堤壩滲漏快速探測技術研討

馬飛躍

（安徽省（水利部淮河水利委員會）水利科學研究院，合肥 230088）

對于滲漏堤壩，采取鉆探方式進行探測，探測范圍小且對堤壩具有不同程度的破壞， 尤其汛期有較高風險。地球物理探勘方法屬于無損檢測，通常具有成本小、速度快、方法便捷等特點，近年來在堤壩滲漏探測中應用廣泛。

用于堤壩滲漏隱患探測的地球物理探測的無損檢測方法有自然電場法、 高密度電阻率法、 淺層地震、探地雷達法、流場法等［1-4］。

自然電場法屬于電法勘探方法，設備易攜帶，可在堤壩表面和水上探測， 探測地下水的流向和速度等。自然電場法易受到干擾，如堤防大壩填筑材料不均勻、測量范圍內有線纜、水面波浪較大，對測量數據產生影響，對后期數據處理和判斷產生干擾。

高密度電阻率法通過陣列方式不斷改變供電和電極，從而可得到不同區域的視電阻率測值。當堤壩的土體存在滲漏通道， 視電阻率等值線會出現明顯變化，形成異常的閉合范圍，從而判斷滲漏情況。高密度電阻率法在堤防、 大壩應用較多， 取得一定成果，但對于深埋、較小的滲漏無法準確判斷［5-7］。

淺層地震法屬于線性剖面的測量，但淺層地震法受地形條件、炮點之間距離等限制條件的影響，干擾較多，難以滿足堤壩滲漏的快速、準確的探測要求。

探地雷達法操作方便，測試速度快、抗干擾能力強，在各領域應用較多，堤壩滲漏探測也取得一定成果。但探地雷達法由于工作原理限制，往往探測深度淺，只能在表面進行測量，對于有一定深度的滲漏隱患難以探測。

流場法利用在堤壩的水體中加入特殊信號的人工電流場來模擬水流場， 通過探測人工電流場的I變化情況，用測量的電流場模擬水流場，從而可快速探測堤壩滲漏險情和明確滲漏的入水口位置。 流場法探頭靈敏度高，測試速度較快，對微弱電場的小滲漏同樣可反應。 不足之處是探測堤壩滲漏的入水口位置，不可對堤壩填筑材料進行探測［8-13］。

對于堤壩滲漏進行快速探測，既要滿足快速，又要準確、無損地進行探測。綜合以上物探方法的優缺點，本文采用以流場法探測為主，高密度電法探測為輔的物探方法，對堤壩滲漏進行快速探測。

1 流場法原理

假設堤壩的水流場處于靜止穩定狀態， 在出現滲漏時水流場會出現異常， 異常的滲流流向滲漏入水口位置。通過在水體中供電，產生電流場模擬水流場，二者存在相似之處，如表1，空間分布規律也是相同，從而用電流場模擬水流場。通過測試水體中異常電流場值，判斷堤壩滲流入水口位置。

表1 定常、無旋滲流場與穩定電流場的相似關系

2 高密度電法原理

高密度電阻率法為電阻率剖面法應用范圍，以不同填筑材料的電性差異為依據， 通過測試填筑材料的穩定電場來達到無損檢測的目的。 在作用電場的作用下，填筑材料中電場滿足以下偏微分方程：

式中x0、y0、z0為電場點坐標；x1、y1、z1為源點坐標。當x0≠x1，y0≠y1，z0≠z1時， 即只分析無源空間時，式（1）變為拉普拉斯方程：

3 工程實例

以現場發現滲漏情況的某一小型水庫為例，壩址以上集雨面積3.0 km2，壩長50 m，壩高13.5 m，主流長2.30 km， 主流平均坡度為J=0.214。 總庫容19.74 萬m3，正常庫容12.0 萬m3。

水庫背水側靠近右側溢洪道的壩腳存在滲漏現象，排水溝有積水，將B 級電極放在背水側的排水溝中，A 級電極放在距離大壩約180 m 處，以大壩左側為零點，網格化采集數據。

流場法探測一般背景值為3～5 mV 之間，通過數據比對發現J1，J2兩處位置場強值異常，J1位置靠近大壩左側，場強值在74～172 mV 之間，場強值較背景值倍數較大，異常值集中。J2位置靠近大壩右側，與背水側滲漏出逸點斷面基本一致， 場強值在68～92 mV之間，呈連續線型分布，長度約8 m，如圖1。

圖1 水庫流場法探測成果

堤壩滲漏常見的形態有洞穴、裂縫或軟弱夾層，根據流場法原理可知，若是洞穴狀滲漏，異常值應集中，點狀分布，若是裂縫或軟弱夾層，異常值應是線性帶狀分布。

據J1所在水平測線的場強值，J1處異常場集中一個位置， 數值較大， 判斷為滲漏形態為洞穴狀， 往往管涌形式滲漏，但J1所在斷面背水側位置未發現滲漏出逸點，如圖2。

圖2 J1 水平測線場強值

根據J2所在水平測線的場強值，J2處異常連續線性分布，長度約8 m，異常值不大，判斷滲漏形態裂縫或軟弱夾層， 大壩背水側滲漏出逸點與J2所在斷面基本一致，如圖3。

圖3 J2 水平測線場強值

背水側J1和J2位置水平距離相距較遠。壩體滲漏存在以下幾種可能性，J1滲漏通道斜穿大壩壩體，從背水側右側壩腳滲水，J2滲漏通道出逸點未發現；J1滲漏通道斜傳大壩壩體，從背水側右側滲出，J2滲漏通道也是從背水側右側滲出， 兩處滲漏入水位置從一處滲漏出逸點；J1滲漏出逸點未發現，J2滲漏從背水側右側壩腳滲水。

高密度電法系統采用固定斷面方式中的溫納法，電極間距1 m，測試結果未發現異常區域，如圖4。分析原因由于高密度電法的局限性，往下探測時數據向中間收斂，探測結果是倒梯形，兩側位置越深越難以探測。根據高密度電法成果圖，壩體視電阻率均勻，未發現壩體含水率大的低視電阻率區域。

圖4 高密度電法測試成果

由于J1，J2兩處滲漏入水口所在斷面位于大壩兩側，大壩受地形場地限制，兩側均是山體，布線長度有限。但結合流場法的探測結果，說明J1滲漏通道未斜穿大壩壩體，可排除壩體滲漏一、二可能性，J1，J2是在大壩壩體兩側獨立的滲漏通道， 發現的大壩背水側右側滲漏出逸點為J2位置所在滲漏通道。后經當地水管單位證實，J1位置為棄用老臥涵位置，符合管涌形態滲漏的特征， 初步判斷老臥涵未封堵嚴實，水從此處滲漏。

4 結語

（1）實現對堤壩滲漏快速探測，不選擇單一物探方法，根據現場地質地形條件及實際情況，合理選用多種物探方法綜合判斷。

（2）流場法靈敏度高，不受堤壩填筑材料限制，數據快速直觀，可實現對堤壩滲漏的快速探測，缺點是不可探測堤壩填筑材料滲漏區域； 高密度電法可實現對填筑材料探測， 近年在堤壩滲漏探測中應用廣泛，這是本文采用以流場法探測為主、高密度電法探測為輔的物探方法的原因。