滲漏探測應用研究

劉康和 童廣偉 趙楠 李國瑞

據(jù)不完全統(tǒng)計，我國現(xiàn)有各種堤防27萬km，水庫大壩9.8萬余座，這些水利水電工程在發(fā)揮巨大的經(jīng)濟、社會、生態(tài)等效益的同時，因受到各種環(huán)境及人文因素的影響使其遭受損壞甚至垮塌危險，其中滲漏是主要因素之一。滲漏不僅影響水利水電工程蓄供水效益，而且直接威脅堤壩的安全。根據(jù)國內外統(tǒng)計資料，滲漏問題引起的失事事故占失事工程總數(shù)的40.5%。因此，對滲漏入水口、滲漏通道、滲漏出水口、滲漏量的精準探測，可為正確分析評價出現(xiàn)的滲漏問題并進行有針對性的封堵及防滲處理，保證水利水電工程的蓄供水效益和堤壩體安全具有重要的現(xiàn)實意義。

1 滲漏成因

要準確地進行滲漏探測，首先應該對水利水電工程產生滲漏的機理及成因有一定的認識，以便有針對性地開展探測工作。經(jīng)綜合分析后認為天然地質缺陷、整治施工中的質量缺陷、生物破壞引起的洞穴和各種裂縫，以及修建堤壩或搶險口門時人為的薄弱環(huán)節(jié)是引起滲漏的主要原因，具體如下。

1.1 地基基礎原因

（1）包括水庫庫底、堤壩基存在透水巖層，或透水巖性帶，如沿松散層產生的孔隙型滲漏、沿基巖裂隙或構造破碎帶等產生的裂隙型滲漏、沿巖溶或溶蝕裂隙產生的溶隙——管道型滲漏等。

（2）基礎防滲處理缺陷，如鋪蓋出現(xiàn)裂縫、地下截滲墻質量差等。

1.2 堤壩體原因

（1）建設期存在質量缺陷，包括設計不合理、施工填筑材料不佳、碾壓不密實、混凝土壩段接縫差以及混凝土與填土（即軟硬結合面）接觸處壓密不實等。

（2）運營期出現(xiàn)的問題，包括堤壩裂縫、沉降變形、滑坡、坍陷、隆起、搶險口門等，白蟻、老鼠、獾子等形成的洞穴，混凝土材料的老化脫落、鋼筋銹蝕，堤壩中涵管出現(xiàn)破裂、錯位、脫節(jié)等現(xiàn)象。

1.3 堤壩與基礎接觸原因

（1）兩壩（堤）肩與基礎或其他建筑物接觸部位結合不夠緊密，如山區(qū)中的水庫大壩、河流的攔河壩以及輸水工程的渠堤與渡槽或倒虹吸的接觸漸變段等部位出現(xiàn)較多，容易出現(xiàn)散浸，有時也形成集中滲水通道。

（2）堤壩體下部基礎面施工時處理不好、清基不徹底、齒槽未按設計開挖等而形成滲漏；在混凝土壩中，由于溫度應力引起混凝土開裂，也可能出現(xiàn)多處集中滲水通道。

2 滲漏探測內容與目的

（1）已知滲漏出水口（點）時，應首先探測滲漏出水口（點）與庫水或渠水的連通情況，然后查明滲漏入水口（點）的位置、規(guī)模、范圍、深度等，以便于及時采取相應措施進行滲漏入水口（點）的封堵及加固處理。

（2）探測滲漏入水口（點）與滲漏出水口（點）之間的滲漏通道，分析判斷是堤壩體中，還是堤壩基礎，還是結合部位存在滲漏通道以及滲漏對周圍介質的破壞情況，以便對滲漏通道進行截滲封堵并對其破壞的材料或介質進行加固處理。

（3）在庫水或渠水出現(xiàn)明顯滲漏，但滲漏入水口（點）、滲漏通道、滲漏出水口（點）并不十分清楚，此時應先探測滲漏通道，然后追蹤滲漏出水口（點），最后測定滲漏入水口（點）的位置及范圍，為加固設計及處理提供依據(jù)。

（4）對水利水電工程中存在的洞穴、裂縫、松軟層、沙層、溶蝕破碎帶、軟硬結合部位脫空等滲漏隱患探測，以便對已發(fā)現(xiàn)的滲漏隱患位置或段（點）加強現(xiàn)場觀察，增加巡視頻次，加強監(jiān)測密度，并及時反饋情況，保證水工建筑物的正常運營。

3 探測方法選擇

堤壩（堤壩體、基礎及相關部位）滲漏均是由于其防滲結構受到破壞，導致物理場發(fā)生變化，出現(xiàn)異常，從而為各物探方法的應用提供了前提條件。一般滲漏體與周圍正常介質的物性參數(shù)為：

（1）滲漏體（區(qū)）（包括滲漏管涌通道或含水裂縫）：電阻率50～150 Ω·m，有時更低；相對介電常數(shù)40～80；縱波波速600～1 500 m/s；多存在過濾電場和激電效應。

（2）周圍正常介質：電阻率500～2 000 Ω ·m；相對介電常數(shù)1～10；縱波波速1 800～2 600 m/s；一般不存在過濾電場和激電效應。

依據(jù)探測對象的不同，建議方法如下：

（1）針對庫水或渠水的滲漏入水口（點）的探測方法主要有：偽隨機流場法、直流充電法、人工交流電場源磁測法、水下機器人攝像技術、水下探地雷達法等。

（2）針對滲漏入水口（點）與滲漏出水口（點）之間的滲漏通道的探測方法主要有：高密度電法、直流充電法、自然電場法、激發(fā)極化法、探地雷達法、瞬變電磁法、地震映像法、面波法、人工交流電場源磁測法、核磁共振法、同位素示蹤法等。選用探測方法時應注意水工建筑物類型與材質的不同。

（3）針對滲漏隱患的探測方法主要有：直流電阻率法、自然電場法、瞬變電磁法、探地雷達法、彈性波法、溫度場法、同位素示蹤法等。

（4）當有鉆孔（含專門研究性鉆孔及排水孔、觀測孔、滲漏檢查孔等）可以利用時，采用的探測方法主要有：孔間CT法、同位示蹤法、鉆孔全景數(shù)據(jù)成像、超聲成像測井、聲波測井、溫度場法、孔內充電法等。

不管哪種物探方法都以所要探測的對象與周圍介質間存在某種物性差異為基礎，同時考慮探測對象所處的客觀環(huán)境條件、水工建筑物的類型、填筑材料及其空間尺寸、物理性質和特征參數(shù)等，以及對探測深度和分辨率的不同要求，在把握各種探測方法的共同本質和差異的前提下，提取滲漏探測的典型檢測信號特征，選用合適的探測方法及組合，進行“聯(lián)合”探測與分析。

4 工程實例分析

4.1 刁河渡槽下游漸變段滲漏探測

刁河渡槽下游槽身下方附近可見明水流出，滲漏嚴重，滲漏量最大為39 L/min，折合每日漏水量約56.2 m3。為此，運管單位及時對刁河渡槽槽身實施縫體修復，但滲漏水未見消失，后經(jīng)現(xiàn)場查看發(fā)現(xiàn)漸變段第5接縫水上裸露部分呈現(xiàn)明顯的錯動現(xiàn)象，其他接縫未見明顯異常。綜合分析認為：該滲漏出水點為渡槽與明渠渠道連接漸變段渠水滲漏所致。建議進一步加強觀測，盡快查清渠內漏水點，及時采取相應措施處理，并加強對附近渠道兩側的巡查，發(fā)現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象及時處理。

為查清漸變段水域范圍內的滲漏水點的位置與范圍等，建議采用流場法、直流充電法進行探測。

綜合分析流場法和充電法探測結果認為：刁河渡槽右聯(lián)第9跨槽身下方附近滲漏水主要來源于渡槽與明渠之間連接漸變段中的第5伸縮縫和第6伸縮縫的滲漏異常區(qū)，如圖1所示Ⅰ#異常區(qū)、Ⅱ#異常區(qū)。其中Ⅰ#異常區(qū)的具體范圍為：以水面左邊線為起點，沿第5伸縮縫向渠中心2.3～15.5 m范圍內和第6伸縮縫向渠中心2.6～19.5 m范圍內以及第5縫與第6縫之間的渠道邊坡與底板連接縫圈定的區(qū)域內；Ⅱ#異常區(qū)的具體范圍為：以水面右邊線為起點，沿第5伸縮縫向渠中心2.6～14.0 m范圍內和第6伸縮縫向渠中心2.4～22.2 m范圍內以及第5縫與第6縫之間的渠道邊坡與底板連接縫圈定的區(qū)域內。

圖1 刁河渡槽下游滲漏綜合探測成果解釋圖

后經(jīng)水下機器人查看確認：所圈定的Ⅰ#異常區(qū)、Ⅱ#異常區(qū)內的接縫止水帶均已損壞，局部未見止水帶存在（已被水流沖走），所以形成渠內滲漏入口。

該處滲漏水產生的主要原因：由于第5伸縮縫至第6伸縮縫之間漸變段混凝土襯砌板在上游接縫處（第5伸縮縫）存在明顯沉降現(xiàn)象，勢必影響第6伸縮縫防水防滲效果，致使該混凝土襯砌板上下游2個伸縮縫產生滲漏，推測其滲漏水沿混凝土襯砌底板與基礎脫空處向右側運移，然后再沿漸變段的軟硬結合部的微小間隙向渡槽下部流動，直到渡槽右聯(lián)第9跨槽身下游端的支撐渡槽的混凝土樁邊流出地表，并形成一定流量的滲漏水。

4.2 七家營水庫壩后滲水探測

七家營水庫大壩基本建成并蓄水至高程1 244 m時，發(fā)現(xiàn)壩下游排水棱體滲水明顯，滲水在排水棱體處匯聚成流，沿排水溝向左側匯聚并流向下游。從現(xiàn)場看，滲流分為水平滲流和上涌滲流兩種。

為查明大壩滲透原因及滲漏通道的分布規(guī)律，特進行專門性滲漏勘察綜合研究（包括地質、物探、鉆探、試驗等），其中選用的物探方法有：高密度電法、直流充電法、自然電場法、地震折射波法、全景電視成像、聲波測井、溫度場測試等。

根據(jù)物探測試成果，可得壩體地下水位分布特征，其中水位高程三維等值曲面如圖2所示；水位高程等值線如圖3所示。

圖2 壩0+030—0+420、下0+005—0+051間地下水位高程曲面圖

從圖2和圖3可知：（1）從壩上到壩下水位高程逐漸降低；（2）壩體內水位呈兩側高中間低的趨勢，在壩0+030—壩0+200和壩0+350—壩0+540段壩體水位偏高。（3）垂直壩軸線方向，部分測段水位高程在下降過程中有向上凸起現(xiàn)象。

圖4為滲漏通道探測綜合成果圖，所測滲漏通道基本沿著自然電場法所揭示的低電位區(qū)域延伸。

圖3 壩0+030—0+540、下0+005—0+051間地下水位高程等值線圖

圖4 滲漏通道綜合成果圖（圖中等值線為自然電位曲線）

綜合分析實測成果可得：

（1）沿壩軸線方向壩體內水位整體呈中間低、兩側高的態(tài)勢，壩頂部位縱向地下水位最大高差約4 m，說明滲漏水體在壩頂部位沿壩軸線方向連通性差。

（2）黏土心墻下游側從壩上到壩下水位逐漸降低，并在排水棱體處基本趨于一致，說明滲漏水流在滲漏的過程中逐漸擴散。

（3）地面綜合物探測得地下水位多較相應部位鉆孔揭露的水位低，并且低于防滲墻的頂界面高程，說明鉆孔揭示水位為擊穿局部隔水層后形成的混合水位，高于實際地下水位，黏土心墻基本不滲水。此外，在壩0+081處S2孔附近測得水位高于防滲墻頂部，且從壩頂?shù)膲?+013—壩0+120到排水棱體處的壩0+021—壩0+200區(qū)間內自然電位值較低，推測該區(qū)間在防滲墻與黏土心墻接觸部位存在滲漏通道，并且滲水量較大。

（4）基巖上部破碎-完整性差巖體中裂隙走向多為NE20°～NE30°，壩軸線為SE143°，裂隙的發(fā)育方向由壩上到壩下主要是自壩右向壩左；而所測滲漏通道的軸線走向，自壩上到壩下約有53%從壩右向壩左偏移，約24%垂直壩軸線方向，約有23%從壩左向壩右偏移。滲漏通道走向與基巖中的裂隙走向存在一定的正相關性。

（5）部分自然電場法測得的低電位異常在排水棱體處未見明顯出水，高密度電法測試成果也顯示部分低阻異常的中心埋深較大，推測這些部位滲漏通道埋深較大，水庫滲漏出水在地下向下游方向運移。

（6）壩0+500—壩0+620段自然電位值低于有明顯滲水出露處的電位值，結合前期成果及鉆孔資料分析推測是由于巖性變化和滲漏造成水位埋深變淺所致，之所以滲漏水未出露于地表，是因為該部位地勢較高，并在施工過程中被碎石土掩埋，滲漏水在地下排泄。

（7）鉆孔測試結果顯示，混凝土防滲墻內存在裂隙、破損、孔洞、離析和脫空等現(xiàn)象；基巖中未見明顯灌漿痕跡，上部基巖主要為較破碎-完整性差巖體；黏土心墻內未見明顯的滲漏跡象。

綜上所述，在當前運行工況下，庫水滲漏主要是由防滲墻混凝土缺陷、防滲墻與基巖膠結較差和壩基較破碎巖體帷幕灌漿效果較差，局部混凝土防滲墻與黏土心墻接觸部位存在缺陷等所致。

滲漏通道走向：①壩0+000—壩0+060滲漏通道由壩上到壩下基本垂直壩軸線；②壩0+060—壩0+170滲漏通道由壩上到壩下多數(shù)從壩左向壩右偏移；③壩0+170—壩0+240滲漏通道由壩上到壩下基本垂直壩軸線；④壩0+240—0+480滲漏通道由壩上到壩下多數(shù)從壩右向壩左偏移。

從壩頂?shù)膲?+013—壩0+120到排水棱體處的壩0+021—壩0+200區(qū)間內滲水量較大。滲水從壩頂?shù)綁蜗鲁世瓤跔顢U散。部分滲水未在排水棱體處排出，而在壩基以下向下游方向滲流。

5結語

（1）滲漏探測應在綜合分析設計、地質、水文、監(jiān)測資料的基礎上，結合水工建筑物類型、滲漏區(qū)域場地的客觀實際條件和地球物理特征，選擇有效的物探方法進行綜合探測，必要時進行鉆探和試驗工作，以查明滲漏入水口（點）、滲漏通道沿線的埋藏條件、水動力特征和滲流特征，滲漏出水口（點）的高程、類型、水量及動態(tài)變化等，并提出防滲處理范圍和深度的建議。

（2）目前，應用于滲漏探測的物探方法種類較多，但沒有能比較全面地解決各類問題的一種方法。對于很多問題只有采取多種方法綜合探測，獲取盡可能多的信息數(shù)據(jù)，并采用合理的工作流程，才能起到事半功倍的效果。

（3）了解各滲漏異常區(qū)域隨時間變化的趨勢，開發(fā)利用物探測試方法進行堤壩滲漏安全預警的四維無損檢測的方法，可為判斷滲漏入水口（點）及滲漏通道隨時間的發(fā)展變化情況、檢測防滲處理效果等提供依據(jù)，為堤壩安全提供預警。

（4）探測信息及數(shù)據(jù)的處理結果，直接影響到堤壩滲漏特征的分析判斷，提高對各種探測方法正演理論和反分析方法的研究是滲漏分析判斷的核心內容，需要采用不同探測方法的數(shù)據(jù)采集和處理方式，建立多重影響因素下的耦合正演理論方程，進行三維和四維的數(shù)據(jù)采集處理和非線性反演技術研究，將是我們今后努力的方向。