龍思帆 王顯光 陳海波 徐子橋

引言

在各類大壩隱患中，滲漏隱患危害較大，主要表現為壩體滲漏、壩基滲漏及繞壩滲漏。目前，探測大壩滲漏點的技術方法有很多，一般是通過地球物理資料反演間接推斷壩體、壩基的含水信息，再推測滲漏介質和滲漏途徑。目前在大壩滲漏檢測中比較成熟的物探方法主要有直流電阻率法、充電法、同位素示蹤法，較新的方法有瞬變電磁法、微動勘探等。

充電法可以用于探測滲漏通道及追索地下暗河，異常突出，且一般不受地貌條件影響，但受淺表徑流及游離電流影響較大。瞬變電磁法（Transient Electromagnetic Methods，TEM），是輔助地下水勘查可行和有效的方法，該方法勘探深度大、分辨能力強、受地形影響小，能夠為物探找水工作提供有價值的含水層分布信息，比如在充水巖洞、直立導水斷層等水害源異常表現明顯，但低阻異常從淺層到深層貫通，有拖長現象。微動勘探作為一種新興的物探手段，應用范圍正逐步拓展，通過微動線性點陣剖面測量在某水庫大壩滲漏檢測實例中取得較好效果 （賈惠濤等）。綜合運用多種地球物理方法，相互驗證，排除假異常，對于探尋細微的滲漏通道是極為必要且有效的，本次采用以上物探勘查方法，大致圈出了大壩的滲漏通道，為防水災發生及滲漏治理提供了依據。

庫區概況

（一）庫區基本情況

安徽某尾礦庫位于廬江縣境內，是一座三等山谷型尾礦庫。廬江地區氣候屬亞熱帶濕潤季風氣候，年平均氣溫15.8℃，四季分明，降水豐富，周邊有合銅黃高速公路，合九鐵路，周圍有幾個村民組，庫區內有簡易小路通往村外公路，附近交通便利。該尾礦庫壩體由主壩、1#副壩、2#副壩等組成，壩體結構均為不透水堆石壩，內坡面設HDPE防滲土工膜防水，壩體鋪砌預制混凝土塊，庫區按照全防滲設計。其中1#副壩壩軸線地面標高介于44.8～74.1m，壩頂長度約152m。

2021年9月，有村民反映1#副壩外下游有滲水現象，隨后應急及村鎮相關部門現場進行了踏勘，發現1#副壩壩腳處能看見明顯滲水現象（參見圖1），于是組織開展勘查工作，以提前做好防災減災工作，保護村民的人身財產安全。

（二）庫區地質背景

本區地處大別山余脈之東延部分和滁巢褶皺帶山地西南緣的銜接部位，為起伏不平的低山丘陵地形，山頂較渾圓，山坡較平緩。庫區地形大致為三面環山，西、北、東三面山勢連續。根據收集到的庫區及附近的區域地質資料，庫區內未發現有影響場地穩定的大的地質構造（斷層破碎帶），庫區內也未發現全新世活動斷裂帶。已發現三處小破碎帶分別在南側主壩位置、東南側主壩的壩基、壩址北部2#副壩。1#副壩位置未發現較大的破碎帶。

（三）庫區工程地質

根據工程地質調查，該庫區原生地層主要以火山巖為主，地基土上部主要由第四系殘積坡積和沖洪積的黏性土所組成，下部基巖為上侏羅系安山巖、閃長斑巖等組成。從上到下大致分3層（參見圖1）。

圖1 庫區概況圖

（1）第四系粉質黏土層（Q4），主要由黏性土組成，微透水性。

（2）安山巖層主要礦物成分為斜長石、角閃石、云母等，分上中下三層。上層（J3l-1）中風化，中等透水；中層（J3l-2）強風化，中高等透水；下層（J3l-3）中風化，微透水。

地球物理勘查工作

（一）探測原理及數據處理

充電法：采用人工方法對被探測的對象進行充電，測量和研究被探測對象等電位場的分布及其特征，達到解決地質問題的目的。根據電場理論，在均勻各項同性地下空間下充電橢球體上方，延測線上任一點的電位U是與測點距充電球體距離倒數1/R、電流I呈正相關的（參見圖2），公式為：理論上做歸一化處理后的“R·U/I”曲線，會在良導體（滲水通道）上方出現曲線峰值，由此可初步推測滲水通道。

圖2 充電橢球體理論模型

微動探測技術：從微動信號中提取面波（瑞雷波）頻散曲線，通過對頻散曲線反演獲得地下介質的S波速度結構，以探查地質構造的物探方法。通過S波速度在不同深度層次的高低變化，進行介質分層及構造識別。本區S波速度相對低值區可能是壩體破碎帶、含水裂隙等的反映。

瞬變電磁法：利用不接地回線向地下發送一次脈沖磁場，在間歇期間用另一回線或探頭接收由地下地質體受激勵引起感應二次場，根據二次場衰減曲線的特征（其中低阻地質體感應二次場衰減速度較慢，二次場電壓較大），以判斷地下地質體的電性特征、規模等。

（二）剖面分析

充電法在探測地下良導體，追索滲漏通道異常反應明顯，施工方便，是一種成熟有效的方法，所以先采用充電法對壩體和壩體東南側山體全部勘查，然后壩體部分再補充微動、瞬變電磁勘查。三種方法相互驗證，在剖面分析中如果三種方法都有較大異常反應，則推斷為可能性較大滲漏點；反之，有異常但三種方法反映程度不一致的，推斷為可能性較小滲漏點。

現將壩體上4條勘查剖面（由壩體內至外分別編號為1～4號剖面）的充電法成果、微動成果、瞬變電磁法成果進行對比分析、綜合解譯，再結合已有的地質資料，初步推測了壩體范圍內滲水通道的平面位置和埋深情況。4條剖面分析如下：

1號剖面分析（圖3）：1號剖面位于迎水面中部壩肩處。充電法“R·U/I”曲線（紅色）與U/I曲線（藍色）形態相近，有兩處較大異常，但在210～216點的異常“R·U/I”曲線反應更明顯。瞬變電磁TEM等值線圖中，在充電法有異常反應的地方也基本有低電阻異常顯示，其中在108～120點異常反應不明顯，在200點附近異常較明顯。微動明顯的低速異常在108～130號點、209～216號附近，與充電法的兩處最大異常位置基本吻合。微動兩處大異常深度點基本在強風化安山巖層內。綜合三種物探方法和地質剖面，推斷了W1-1、W1-2、W1-3三處可能性較大異常，W1-4、W1-5兩處可能性較小異常。

圖3 1號剖面綜合物探解譯圖

2號剖面分析（圖4）：2號剖面位于壩體壩頂平臺處。充電法“R·U/I”曲線與U/I曲線形態整體上有一定差異，在250點之后U/I曲線衰減過快，可以看出經距離校正后的“R·U/I”曲線（紅色）更符合實際，其在142～144點、199～203點、240～249點有峰值異常顯示。但整體上異常幅值不大，推測壩頂標高較高，滲漏通道在充電法曲線上反映比較微弱。瞬變電磁TEM在壩頂兩側有鐵欄桿干擾，等值線圖淺層數據失真，在238～250點附近雖視電阻率值并不算低，但等值線連線近乎直立，似小斷裂反應。微動明顯的低速異常在240～250號點附近，高程主要在55～80m，縱跨強、中風化安山巖層。綜合三種物探方法和地質剖面，推斷了W3-1、W3-2、W3-3三處可能性較大異常，W2-4、W2-5兩處可能性較小異常，其中W2-1、W2-2兩處異常，充電法峰值正對在微動高低速分界面的位置，這可能是圈定異常上方低阻地層的分流作用對充電法的影響。而且推測異常W2-3在強風化安山巖層內有向220點延伸連通的可能性。

圖4 2號剖面綜合物探解譯圖

3號剖面分析（圖5）：3號剖面位于壩體背水面壩肩處。U/I曲線受距離影響大，已影響異常判定。“R·U/I”曲線劃分異常點較多，主要異常區塊為114～118點、167～179點、189～199點（異 常幅值大）。瞬變電磁TEM剖面在117點、176點、192點附近視電阻率曲線彎折厲害，異常明顯，與充電法、微動對應較好。微動三處明顯的低速異常區塊基本與充電法三處明顯異常一一對應，兩者吻合較好。綜合三種物探方法和地質剖面，推斷了W3-1、W3-2、W3-3三處可能性較大異常，W3-4、W3-5兩處可能性較小異常。而且推測W3-2、W3-3可能有一定連通性。

圖5 3號剖面綜合物探解譯圖

4號剖面分析（圖6）：3號剖面位于壩體背水面壩腳處。充電法“R·U/I”曲線與U/I曲線形態相近，其中“R·U/I”在112點有一較小異常，在144～154點附近有一處較大異常，在線頭100處有極大值，推測小號點延伸方向有異常。該剖面未做瞬變電磁TEM。微動在60～70點，高程50m左右圈出異常W4-3，此處像是一個漏斗的漏口，與充電法異常位置（144～154點）一致。在8點，高程50m附近圈出的異常W4-1，位于充電法小號點延伸方向，說明兩種方法也吻合。另微動還圈定了W4-4、W4-5兩處可能性較大異常，而且推測異常W4-3、W4-4有極大的可能性是連通的。對比其他測線，4號剖面圈出的異常區塊波速度更低，反映出滲漏更明顯。

圖6 4號剖面綜合物探解譯圖

（三）滲水通道推測

以上圍繞壩體開展了4條多方法綜合物探勘查，另外充電法還施工有CD1線、CD7線及CD11～CD18線，結合現場實際，最終繪制了推測的滲漏通道空間分布圖（圖7）。

圖7 推測滲漏通道空間分布圖

主滲漏通道（即通道B、通道C）基本上是剖面可能性較大漏點的主要串聯線，平面上看通道B近似直連了已知的滲水點（SL3）與漏水點（SL0），通道C則基本近似壩體與山體接觸帶的走向線，這符合水力特征，與實際吻合也較好。滲漏點SL1、SL2水量較小，同時壩內未發現漏水點，所以次通道A的漏水源可能是大壩也不排除是大壩西側山體。從4號剖面的微動成果來看，通道B、通道C分別穿過W4-3、W4-4，兩處異常區塊緊鄰，不僅速度低、高程近、面積還大，同時東側山體還有滲漏匯入。考慮到大壩水位在68m，該W4-3至W4-4片區高程在50m左右，堆土范圍內已知的滲漏水點高程平均在48m左右，因此在圖7中推測了該片區為嚴重滲漏區。

推斷的山體內的滲水通道，僅根據充電法推斷，未能標識寬度和埋深。但推斷的山體滲水通道有多處向壩體匯聚的點，這與“示蹤試驗”工作中發現堆土區（SL3片區）幾個滲水點的氯離子濃度不一致，且SL3滲水量大于壩體已知漏點SL0的漏水量的情況相吻合。

結論與認識

（1）從以上綜合分析得出，主要大的異常點都靠近壩體與其東南側山體的接觸帶上，這些點串聯成了通道C（及通道B），說明該滲漏通道可能是由壩體與山體的接觸部分不密實、裂隙或防水未做好等引起。同時通道C（及通道B）上大部分異常點高程基本在50～60m，亦主要在強風化安山巖內或強、中風化安山巖界面附近，說明滲水通道主要在透水性好的強（中）風化安山巖內。滲水片區SL3的水源除了來自B、C通道外，東側山體也有滲水匯入，該水源可能來自山體內部，也有可能由大壩內（可能CD1線209點附近）滲入，但現場未發現滲漏點。通道A的滲漏較弱，其漏水源可能來自大壩也不排除是大壩西側山體。

（2）本次充電法根據理論曲線特征，計算“R·U/I”參數，初步驗證經“距離校正”的“R·U/I”曲線比傳統的U/I曲線更能凸顯單純由地下滲水通道引起的異常，說明這種校正方式簡單而有效。微動方法在本次滲漏通道勘查中取得了突出效果，微動圈定的異常不僅在平面位置上與充電法等高度吻合，而且能較精確地顯示深度信息，值得推廣。

（3）該區物探工作結束后為了不破壞防滲膜而開展鉆孔封堵驗證實驗，在3號剖面的118點附近布置了鉆孔開展水泥注漿，注漿后SL1附近的滲漏點已不見水流出，初步證明物探推測結果較可靠。而B、C滲漏通道漏水較嚴重，在極端強暴雨等情況下，大壩易發生安全隱患，治理則較復雜需多方審慎研究。

（4）本次綜合運用充電法、瞬變電磁法、微動方法，多種地球物理方法相互驗證，對探尋細微的滲水通道取得了較好效果，大致圈出了大壩的滲漏通道，推測了滲漏原因，為防災減災做了技術支撐。