异常应为土体相对松散、湿润引起；从AMN单边三极反演成果图中可以发现，在距GM-3A 99.3～113.9m范围内，高程在40.5m以下范围内存在ρs低值异常，结合此处充电法探测结果，推测其为渗漏通道范围。

(4)坝顶GM4剖面：距剖面起点GM-4A 136.0～157.2m范围内，高程在42.5m以下范围内存在ρs低值异常。在此处低值异常范围内，结合此处充电法探测结果，推测此处低值异常为渗漏通道范围。

(5)迎水面GM5剖面：距剖面起点GM-5A 85.5～109.0m范围内，高程在45.0m以下范围内存在ρs低值异常。结合此处充电法探测结果，推测此处低值异常为渗漏通道范围；距剖面起点GM-5A 105.8～114.0m范围内，高程在57.5～59.5m范围内存在ρs低值异常，以及距剖面起点GM-5A 123.8～135.0m范围内，高程在56.0～60.0m范围内存在ρs低值异常，同时此处迎水坡混凝土护坡裂缝较多、缝宽较大，推测两处低阻异常为护坡破损使坝体湿润所致。

(6)左坝肩GM6剖面、右坝肩GM7剖面：无坡脚渗漏特征，排除绕坝渗漏。

(7)坝顶监测剖面GM8：将GM4剖面及GM8剖面在同一种视电阻率色彩条内显示，如图10-11所示，对比可知，蓄水后底部低阻区域明显变大，表明库水位上升，使得坝底浸润范围加大，侧面证实了坝底建基面附近存在渗漏现象。

图10 坝顶GM4剖面高密度电法反演成果图(对比分析)

图11 坝顶GM8剖面(监测剖面)高密度电法反演成果图(对比分析)

3.2 探地雷达资料解释

LD-3A-LD-3B剖面：距剖面起点LD-3A 17.2～57.0m范围内，深度3.7～6.7m(对应高程50.8～53.8m)范围内，反射波同相轴不连续，错断，同时局部有多次强反射信号，推测为土体相对松散。对比高密度电法剖面GM3可知，与距剖面起点GM3-1 74.0～108.0m范围内，高程在51.5～54.7m范围内存在ρs低值异常吻合较好，进一步证实了该区域内土体相对松散异常。其他雷达剖面未见明显异常，如图12所示。

图12 LD-3A-LD-3B剖面地质雷达图像

3.3 充电法验证及钻孔验证

根据搜集到的大坝平面布置图显示，左坝和右坝坝顶附近分别有排水暗管、排水暗沟将原泉眼与坝底褥垫排水层相连。

通过分析马道旁GM3剖面及马道与坝脚间GM2剖面可知，在右坝排水暗沟相应位置未发现低阻异常，说明右坝泉眼出水量较少，甚至几乎不出水。

为验证左坝泉眼是否仍在排水，在褥垫排水层与排水棱体连接部位附近采用背包式钻机进行钻孔(ZK2)后，采用充电法对钻孔处进行充电追踪。通过布置的5条充电剖面显示，褥垫层与泉眼连线方向存在零值点，零值点连接线以曲线形式朝右坝方向弯曲，证实了泉眼仍在向外排水。

为验证物探成果，在大坝背坡及排水沟中布置了8处钻孔，各钻孔位置及高程见表2。

表2 钻孔布置统计表

根据钻孔揭示资料及投红示踪(对ZK2-ZK4投红)情况，可以揭示坝下土体有松散，但排水沟底漏水点主要还是坝基局部(物探成果划定区域)散浸汇聚后集中上涌所致。

3.4 综合物探成果分析

综合分析高密度电法、充电法、地质雷达资料以及钻孔验证、充电法验证、搜集的地质钻孔资料，得出以下结论：

(1)从高密度电法GM2～GM3剖面以及对应的充电法成果可知，左坝段泉眼仍在出水，但出水量不大，泉水经排水暗管引流至褥垫排水层排出。右坝段泉眼出水较少，几乎不出水。

(2)结合GM1～GM8剖面，大坝坝体左坝段局部存在渗漏通道，渗漏方式为沿建基面附近散浸，在背水坡坡脚汇聚，漏水主要为库水。散浸区域走向如图1(粉红色线围合的范围)所示。

(3)从高密度电法剖面及探地雷达探测剖面可知，大坝坝体局部存在土体不密实区域。特别是，马道GM3剖面距起点GM3-1 74.0～108.0m范围内，高程在51.5～54.7m范围内存在范围较大的土体相对松散区。

4 结语

(1)水库大坝渗漏成因复杂，单一物探方法解译成果的多解性和方法本身的局限性和适用性较难准确的查明渗漏隐患成因，综合物探方法可以相互补充、相互印证，综合分析后可以得到较为准确的结果。

(2)本文以深圳某水库大坝渗漏为应用对象，通过联合采用高密度电法、充电法、探地雷达法、钻孔验证等多种手段，查明了大坝渗漏的原因及其散浸通道，并查出了坝体内部的土体相对松散区，为水库管理部门提供了决策依据，也为除险加固提供了技术支撑。

(3)在进行物探资料解释时，要多方面搜集大坝建成资料以及近年的地质资料，为物探成果的资料解释提供依据。