綜合物探方法在水庫滲漏調查中的應用

王 杰，李國瑞

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

新中國成立以來，我國開展了大規模的水利工程建設，取得了舉世矚目成就，目前水庫大壩保有量9.8 萬余座，為世界之最。近10 多年來，我國進行了大規模的病險水庫除險加固，但由于95%以上大壩為土石壩[1]，且多為20 世紀80 年代前建造，安全風險依舊較高。

滲漏是病險水庫中較為常見的問題，研究探測水庫滲漏問題的方法與技術成為一項重要工作。物探方法具有高效、間接、無損的優點，在水庫滲漏調查中發揮著越來越重要的作用。下面以某水庫為例，介紹高密度電法、偽隨機流場法、自然電場法、充電法等綜合物探方法在水庫滲漏調查中的應用。

1 物探方法概述[2-4]

1.1 高密度電法

高密度電法是電測深與電剖面法的組合，可獲得較豐富的地電斷面結構特征。本質上講是在人工施加的穩定電流場作用下，來研究地下傳導電流分布規律的一類直流電法，理論基礎依舊是巖、土體間的電性差異，其探測深度，即對地下深部介質的反映能力，隨供電極距的增大而逐步增加。

1.2 偽隨機流場法

一般來說，江、河、庫、湖中正常水流分布有一定的規律，在沒有管涌、滲漏等情況下，正常流速場可類似于一般電法勘探中的背景場或正常場。當滲漏、管涌存在時，會出現以下2類異常：一種是在背景流速場的基礎上，出現異常流速場，其中水流速度矢量指向管涌滲漏的入水口；另一種是當滲漏出現，必然存在水流滲漏通道，通道在管涌發生時則更加明顯。

根據上述物理事實，將一個電極置于滲漏集中帶出水點處，另一個電極置于渠道水體中，且距離出水點有一定距離，在保證測量區域的電流場不受其影響的情況下，測量垂直電流密度分布，依據電流場異常分布情況，判斷滲漏水區域。

1.3 自然電場法

自然電場法在水利水電工程探測中主要用于滲漏電場研究。由于巖土的過濾活動性，當有水透過時，將產生過濾電位，其與巖土孔隙空間的構造、滲透系數、過濾液體的化學成分等有關。

自然電場法的基本觀測方式是電位觀測法。在電位觀測法不能進行（如游散電流的影響）或不便于工作（剖面長、點距大）或某種特殊需要時，可采用梯度法觀測。當研究區域性地下水滲透方向時，可輔以環形自然電位觀測法。

1.4 充電法

通過向被探測目標體供電，使其成為近似等電位體，提高被探測目標體與周邊介質的電位差，并形成充電效應，以研究目標體分布電性特征。其探測效果主要取決于目標體的產狀及其圍巖電性參數的比值等。在地電體簡單、埋藏不深（<25 m）、覆蓋層厚度與目標體大小相當，探測對象與圍巖導電率比值很大時，充電法可以評定目標體的范圍、產狀及其相互之間有無聯系等。充電法一般有3 種觀測方式，電位法、電位梯度法以及直接追索等位線法。

2 工程概況

某水庫主要由心墻壩、敞開式溢洪道等建筑物組成，控制流域面積77 km2，總庫容471 萬m3，其中興利庫容139 萬m3，屬于小（1）型水庫，設計正常蓄水位185 m。壩頂長度320 m，最大壩高20.5 m，壩頂寬2.32 m。泄洪洞為圓形有壓涵洞，斷面直徑2.5 m，最大流量50 m3/s，進口底高程176.0 m。溢洪道為天然河道，平均寬度73 m，最大泄量1 660 m3/s。

該水庫始建于1958 年，后續進行過大壩加高、壩基截漏、重新開挖泄洪洞、防浪墻加高、溢洪道開挖等加固措施，但始終存在安全隱患。近20 a來，只在2011 年有過一次蓄水過程，最高蓄水位達到距溢洪道堰頂約1.0 m，但不到半年時間即全部漏失掉。2019 年初，水庫再次蓄水超正常蓄水位，溢洪道呈溢流現象，但到了2019 年5 月30 日，壩前庫水位降至181.1 m，低于溢洪道首部堰頂高程約3.9 m，溢洪道出口溝槽內出現明顯滲流現象。

3 地質簡況及地球物理特征

該水庫地處太行山區東部邊緣地帶，屬構造侵蝕低山地形。庫區海拔高程175～492 m，沖溝近南北向發育，谷底地形起伏較小，溝底寬150～250 m，表面覆蓋厚層砂卵石，水庫經過多年運行，庫區淤積厚層黏性土。庫區右側大部分地段邊坡陡峭，巖石裸露，左岸多為緩形邊坡，局部有坡積物分布。

壩址區及庫區兩岸出露奧陶紀冶里組與亮甲山組灰巖地層，以平行整合式接觸，為一傾向上游之單斜構造，巖層產狀傾向SW239°～NW285°，傾角9°～16°。

巖體節理比較發育，多呈閉合狀，剪節理。壩址兩側主要節理有：走向N10°、走向N28°和走向N90°3組節理比較發育，垂直角78°～90°，構造面平整延伸。

庫區發育小型斷層構造，F1正斷層位于輸水洞出口右側，走向N91°，傾向SW，傾角75°，上下盤錯動明顯，破碎帶寬0.3～1.0 m，由破碎角礫組成，結構緊密，斷層往上游逐漸尖滅，對輸水洞及壩體無明顯影響。

綜合分析探測成果并結合水利水電工程探測經驗，可以確認滲漏體（區）與周圍正常介質之間存在明顯的物性差異。具體物性參數一般為：①滲漏體（區）（包括滲漏管涌通道或含水裂縫）：電阻率多在50～170 Ω?m，有時更低；多存在過濾電場。②周圍正常介質：電阻率170～780 Ω?m；一般不存在過濾電場。

4 典型成果分析

4.1 高密度電法

W1測線位于壩頂路中線，測線起點（0 m）位于壩樁號0+000處，W1線反演電阻率色譜如圖1所示，圖中橫向虛線為水庫設計正常蓄水位185 m。

圖1 W1線反演電阻率色譜

根據圖中電阻率值分布特征及等值線變化梯度分析，電阻率剖面垂向基本呈遞減-遞增形態，大致可分為3個電性層。

第一層電阻率范圍值80～8 000 Ω?m，層厚一般2～7 m，底界面高程184.5～189.5 m，為表層鋪蓋層的綜合反映。其中，水平距離0～118 m 電阻率值較低，多集中于80～360 Ω?m，推測主要為堆石及砂卵石等的反映；水平距離118～260 m 間電阻率值較大，多集中于1 160～8 000 Ω?m，推測主要為塊石、堆石等的反映。

第二層電阻率范圍值1～780 Ω?m，多集中于1～55 Ω?m，層厚一般21～25 m，底界面高程165～168 m，推測為壩體填筑黏性土的反映，其中水平距離110～126 m和172、188 m處及210 m以后段電阻率高于本層其它位置，推測為縣水利部門于1981 年12 月—1982 年6 月進行工程地質鉆探工作時，對ZK1（0+116.4）、ZK2（0+168.2）孔進行灌漿、封孔和壩體填筑材料不均質（局部為砂卵石或碎石）等所致。

第三層電阻率范圍值80～4 000 Ω?m，為相對高阻反映，推測為河床砂卵石及基巖（灰巖）的反映。

結合相關地質勘察、除險加固施工處理等資料，W1線高密度電法探測解釋成果詳見表1。

表1 W1線高密度電法探測解釋成果

4.2 偽隨機流場法

電位梯度背景值宜根據已知未發生滲漏的區段測得的電位梯度值確定，或根據地質、環境條件確定測區背景值，或根據測區內電位梯度曲線背景值確定。

根據理論分析、以往工程經驗，結合本工程實際情況和其它方法勘測結果分析確定本次探測的異常定性標準為：實測電位梯度值大于背景正常場電位梯度值的2 倍為有效異常、大于背景正常場電位梯度值3倍則為可靠異常。

2#漏點供電，測量區域背景場電位梯度為0.125 MV/m。探測范圍內有4 個有效異常區，分別編號為1#異常、2#異常、3#異常、4#異常；3 個可靠異常區，分別編號為Ⅰ#異常、Ⅱ#異常、Ⅲ#異常。Ⅰ#異常投影于壩體樁號0+42—0+103，異常范圍從近壩水岸向上游延伸30 m。Ⅱ#異常投影于壩體樁號0+110—0+130，異常范圍從近壩水岸向上游延伸30 m。Ⅲ#異常投影于壩體樁號0+142—0+155，異常范圍從近壩水岸向上游延伸32 m。

4.3 自然電場法

一般而言，當滲漏存在時，在地下水流動方向上，自然電位梯度呈現極大值；而垂向上，自然電位梯度呈現零值或極小值。

W1線自然電場法測試曲線如圖2 所示，橫軸為測點對應壩軸線樁號，縱軸為自然電位值（MV），圖中黑圈為電位異常區域，主要分布于樁號壩0+015—0+023、壩0+040—0+045、壩0+060—0+065、壩0+095—0+107、壩0+171—0+183、壩0+201—0+207 及壩0+223—0+237等部位。

圖2 W1線自然電場法測試曲線

4.4 充電法

對充電法測試數據進行整理及歸一化處理，按測線分別繪制電位梯度曲線。資料分析以定性為主，根據曲線的形態、斜率、特征點（過零點）圈定異常位置及范圍。

分別在壩下游河道滲出水點和水井中供電，在W1測線測得的電位梯度曲線，如圖3 所示。由圖3可知，在抽水井與滲出水點充電測得電位梯度曲線形態基本一致，由于電流在地下傳導路徑的不同及附近管線等影響，局部曲線形態有所差異，但曲線在相同位置均存在較大的變化梯度，圖中虛線表示異常（滲漏通道）中心位置。推測W1測線沿線滲漏通道中心平面位置主要分布于壩體樁號壩0+015、壩0+021、壩0+027、壩0+045、壩0+099、壩0+172、壩0+191、壩0+205及壩0+232附近。

圖3 W1線充電法測試曲線

4.5 綜合解釋

對比分析以上幾種物探方法的測試結果可見，各方法對于滲漏的探測結果基本一致，可以互相驗證補充，且與前期的少量勘探資料基本吻合，對除險加固施工中發現的地質問題也能進行合理解釋。經綜合分析認為：

（1）水庫壩體滲漏相對較弱，局部位置黏土心墻（0+165）質量較差。

（2）推測巖脈YM1 及其旁側較破碎或裂隙較發育巖體是水庫滲漏的主要通道，滲漏源主要集中于樁號（投影）壩0+055—0+165、下0-050—0-020 區域庫底。

（3）推測原排水洞（壩0+070）雖經封堵，但仍有缺陷，亦為水庫滲漏的導水途徑之一。

（4）推測壩0+000—0+055段沿基巖內局部的節理、裂隙發育有基巖裂隙水滲漏通道，滲漏量不大。

（5）推測溢洪道部位沿基巖裂隙滲漏微弱。

（6）壩前庫左岸、右岸及右壩肩存在滲漏的可能性較小。

按照滲漏途徑初步推測現階段水庫滲漏主要有以下幾種類型，詳見表2。

表2 滲漏類型分析及推測滲漏量

5 結論

高密度電法、偽隨機流場法、自然電場法、充電法等綜合物探方法在水庫滲漏調查中具有快速、無損、準確的特點。在物理地質條件有利的條件下，合理使用綜合物探方法可發揮積極作用，因此在水庫滲漏調查中具有廣闊應用前景。