黃昊冉，吳云星，2，馮春燕，谷艷昌，2，龐 瓊，2，周穩(wěn)忠，2

(1.南京水利科學(xué)研究院大壩安全與管理研究所，江蘇 南京 210029;2.水利部大壩安全管理中心，江蘇 南京 210029；3.宜興市橫山水庫(kù)管理所，江蘇 宜興 214200)

1 研究背景

據(jù)2018年全國(guó)水利發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)，我國(guó)已建成各類水庫(kù)98 822座，總庫(kù)容8 953億m3，其中大型水庫(kù)736座，中型水庫(kù)3 954座，小型94 132座，其中土石壩數(shù)量占比達(dá)93%以上[1]。我國(guó)自1954年有較系統(tǒng)的潰壩記錄以來(lái)到2014年，61年間共發(fā)生水庫(kù)潰壩3 530起，在已潰決的水庫(kù)大壩中絕大多數(shù)是土石壩[2]。土石壩的安全問(wèn)題與潰壩失事一直都是高度關(guān)注的問(wèn)題。張建云等[3]對(duì)3 230座病險(xiǎn)水庫(kù)的病害問(wèn)題進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)存在滲流穩(wěn)定不足的病險(xiǎn)水庫(kù)達(dá)2 344座，占比72.6%。由此可知，大壩滲漏是水庫(kù)大壩的常見(jiàn)病害之一。土石壩滲漏病害可分成4類，即壩體滲漏、壩基滲漏、接觸滲漏及繞壩滲漏，其主要表現(xiàn)形式有大壩運(yùn)行后長(zhǎng)期存在滲漏、管涌、散浸、沼澤化、流土等[4]。土石壩如果出現(xiàn)滲漏問(wèn)題，若沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)與處理，則病害將會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，甚至可能導(dǎo)致潰壩，將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

對(duì)于水庫(kù)大壩的滲漏探測(cè)，傳統(tǒng)方式為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，通過(guò)鉆探取樣，分析芯樣判斷是否存在滲漏病害。但這種方法耗時(shí)較長(zhǎng)且具有破壞性，其結(jié)果僅能說(shuō)明單點(diǎn)的情況。當(dāng)滲漏發(fā)生在內(nèi)部時(shí)，無(wú)法知曉滲漏通道的大致位置，這將增大鉆探的工程量。隨著綜合物探方法的發(fā)展，電法勘探逐漸應(yīng)用。電法探測(cè)自20世紀(jì)誕生以來(lái)，經(jīng)過(guò)不斷地完善與發(fā)展，已成為探測(cè)土石壩滲漏隱患的最常用方法[5]。與傳統(tǒng)電阻率法相比，高密度電法由于其成本低，效率高，信息豐富，解釋方便，且電極一次布設(shè)完成，能獲得豐富的關(guān)于地電斷面結(jié)構(gòu)特征的地質(zhì)信息[6]，使得其從最初應(yīng)用于水源與礦產(chǎn)資源尋找，逐漸發(fā)展成為可應(yīng)用于水利水電工程中水庫(kù)大壩隱患探測(cè)的一種無(wú)損探測(cè)方法。王傳雷等[7]將高密度電法應(yīng)用于長(zhǎng)江堤壩壩體電性隨長(zhǎng)江水位變化研究中，提出使用高密度電法來(lái)監(jiān)測(cè)堤壩隱患的發(fā)展；宋先海等[8]用高密度電法對(duì)大幕山水庫(kù)進(jìn)行滲漏安全隱患探測(cè)，結(jié)果表明高密度電法能夠查明土石壩滲漏通道位置或進(jìn)行疑點(diǎn)提示；劉海心等[9]對(duì)高密度電法的4種裝置即單極-單極、偶極-偶極、溫納、溫施裝置進(jìn)行對(duì)比研究，研究認(rèn)為探測(cè)滲漏時(shí)，溫納裝置對(duì)低阻異常分辨效果更好且抗干擾能力強(qiáng)。

由此可見(jiàn)，高密度電法在水庫(kù)大壩滲漏隱患探測(cè)中發(fā)揮了重要作用。在實(shí)際工程中，高密度電法得出的反演結(jié)果往往需要結(jié)合鉆孔成果綜合分析，以此達(dá)到更加準(zhǔn)確判別滲漏通道位置的目的。而正如前文所述，鉆孔耗時(shí)長(zhǎng)，具有破壞性，考慮大部分水庫(kù)大壩設(shè)有滲流壓力監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，而進(jìn)行滲流監(jiān)測(cè)所使用的測(cè)壓管本身即為一種鉆孔形式，如果能結(jié)合滲流壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助分析，將提高檢測(cè)效率。本文以某水庫(kù)檢測(cè)實(shí)例，采用高密度電法中的溫納法進(jìn)行滲漏隱患探測(cè)，運(yùn)用Res2dinv3.54程序?qū)μ綔y(cè)結(jié)果進(jìn)行模型反演和成果后處理，并結(jié)合地勘資料、滲流壓力監(jiān)測(cè)資料綜合分析，查明主要滲漏通道的空間位置與發(fā)育規(guī)律。

2 工程概況

2.1 水庫(kù)概況

某水庫(kù)大壩為均質(zhì)土壩，總長(zhǎng)4 090 m，呈八字形布置，其中主壩長(zhǎng)840 m，東副壩長(zhǎng)1 067 m，西副壩長(zhǎng)2 183 m，壩頂高程均為42.10 m，最大壩高24.10 m，壩頂寬8.10～8.45 m，防浪墻頂高程均為42.90 m。

2.2 壩基工程地質(zhì)條件

壩基自上而下分為第四系松散層(粉質(zhì)粘土層、砂卵礫石層)與J3侏羅系火山巖。

(1)第四系松散層。東副壩地段為河流階地，地基土呈二元結(jié)構(gòu)，上部粘性土分布較穩(wěn)定，厚10 m左右，僅在溢洪閘東側(cè)小河處厚度較薄，小于1.5 m，下部砂卵礫石層厚4～5 m，頂板高程17.00 m左右；主壩地段主要為河漫灘，上部粘性土很薄，砂卵礫石層頂板高程16.00～18.00 m，厚3～6 m，砂卵礫石層基本上出露地表；西副壩地段由一系列孤山小丘組成，地形起伏不平，高程26.00～42.00 m，地基土為坡殘積黏性土，未見(jiàn)河床礫石。

(2)J3侏羅系火山巖。大壩下伏基巖主要為侏羅系上統(tǒng)龍王山組(J31)、大王山組(J3d)火山巖，巖性主要為角閃石英粗面安山巖、凝灰?guī)r、輝石石英粗面安山巖、流紋巖等；次為次火山巖，巖性為角閃石英粗面安山斑巖。巖質(zhì)堅(jiān)硬，巨厚層狀～塊狀構(gòu)造。①主壩位于開(kāi)闊的“U”形河道上，基巖面高程12.00～14.00 m，基巖強(qiáng)風(fēng)化帶厚一般1～4 m。基巖之上為厚3～6 m的砂卵礫石層，該層頂部有厚約0.5～1 m的土層，土層之上為壩體填土。②東副壩地段為階地及古河道，基巖頂板高程12.00～15.00 m，全、強(qiáng)風(fēng)化帶厚2～5 m。基巖之上依次為厚2～5 m的砂卵礫石層，厚8～15 m的土層及厚5～10 m壩身填土。③西副壩地段為基巖殘丘，地形起伏不平，基巖頂板高程在26.00～42.00 m之間，全、強(qiáng)風(fēng)化層厚2～4 m，基巖之上為壩體填土。

2.3 大壩滲漏情況分析

2.3.1 壩體填筑材料

壩體土取自壩址附近山坡覆蓋層，土性為雜色粉質(zhì)黏土、輕粉質(zhì)壤土、重粉質(zhì)壤土、重砂壤土等，壩體中局部還有膨脹性土。根據(jù)2000年～2001年除險(xiǎn)加固階段和2014年安全評(píng)價(jià)階段工程地質(zhì)勘察資料，壩體填土料源雜，由重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土、重壤土，雜輕粉質(zhì)壤土、細(xì)砂、安山巖屑等組成，厚度5.40～25.10 m。壩體填土夾有大量風(fēng)化巖塊與砂卵礫石等，土質(zhì)不均勻，加之碾壓質(zhì)量控制不嚴(yán)，物理力學(xué)指標(biāo)和滲透性具有明顯差異性和隨機(jī)性。壩體填土滲透系數(shù)一般在10-5～10-6cm/s之間，少數(shù)試段為10-3～10-4cm/s。部分鉆孔滲水量較大或注水試驗(yàn)孔內(nèi)不返水，說(shuō)明壩身存在較多孔隙和孔洞。

2.3.2 歷史滲漏情況

水庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中，主壩段樁號(hào)1+400和1+600左右及東副壩樁號(hào)0+830～0+900處下游坡面均出現(xiàn)洇水、漏水現(xiàn)象，個(gè)別出逸點(diǎn)還出現(xiàn)過(guò)渾水，說(shuō)明局部已發(fā)生滲透破壞；西副壩壩體大部分尚未接觸到庫(kù)水位，未能反映出滲漏問(wèn)題。

1999年汛期，庫(kù)水位34.00 m時(shí)，主壩段下游坡面發(fā)現(xiàn)大范圍的窨潮、滲水現(xiàn)象，壩腳發(fā)現(xiàn)一個(gè)直徑6 cm的漏水洞，個(gè)別逸出點(diǎn)出現(xiàn)渾水現(xiàn)象(主壩樁號(hào)1+400、1+600下游壩坡24.00 m高程附近窨水漏水面積為70×5、67×5 m2。

自除險(xiǎn)加固竣工以來(lái)，大壩下游坡窨潮、散浸范圍大幅度縮減，但局部仍存在散浸。2016年，水庫(kù)經(jīng)歷了長(zhǎng)期高水位運(yùn)行，西副壩大壩滲漏情況呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，當(dāng)庫(kù)水位34.00 m以上，西副壩1+950～2+000下游面30 m平臺(tái)以上多處出現(xiàn)散浸、滲水現(xiàn)象，壩體內(nèi)部傳出水流聲。

3 高密度電法探測(cè)及數(shù)據(jù)處理

3.1 基本原理

高密度電法即高密度電阻率測(cè)深方法，是一種陣列式的直流電探測(cè)方法，其基本工作原理是以巖土體的電性差異為基礎(chǔ)，可進(jìn)行二維地電斷面測(cè)量，兼具剖面法和測(cè)深法的功能，是進(jìn)行地層劃分、探測(cè)隱伏斷層構(gòu)造、巖溶空洞以及地質(zhì)滑坡體等的一種有效手段[10-11]。高密度電法根據(jù)人工電場(chǎng)作用下地下不同電阻率的地質(zhì)體表現(xiàn)出的電流分布規(guī)律，推斷地質(zhì)體的賦存情況。和常規(guī)電阻率法工作原理一樣，高密度電法通過(guò)A、B電極向地下供電流I，測(cè)量M、N極間電位差ΔV，從而可求得M、N之間的視電阻率值(見(jiàn)圖1)。根據(jù)實(shí)測(cè)的視電阻率剖面，進(jìn)行計(jì)算、分析，便可獲得地下地層中的電阻率分布情況，從而可以劃分地層，判定異常。視電阻率值的計(jì)算公式為

圖1 高密度電法工作原理

(1)

(2)

式中，ρs為視電阻率；K為電極裝置系數(shù)；ΔV為觀測(cè)的電位差，V；I為供電電流，A；AM、AN、BM、BN均為電極距，m。

3.2 探測(cè)裝置

3.2.1 高密度電法系統(tǒng)組成

高密度電法系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理2個(gè)部分，如圖2所示。

高密度電法在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集時(shí)有多種采集裝置，采集裝置類型不同采集數(shù)據(jù)的精度也不同。本次探測(cè)采用溫納裝置，其豎向探測(cè)精度高而被廣泛采用，其電極排列如圖3所示。電極順序依次是A、M、N、B。數(shù)據(jù)采集時(shí)主機(jī)控制電極距AM、MN和NB大小相等。測(cè)試時(shí)主機(jī)將測(cè)試剖面劃分為若干測(cè)量點(diǎn)，根據(jù)測(cè)量點(diǎn)所在深度，選擇電極系中對(duì)應(yīng)電極對(duì)該測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)應(yīng)電極距為AM=MN=NB=na(n=1，2，3，…)。采集完成進(jìn)行相鄰測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，至整個(gè)剖面數(shù)據(jù)采集完成。溫納裝置采集的數(shù)據(jù)可以形成一個(gè)倒梯形的斷面。

圖3 溫納裝置電極排列及測(cè)量次序

3.2.2 探測(cè)儀器

設(shè)備方面采用瑞典ABEM公司生產(chǎn)的Terrameter LS 2，該儀器是一種先進(jìn)的自電位(SP)、電阻率(RES)和時(shí)域激發(fā)極化(IP)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。ABEM Terrameter LS 2型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)標(biāo)配為81道，測(cè)試電纜電極距5 m，適合電極距5 m以下，測(cè)深為測(cè)線長(zhǎng)度的17%。

3.3 探測(cè)方案

根據(jù)該水庫(kù)壩體特性及下游坡歷史散浸情況，在西副壩1+800～2+200、主壩1+110～1+510、主壩1+487～1+887、東副壩0+390～0+790的下游坡平行壩軸線方向各布置3條測(cè)線，分別位于壩頂下游側(cè)41 m高程、下游壩坡一級(jí)馬道36 m高程、下游壩坡二級(jí)馬道30 m高程，共布置12條測(cè)線，每條測(cè)線均長(zhǎng)400 m、電極數(shù)81個(gè)、電極間距5 m。

3.4 數(shù)據(jù)反演處理

3.4.1 反演處理方法

巖土材料的電阻率與其成分、風(fēng)化程度、是否浸水等因素有關(guān)，當(dāng)壩體或壩基存在滲漏水時(shí)，電阻率明顯降低，出現(xiàn)低阻異常區(qū)域，這是高密度電法探測(cè)壩體滲漏情況的物理基礎(chǔ)。地下淡水的電阻率一般為10～100 Ω·m[12]，結(jié)合本次高密度電法探測(cè)結(jié)果，規(guī)定小于20 Ω·m區(qū)域?yàn)榈碗娮璁惓^(qū)，該區(qū)域可能存在滲漏隱患。

采用Res2dinv 3.54程序?qū)μ綔y(cè)結(jié)果進(jìn)行模型反演和成果后處理，數(shù)據(jù)反演采用基于平滑抑制的最小二乘優(yōu)化算法。以主壩1+110～1+510與1+487～1+887處的檢測(cè)成果為例，結(jié)合地勘資料與滲流壓力監(jiān)測(cè)資料，對(duì)反演成果進(jìn)行分析，以查明大壩主壩壩段潛在的滲漏隱患。

3.4.2 反演圖像

主壩1+110～1+510與1+487～1+887處分別布置3條測(cè)線，由上到下分別為壩頂下游側(cè)41 m處、下游一級(jí)馬道36 m處和下游二級(jí)馬道30 m處，其反演電阻率圖像如圖4所示。兩次探測(cè)時(shí)，庫(kù)水位高程分別為28.93 m與28.47 m。

4 大壩滲漏隱患研判

4.1 高密度電法探測(cè)滲漏隱患分析

由圖4可知，本次探測(cè)的兩組測(cè)線區(qū)域內(nèi)均存在多處低阻異常區(qū)(紅圈所示)，其位置高程見(jiàn)表1。沿壩軸線方向低阻異常區(qū)呈現(xiàn)間隔分布，并未貫通，結(jié)合2.3節(jié)中壩體填筑質(zhì)量可知，壩體填土不均勻，密實(shí)度不足，可能存在孔洞，含水量偏高；根據(jù)同一測(cè)線段處41 m高程、36 m高程和30 m高程處的電阻率反演圖像可知，低阻區(qū)在上下游方向存在關(guān)聯(lián)性，表明壩體存在上游向下游的滲漏通道，見(jiàn)表1。

表1 2組測(cè)線區(qū)域內(nèi)各探測(cè)斷面的低阻區(qū)位置

4.2 滲流安全監(jiān)測(cè)資料分析

根據(jù)滲流壓力監(jiān)測(cè)資料，在2組測(cè)線范圍內(nèi)各存在1個(gè)滲流監(jiān)測(cè)斷面，分別位于1+343與1+643處，其位置見(jiàn)圖4虛線處，2處測(cè)壓管當(dāng)時(shí)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，其斷面滲流壓力過(guò)程線見(jiàn)圖5。

圖4 不同位置的反演電阻率圖像

圖5 1+343、1+643斷面滲流壓力過(guò)程線

表2 1+343、1+643斷面測(cè)壓管水位人工測(cè)值 m

在1+343斷面位置，由反演圖像可知，壩頂下游側(cè)(41 m高程)處低阻區(qū)高程范圍約為21～26 m，實(shí)測(cè)水位23.235 m；下游一級(jí)馬道(36 m高程)處低阻區(qū)高程范圍約為22～27 m，實(shí)測(cè)管內(nèi)水位為26.275 m；下游二級(jí)馬道(30 m高程)處低阻區(qū)范圍約為21～23 m，實(shí)測(cè)管內(nèi)水位為22.746 m。在1+643斷面位置，由反演圖像可知，41 m高程處低阻區(qū)范圍約為23～28 m，實(shí)測(cè)水位27.301 m；36 m高程處低阻區(qū)范圍約為20～26 m，實(shí)測(cè)管內(nèi)水位為19.990 m；30 m高程處低阻區(qū)范圍約為20～23 m，實(shí)測(cè)管內(nèi)水位為20.161 m?？梢?jiàn)兩組測(cè)線區(qū)域內(nèi)的低阻區(qū)高程分布范圍與測(cè)壓管水位現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果較為一致，印證了高密度電法的探測(cè)結(jié)果。

從本次滲流壓力現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，在1+343處，36 m高程處的測(cè)壓管水位較41 m高程處的測(cè)壓管水位高，但從滲流壓力過(guò)程線可知，1+343-3除了少數(shù)時(shí)間測(cè)值發(fā)生跳變，測(cè)壓管內(nèi)水位高于1+343-2，大部分時(shí)間其測(cè)值均低于1+343-2，總體上1+343斷面滲流壓力水位高程隨著滲流路徑在降低，這與高密度電法反演圖像反映的情況一致，即低阻區(qū)高程從上游向下游逐漸降低，符合大壩滲流一般規(guī)律。

4.3 大壩滲漏隱患綜合分析

在2組測(cè)線探測(cè)范圍內(nèi)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況得知，1+110處位于泄洪閘左側(cè)，而1+150～1+190范圍內(nèi)存在低阻異常區(qū)，推測(cè)可能存在泄洪閘與壩體接觸滲漏通道。西涵洞(1+790)位于1+487～1+887測(cè)線范圍內(nèi)，由反演圖像可知，1+760～1+800處30 m高程斷面地表以下約6～16 m(14～24 m高程)存在明顯的低阻異常區(qū)，可知西涵洞周邊土體含水量稍高，表明西涵洞周邊可能存在接觸滲漏通道。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)根據(jù)大壩地質(zhì)資料、運(yùn)行表現(xiàn)和高密度探測(cè)結(jié)果，表明大壩壩體填土碾壓不實(shí)、局部存在孔洞，土體含水量偏高。

(2)經(jīng)高密度電法探測(cè)結(jié)果分析，大壩壩體存在多處集中的低阻異常區(qū)，低阻異常區(qū)高程變化與滲流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映的結(jié)果較為一致。壩體與泄洪閘和西涵洞接觸部位周邊區(qū)域表現(xiàn)為低阻異常，初步推斷存在接觸滲漏通道。

(3)結(jié)合前期的地質(zhì)勘察資料、滲流監(jiān)測(cè)資料和測(cè)壓管的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，印證了高密度電法探測(cè)結(jié)果的正確性，并且通過(guò)多種資料綜合研判，發(fā)現(xiàn)了大壩潛在的滲漏問(wèn)題。

(4)本次探測(cè)與分析，主要基于高密度電法反演結(jié)果與滲流監(jiān)測(cè)結(jié)果。在有條件情況下，建議采用多種無(wú)損探測(cè)手段，如地質(zhì)雷達(dá)等，通過(guò)多種方法印證，提高探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。