王 祥，宋子龍，姜 楚，李 璐

（湖南省水利水電科學(xué)研究所，湖南長沙，410007）

0 前言

小排吾水庫位于花垣縣小排吾鄉(xiāng)境內(nèi)的沅水三級支流兄弟河上游，壩址距花垣縣城36 km。該工程是兄弟河流域4級開發(fā)中的第一級工程，壩址以上干流長度7.35 km，控制集雨面積50.60 km2，正常庫容1 020萬m3，是一座以灌溉為主的中型水利工程。水庫樞紐工程由主壩、副壩、溢洪道、引水隧洞等建筑物組成，主、副壩均為粘土均質(zhì)壩。自水庫蓄水以來，滲漏問題就一直存在。經(jīng)重點地段防滲帷幕灌漿及2002年除險加固工程處理后，仍未從根本上解決水庫滲漏問題。而且隨著水庫運行年限的增長，防滲帷幕體逐漸失效、溶洞充填物被擊穿產(chǎn)生滲透破壞，滲漏現(xiàn)象日趨嚴(yán)重。

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和對運行期觀測資料的綜合分析，小排吾水庫壩基（肩）巖溶滲漏是其存在的主要工程地質(zhì)問題。主、副壩之間已封堵涵洞的巖溶泉仍然以0.45 m3/s的流量長期溢出，壩肩夯彩巖溶泉流量達1.38 m3/s。為確定漏水通道，并為地質(zhì)勘察提供資料，采用綜合物探方法對壩體進行了勘查。

1 滲漏成因分析及探測方法選擇

1.1 水庫大壩滲漏成因分析

要準(zhǔn)確探測水庫滲漏，首先應(yīng)該對水庫大壩滲漏隱患產(chǎn)生的機理有一定的認(rèn)識，以便有針對性地開展探測工作。小排吾水庫大壩為均質(zhì)土石壩，而土石壩滲漏問題的主要表現(xiàn)形式為壩體滲漏、壩基滲漏、繞壩滲漏及輸水設(shè)施（涵、洞）滲漏，其形成原因詳見表1。這些滲漏問題，無論是壩體壩基滲漏、接觸面滲漏或壩肩繞滲，都是由于原有的防滲結(jié)構(gòu)受到破壞，使物理場發(fā)生變化，出現(xiàn)異常，從而為各物探方法的應(yīng)用提供了前提條件。

1.2 探測方法選擇

目前國內(nèi)探測滲漏隱患的技術(shù)方法很多，如電法、地質(zhì)雷達法、瞬變電磁法、同位素示蹤法以及中南大學(xué)何繼善院士發(fā)明的流場法等。小排吾水庫主要滲漏問題是壩基（肩）巖溶滲漏，滲漏量大、異常物理場明顯，結(jié)合現(xiàn)場地形條件和各物探方法特點，選擇綜合物探法技術(shù)方案：自然電場法用以探查壩體、左右?guī)彀稘B漏通道；流場法用以探查庫區(qū)滲漏入水口位置，高密度電法用以確定壩體、壩基巖土特性，判別滲漏深度與范圍［1-2］。

表1 土石壩滲漏成因分析一覽表Table 1 Statistics of seepage causes of earth dam

2 各物探方法工作原理及適用條件

2.1 自然電場法

所謂自然電場，即無須人工供電，利用地下天然存在著的電場。大壩滲漏水是一種特殊的地下水，與它有關(guān)的自然電場有擴散吸附電場、氧化還原電場和過濾電場三種形式，水庫大壩自然電場是以過濾電場為主，過濾電場是自然電場法探測滲漏隱患的場源。當(dāng)水流在一定的滲透壓力作用下通過巖石的孔隙或裂隙時，由于巖石顆粒表面對地下水中的陰離子具有選擇的吸附作用，因此，在水流的上游會留下多余的陰離子，而下游有多余的陽離子，從而將在水流方向產(chǎn)生電位差，形成自然電位異常。通常在漏水點形成負(fù)自然電位異常，而在出水點出現(xiàn)正的自然電位異常，這便為開展自然電場法檢測滲漏通道提供了前提條件［3］。

自然電場法在土石壩安全隱患探測中具有一定的局限性，具體體現(xiàn)為：需要土壤濕潤均勻，保持接地條件良好，不得選擇在地形切割嚴(yán)重、地表干燥的地方或亂石堆上進行探測，還要避免能產(chǎn)生氧化還原的巖土層或流水溝。

2.2 流場法

流場法（流場偽擬合法）是利用水流場與電流場的相似原理，在水中發(fā)送一種特殊波型的電流場（偽隨機信號），通過測量水中電流密度分布，間接確定管涌與滲漏入口位置。流場法的核心技術(shù)是用電流場擬合滲漏的水流場，電流場的密度向量分布與滲漏水流場的水流密度向量相似，電流場的密度向量將集中指向滲漏水的入口，根據(jù)電流場的密度變化確定滲漏區(qū)的部位［4］。

此方法可非常準(zhǔn)確地找到滲漏的入水口，但無法確定滲漏水通道位置，而且對滲漏量級也有一定要求。

2.3 高密度電法

高密度電法是地球物理電法勘探的一種重要方法，就其原理而言，與常規(guī)電阻率法完全相同。高密度電法實際上是一種陣列式電阻率測量方法，它將常規(guī)直流電法勘探技術(shù)與計算機數(shù)字技術(shù)相結(jié)合，集電剖面和電測深于一體，采用高密度布點，進行二維地電斷面的測量，既能揭示地下某一深度水平巖性的變化，又能提供巖性沿縱向的變化情況。高密度電法的成果以視參數(shù)剖面圖、斷面等值線圖等形式給出，在縱向上或者橫向上都能直觀地反映出地質(zhì)體不同電性結(jié)構(gòu)分布特征［5］。

當(dāng)土石壩中出現(xiàn)滲漏、空洞等安全隱患時，該隱患區(qū)域的電阻率會出現(xiàn)很明顯的變化，因此該方法在探測滲漏、空洞時效果顯著。高密度電法探測技術(shù)的缺點是對沒有明顯地電差異的地質(zhì)體反應(yīng)不太敏感，探測結(jié)果大多為定性分析，對滲漏量大小等參數(shù)無法進行定量分析。

3 現(xiàn)場測線布置與資料解釋

3.1 現(xiàn)場測線布置

（1）在主壩布設(shè)了3條自然電場法測線，分別位于下游一級平臺（高程約574.30 m）、二級平臺（高程約566.90 m）和三級平臺（高程約559.80 m）；副壩布設(shè)了2條自然電場法測線，上游近水平臺（高程約579.50 m）和壩頂（高程585.00 m），測點間距為2～4 m。自然電場法測試使用直流電法（激電）儀和Cu-CuSO4不極化電極。

（2）流場法主要在主、副壩近水面區(qū)域探測滲漏入口。在近水面布置3條測線，在庫區(qū)（庫岸）布置7條測線，測線間距4 m。結(jié)合現(xiàn)場實際探測情況，判斷標(biāo)準(zhǔn)如下：正常區(qū)的強度值定為J＜15，異常區(qū)的強度值定為J≥15?，F(xiàn)場測量采用劃船沿測線行走，每隔1 m測讀一次數(shù)據(jù)；每次測讀數(shù)據(jù)時，將探頭置入河堤底，然后拉起約20 cm，查看接收機顯示值，若發(fā)現(xiàn)J≥20則利用浮標(biāo)進行定位。流場法測試使用堤壩管涌滲漏檢測儀，選擇已封堵涵洞的巖溶泉滲漏出口為B極。

（3）高密度電法重點探測副壩壩體與基礎(chǔ)，共布設(shè)2條測線，1號測線對應(yīng)自然電場法壩頂測線（高程585.00 m）位置，2號測線位于副壩下游壩腳平臺處（高程約579.50 m）。兩條測線長均為120 m，測點距2.0 m。高密度電法探測使用高密度電法測量系統(tǒng)，采用溫納裝置，60路電極，最大間隔系數(shù)為10層。

3.2 資料分析

3.2.1 流場法

根據(jù)實測資料，主副壩近水面3條測線的測值均在15以內(nèi)，屬于正常場范圍。發(fā)現(xiàn)集中滲漏區(qū)兩處，散浸區(qū)一處：原臥管高程約571.7 m處，偽隨機流場強度值高達55，屬于嚴(yán)重異常；副壩右壩端上游92 m處（枯水期時為一陡坡），強度測值為35～40，屬于嚴(yán)重異常。副壩左岸上游65 m處測值維持在20～30，存在明顯異常，面積約30 m2，判斷為散浸滲漏口，滲漏入口平面分布詳見圖1。

為驗證流場法判斷滲漏入口的準(zhǔn)確性和可靠性，在枯水期時，對庫區(qū)出露區(qū)域進行了詳細(xì)查勘，發(fā)現(xiàn)以上三處異常區(qū)均存在不同程度的孔洞和流水痕跡。

3.2.2 自然電場法

圖2是副壩近水平臺和壩頂?shù)膬蓷l自然電位曲線圖，1號測線樁號F0+030～0+050段和F0+060～F0+068段均處于低值電位區(qū)，自然電位值均在-5 mV以下，為滲漏區(qū)域；F0+054和F0+074存在高值異常，最高達17 mV，系表層堆石所致。2號測線樁號F0+076和F0+016處明顯低電位屬異常，最小值為-13.5 mV，屬異常滲漏帶；壩頂F0+152處電位值高達11 mV，其位置對應(yīng)于封堵涵洞正上方，且靠近灌漿位置，故存在高值異常。

圖3是主壩下游平臺3條測線的自然電位曲線圖，三條測線初始段均出現(xiàn)自然電位負(fù)值，明顯低于其他位置的測值，可判斷主壩右壩肩自上而下有不同程度的繞壩滲漏。主壩下游三級平臺5號測線的Z0+062處電位值低于-18 mV，存在滲漏異常區(qū)，與3號測線的Z0+042測點和4號測線的Z0+052測點低電位值對應(yīng)，可判斷其極有可能為一滲漏通道。根據(jù)下列經(jīng)驗公式可推測滲漏通道頂部埋深：

式中：H——滲漏通道頂部埋深，m；h——低值異常區(qū)寬度，m。

推測5號測線Z0+062處的滲漏通道埋深約為30 m。后經(jīng)地質(zhì)鉆探驗證，進尺31.2 m時出現(xiàn)掉鉆現(xiàn)象。

圖1 庫區(qū)滲漏入口平面分布圖Fig.1 Distribution of leakage entrance in reservoir area

圖2 副壩自然電位曲線圖Fig.2 Pontaneous potential curve of auxiliary dam

圖3 主壩自然電位曲線圖Fig.3 Spontaneous potential curve of main dam

3.2.3 高密度電法

圖4是副壩下游壩腳高密度電阻率反演結(jié)果，從圖中可以看出：（1）剖面深度1～3 m處有一條帶狀低阻異常區(qū)，分析為下雨形成的浸水區(qū)；（2）樁號F0+069～F0+085段、深度4～10 m范圍有一處40～80 Ω·m的低阻異常區(qū)，分析為嚴(yán)重滲水區(qū)域；樁號F0+160～0+170段、深度4～9 m范圍有一處50～80 Ω·m的低阻異常區(qū)，分析為嚴(yán)重滲水區(qū)域；（3）樁號73.5 m和121 m附近、深度11～15 m范圍各有一處100～150 Ω·m的低阻異常區(qū)，分析為滲水區(qū)。由此，判斷副壩樁號F0+069～F0+085段、高程570.5～567.5 m區(qū)域為滲漏帶。

圖4 副壩下游壩腳高密度電阻率剖面圖Fig.4 Profile of high-density resistivity in downstream toe of auxiliary dam

3.2.4 綜合分析

綜合自然電場法、高密度電法及流場法三種方法所測得的資料進行分析，并結(jié)合地質(zhì)資料和現(xiàn)場勘查得出如下結(jié)論：副壩上游近壩庫岸存在三處滲漏入口，其中兩處為集中滲漏入口；主壩右壩肩存在繞壩滲漏，壩基存在一條深層滲漏通道；涵洞封堵段無滲漏跡象，副壩樁號F0+069～F0+085段、高程570.5～567.5 m區(qū)域?qū)贊B漏嚴(yán)重區(qū)。

上述物探結(jié)論在水庫枯水期查勘和地質(zhì)勘探中得到了進一步的驗證。綜合物探法充分發(fā)揮了各方法技術(shù)優(yōu)勢，取長補短，最終準(zhǔn)確直觀地對水庫滲漏情況進行了有效分析和判斷。

4 結(jié)語

物探是一種間接的勘探方法，以一定的地質(zhì)因素與物理現(xiàn)象間的相關(guān)性為前提。在水庫大壩滲漏隱患的探測中，需要充分發(fā)揮綜合物探的作用，根據(jù)不同方法原理和適用條件，通過多種方法測試成果的綜合對比分析，克服單一方法的局限性，消除推斷解釋中的多解性。當(dāng)然，單靠物探方法是不全面的，還需要結(jié)合有關(guān)地質(zhì)資料加以佐證，以提高綜合物探成果的準(zhǔn)確性。針對水庫大壩滲漏問題，充分利用水的“低電阻率、高介電常數(shù)”的物理特性，提出了基于“自然電場法”、“流場法”和“高密度電法”的綜合物探法應(yīng)用，是綜合使用物探方法的一次有效嘗試。

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[2]譚界雄,任翔.我國小型病險水庫病害特點及除險加固技術(shù)[J].中國水利,2011(14):31-33.

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