A.K.Hughes（英國(guó)），M.L.Jessop（美國(guó)）（.阿特金斯顧問有限公司；.Willowstick科技公司）

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大壩滲流定位及案例分析

A.K.Hughes1（英國(guó)），M.L.Jessop2（美國(guó)）
（1.阿特金斯顧問有限公司；2.Willowstick科技公司）

對(duì)于大多數(shù)大壩都存在的滲漏問題，保持監(jiān)測(cè)并及時(shí)采取修復(fù)措施是常用的策略。筆者介紹了用于探測(cè)地下水的Willowstick創(chuàng)新性新方法，通過識(shí)別、定位和模擬通過地下的電流路徑，它能探查建筑物滲漏水滲徑和測(cè)定滲漏型式。該方法可用于幫助進(jìn)行資產(chǎn)管理、制定修復(fù)措施，筆者列舉了相關(guān)應(yīng)用案例，供參考。

滲漏；Willowstick方法；檢測(cè)

大多數(shù)大壩都存在某種程度的滲漏問題。若大壩服役期間工況穩(wěn)定且可持續(xù)，并對(duì)滲漏狀況保持監(jiān)測(cè)，則該類滲漏就不一定會(huì)造成重大問題。但是，若滲漏突然出現(xiàn)或突然增大，則可能對(duì)大壩造成風(fēng)險(xiǎn)，或流失水量的經(jīng)濟(jì)損失巨大，這類滲漏均應(yīng)開展調(diào)查和修復(fù)工作。通常，在不清楚滲漏滲徑的情況下必須快速地執(zhí)行調(diào)查，否則可能會(huì)導(dǎo)致修復(fù)工作規(guī)模巨大且十分昂貴。這是選擇用獨(dú)立的鉆孔或一系列鉆孔攔截還是辨識(shí)各滲漏滲徑的問題。大壩失事模式之一就是管涌。對(duì)土石壩，大壩管涌通常貫穿大壩、貫穿壩基或兩者皆有；對(duì)混凝土重力壩，管涌可能發(fā)生在壩基或壩肩。

在許多案例中均可以找到滲流滲徑。通過緩慢降低水位，塌坑或其他物理特征會(huì)呈現(xiàn)出來，有時(shí)可以發(fā)現(xiàn)滲漏點(diǎn)。比較困難的是確定滲漏水穿透大壩、在大壩之下和繞過大壩的滲徑。這一問題隨著創(chuàng)新性新方法的使用而有所改變。

1　創(chuàng)新性新方法

Willowstick是美國(guó)一家科技公司，專業(yè)從事建筑物滲漏水滲徑和滲漏型式的預(yù)測(cè)和測(cè)定工作。Willowstick是一種創(chuàng)新的地球物理學(xué)方法，它將低壓、低安培的電流直接引入要探測(cè)的地下水。與交變電流一樣，該電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，用感應(yīng)儀器在地表可測(cè)得該交變磁場(chǎng)。

該磁場(chǎng)是由大型電路產(chǎn)生的，包括三個(gè)部分：（1）連接兩個(gè)電極的電路接線；（2）接地耦合的電極或點(diǎn)；（3）目標(biāo)地下研究區(qū)域本身，通常其位于兩電極之間，而兩電極通常策略性地與水直接接觸。為調(diào)查大壩滲漏，一個(gè)電極被放在水庫(kù)大壩的上游，返回電極在大壩下游直接與水接觸，比如放置在滲漏水中或觀察井內(nèi)，便于與穿透大壩或大壩下的滲漏水接觸。電流會(huì)選擇優(yōu)先路徑且集中在飽和的地下區(qū)域內(nèi)，因?yàn)閺拇颂幋┰酱髩巍⒒驈拇髩沃禄?和從周圍通過大壩的電阻最小。大多數(shù)情況下，電流的最小阻力路徑是飽和地下區(qū)域中更具連通性的孔隙形成的通道。由于交變電流有各種優(yōu)先路徑可穿透大壩或從大壩下或周圍穿透，它會(huì)產(chǎn)生具有電流特征的磁場(chǎng)。這種特定的磁場(chǎng)可在地面使用移動(dòng)的高敏磁接收器以網(wǎng)格模式進(jìn)行識(shí)別和測(cè)定。

在地面每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)處，對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，以確定其分布和電流的連通模式。測(cè)量站點(diǎn)的位置（坐標(biāo)）采用差分全球定位系統(tǒng)（Differential Global Positioning System，DGPS）獲取，并與磁場(chǎng)數(shù)據(jù)一并記錄。隨后，結(jié)合現(xiàn)有的水文地質(zhì)信息對(duì)測(cè)得的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、繪制等值線圖、建模和進(jìn)行解釋，以促進(jìn)對(duì)調(diào)查區(qū)域下方滲流路徑的定性。

圖1　典型測(cè)量設(shè)置圖（平面圖）Fig.1 Typical survey setup（plan view）

2　Willowstick方法的物理原理

Willowstick方法使用以下物理原理，表明了該方法為什么可以用來識(shí)別、定位和模擬通過地下的電流路徑，以此來探查各條水道：

（1）電流沿最小阻力通道行進(jìn)。通常，水在地下是最佳的自然電導(dǎo)體。

（2）電流通過導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，反映來源的特征；

（3）基于麥克斯韋方程，導(dǎo)體中的交變電流會(huì)在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，反之亦然，交變磁場(chǎng)會(huì)在受交變磁場(chǎng)影響的導(dǎo)體中產(chǎn)生交變電流。

（4）導(dǎo)電性會(huì)將電流聚集在地下。地下的電流會(huì)沿長(zhǎng)導(dǎo)體或?qū)щ妳^(qū)域傳播，以促進(jìn)A、B兩點(diǎn)（即兩電極）之間的電流傳導(dǎo)。第一個(gè)就是地下水流動(dòng)路徑和通道。當(dāng)電流可能通過地下的研究區(qū)域，電流會(huì)聚集和通過最具導(dǎo)電性的介質(zhì)，通常就是地下水、滲流或滲漏的區(qū)域。

3　Willowstick方法的使用

結(jié)合大壩的管理，Willowstick方法有以下三種不同的應(yīng)用模式。

3.1被動(dòng)型

對(duì)新的滲漏做出響應(yīng)本質(zhì)上是一個(gè)被動(dòng)的過程，這要求進(jìn)行快速的響應(yīng)、快速的分析以及快速的行動(dòng)，可能需要降低庫(kù)水位，通過采取針對(duì)性的補(bǔ)強(qiáng)加固措施來保證大壩安全。Willowstick方法是無損性方法，且布設(shè)時(shí)間很短。初步結(jié)果通?？梢栽跍y(cè)量后的24 h內(nèi)獲得，可用于制訂有針對(duì)性的補(bǔ)強(qiáng)加固工作。

3.2主動(dòng)型

最常見的情況是主動(dòng)應(yīng)用，大壩業(yè)主開始擔(dān)心大壩工況（如出現(xiàn)細(xì)微的跡象、長(zhǎng)出蘆葦或局部濕潤(rùn)等），或意識(shí)到存在滲漏且可能變得更嚴(yán)重，或滲漏的質(zhì)和量開始發(fā)生改變（出現(xiàn)渾濁水流或細(xì)粒物的沉淀等）時(shí)，大壩業(yè)主會(huì)希望找到滲漏的來源并確定其是否會(huì)發(fā)展成為危險(xiǎn)工況。

無論是在整個(gè)大壩還是在某一特定區(qū)域進(jìn)行，Willowstick的調(diào)查都可以立刻確定滲漏的平面和高程位置。一旦完成調(diào)查，就可以做出判斷，滲漏是否危及大壩安全、是否是庫(kù)水滲漏、是否需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，如果需要，則需要接著設(shè)計(jì)具有針對(duì)性的應(yīng)對(duì)措施。

補(bǔ)強(qiáng)加固措施可以有針對(duì)性地重點(diǎn)關(guān)注這些位置，比如僅需在已知的滲漏區(qū)域采用灌漿或隔水墻/樁技術(shù)。對(duì)滲漏深度特征的了解可幫助選擇最合理的施工技術(shù)和規(guī)劃，且對(duì)業(yè)主來說，相比于對(duì)工況不完全了解或進(jìn)行假設(shè)而造成必須進(jìn)行連續(xù)補(bǔ)強(qiáng)加固（如需處理更大區(qū)域）的情況，對(duì)滲漏深度有了解后所選擇的處理方案可極大地節(jié)省成本，同時(shí)由于清楚滲漏路徑已被封堵，可對(duì)建筑物的安全更有信心。在補(bǔ)強(qiáng)加固工作前后，均可對(duì)建筑物進(jìn)行探測(cè)，以確定修補(bǔ)效果。

對(duì)大壩進(jìn)行灌漿補(bǔ)強(qiáng)的效益可能隨著時(shí)間而遞減——可能是因?yàn)闈B漏路徑?jīng)]有完全被封堵，也可能是因?yàn)楣酀{類型沒選擇正確，庫(kù)水使灌漿發(fā)生了侵蝕，或是由于其他各種原因。最近，對(duì)4年前進(jìn)行過補(bǔ)強(qiáng)加固工程的某一大壩執(zhí)行了Willowstick的探查流程，證實(shí)補(bǔ)強(qiáng)加固工程之后，建筑物的性態(tài)發(fā)生了明顯的惡化。

3.3資產(chǎn)管理

對(duì)擁有一座大壩或包括許多大壩的資產(chǎn)組合的大壩業(yè)主而言，Willowstick還可以用于業(yè)主的資產(chǎn)管理。每5年或10年間隔，對(duì)大壩或這些資產(chǎn)組合進(jìn)行一次探測(cè)，或許正好是在計(jì)劃的獨(dú)立安全檢查之前，這樣就可以看出在此期間工況是否有變化，大壩性態(tài)是否有變化。這一信息可有多種用途，它可以用來評(píng)估采用某種特別的設(shè)計(jì)建造、在某種特定運(yùn)行體制下運(yùn)營(yíng)的某一潛在類型的大壩的惡化程度，也可以成功用于資產(chǎn)組合的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，或單座大壩的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。若能肯定大壩只有輕微滲漏或不存在滲漏，則與管涌相關(guān)的失事概率就能大幅降低或甚至降為0。當(dāng)制訂資金項(xiàng)目或補(bǔ)強(qiáng)加固工程計(jì)劃時(shí)，根據(jù)已知的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行優(yōu)化排序，這能產(chǎn)生顯著的效率和收益。這是資產(chǎn)組合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估或單座大壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)踐中的有效投入。

有些大壩坐落的地基并沒有在大壩下游設(shè)置滲漏觀測(cè)。比如泰晤士河峽谷流域中的許多大壩都坐落在30～40 m厚的沖積層上，穿透大壩粘土心墻的滲漏都會(huì)通過壩基，沒有任何表面滲漏的跡象。英國(guó)洛奇戴爾附近的格林布斯，20世紀(jì)80年代遭遇了與管涌和內(nèi)部侵蝕相關(guān)的嚴(yán)重問題，最終反映為在壩頂形成沉降。盡管發(fā)生了失事過程，但排水系統(tǒng)中未測(cè)得水流，下游也未注意到滲漏，因?yàn)閴沃诽幍牡刭|(zhì)在下游極度傾斜。若當(dāng)時(shí)有Willowstick探測(cè)系統(tǒng)且被應(yīng)用于主動(dòng)型或資產(chǎn)管理工作中，則該事故完全可以避免。

4　案例分析

4.1巴特利大壩

巴特利大壩位于英格蘭伯明翰西南約8 km處，其壩趾處存在3處明顯滲漏，曾進(jìn)行過兩次獨(dú)立但免費(fèi)的檢查，一次是在大壩右側(cè)，一次是在大壩左側(cè)。

兩次檢查都設(shè)置了相似模式的電流，檢查結(jié)果揭示了土石壩下可能存在滲漏水流的區(qū)域。有兩處被證實(shí)可能存在穿透大壩的水流，其中第一條滲漏滲徑位于大壩站址18+75～19+75之間，且在板樁墻的一小段之下或也可能在其周圍有滲漏水流。第二條滲漏滲徑在2次檢查中都被確認(rèn)，位于大壩站址11+00～13+00之間，認(rèn)為在原溪流河道下面有輕微滲漏。

水環(huán)純水務(wù)公司（Severn Trent Water，為英國(guó)第二大水務(wù)公司，上市公司）在滲漏區(qū)域及其附近共鉆了4個(gè)孔。在第一個(gè)、第二個(gè)和第四個(gè)鉆孔約20 m深處，鉆孔液消失在6 m厚的極度碎裂的砂巖層中。在約10 min之后，在下游排水系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了鉆孔液。第三個(gè)鉆孔中的鉆孔液沒有消失，該孔距離檢查到的滲漏滲徑最遠(yuǎn)。對(duì)業(yè)主來說，在下游發(fā)現(xiàn)鉆孔液讓他們對(duì)檢查結(jié)果有了信心。對(duì)大多數(shù)土石壩來說，填筑材料經(jīng)工程處理后都能成功阻止?jié)B漏路徑的發(fā)展，但壩基則更難預(yù)測(cè)，因?yàn)閿嗔?、斷層、風(fēng)化層和其他滲透區(qū)域在施工過程中可能不那么明顯。在該案例中，若沒有地質(zhì)物理探測(cè)的幫助，大壩下的可能滲漏路徑就不能被充分定性。

圖2　壩址地圖Fig.2 Site map

4.2英國(guó)金喬治大壩

第二個(gè)案例是英國(guó)金喬治大壩，它是一個(gè)非蓄水水庫(kù)，壩頂長(zhǎng)約7 km。在下游壩肩一半高程處忽然出現(xiàn)了滲漏，于是降低庫(kù)水位，直至降到比最高水位低了1 m。

業(yè)主機(jī)構(gòu)中的大多數(shù)人都認(rèn)為心墻上部已變干，但水庫(kù)安全經(jīng)理對(duì)此感到擔(dān)憂，要求進(jìn)行Willowstick檢查。大壩建造在砂礫石地基上，采用的是薄型中央粘土心墻和砂礫石壩肩。由于采用了薄型粘土截滲墻，擔(dān)心可能發(fā)生不易被察覺的滲漏和侵蝕。

對(duì)整個(gè)周邊都進(jìn)行了普查，讓業(yè)主了解是否還存在其他穿透土石壩的滲漏，結(jié)果沒發(fā)現(xiàn)其他滲漏。在已知滲漏的區(qū)域，檢查顯示，滲漏是從原地面與心墻的結(jié)合部穿透心墻的。

補(bǔ)強(qiáng)加固工程包括對(duì)目標(biāo)壩段采用地下連續(xù)墻代替粘土心墻。對(duì)歷史記錄進(jìn)行研究表明，缺陷曾經(jīng)出現(xiàn)在原河道線路上。

4.3斯里蘭卡薩馬娜拉維瓦大壩

薩馬娜拉維瓦大壩位于島國(guó)斯里蘭卡，印度國(guó)土南方尖端邊界外面一點(diǎn)。大壩距離首都科倫坡東南約160 km。

圖3　檢查的平面區(qū)域Fig.3 Plan area of investigation

瓦拉維河是斯里蘭卡第五大河流，薩馬娜拉維瓦大壩攔蓄瓦拉維河水。大壩施工始于1986年，1991年完工。大壩為分區(qū)填石土石壩，內(nèi)設(shè)粘土心墻。大壩壩高約為105 m，壩長(zhǎng)530 m，庫(kù)容約254 萬m3，流域面積約350 km2。該大壩不僅是重要的可再生能源資源，還發(fā)揮著供水、防洪、漁業(yè)、野生動(dòng)物棲息等關(guān)鍵效益，對(duì)斯里蘭卡來說，該水庫(kù)還有其他許多不可定量的收益。

圖4　薩馬娜拉維瓦大壩Fig.4 Photograph of Samanalawewa Dam

大壩右壩肩和右邊緣區(qū)域存在巖溶地貌。在水庫(kù)的地質(zhì)調(diào)查和建設(shè)期，曾意識(shí)到巖溶地貌在右岸可能是普遍存在的。在大壩右壩肩原定壩軸線上游300 m處，曾在施工期發(fā)現(xiàn)了巖溶地貌：一個(gè)空洞。該空洞看似沿一處小的斷層形成，該小斷層是許多平行的小斷層之一，其在壩址處形成了鞍狀構(gòu)造。在進(jìn)行Willowstick檢查之前，已花費(fèi)了5 800萬英鎊用于補(bǔ)強(qiáng)加固工程。

在右壩肩研究區(qū)域進(jìn)行的Willowstick檢查采用了兩套調(diào)查裝置，給地下研究區(qū)域供電。在進(jìn)行兩次調(diào)查時(shí)，一個(gè)電極放置在水庫(kù)中（距離大壩上游面和右邊緣區(qū)域一定距離），返回電極被策略性地放置于滲漏水中，與從土石壩下游山體滲出的滲漏水直接接觸。

結(jié)果，在大壩之下沒有發(fā)現(xiàn)滲漏，也沒有發(fā)現(xiàn)穿透大壩本身的滲漏，但是，發(fā)現(xiàn)了滲漏集中在大壩右壩肩之下。滲漏從隧洞南邊和北邊流經(jīng)一系列網(wǎng)狀的路徑?；诮ＤM及標(biāo)注的高程顯示，在調(diào)查時(shí)，隧洞北邊的滲漏在庫(kù)水位高程附近（約440 m）。另外，沿著右邊緣灌漿帷幕存在滲漏，但還沒有達(dá)到穿透右壩肩研究區(qū)域的程度。

Willowstick檢查確認(rèn)了截滲墻失效的兩個(gè)主要區(qū)域：一個(gè)是在隧洞的拐彎處，另一個(gè)是原截滲墻橫穿隧道處。確認(rèn)了穿透右壩肩區(qū)域的滲漏水的兩處主要來源之后，就可以對(duì)薩馬娜拉維瓦大壩采取經(jīng)濟(jì)有效的補(bǔ)強(qiáng)加固措施，以保證大壩的安全和完整性，并將庫(kù)水位蓄回至原定的最高水位，保持其發(fā)電能力。

補(bǔ)強(qiáng)加固工程包括的具體措施為：（1）封堵現(xiàn)有的補(bǔ)充灌漿帷幕中的2處明顯缺口；（2）對(duì)高程約438 m處的主要巖溶區(qū)進(jìn)行定位和填充，預(yù)計(jì)將耗資200萬英鎊。

5　結(jié)語

保障大壩的安全需要使用各種技術(shù)和方法工具。Willowstick是一個(gè)強(qiáng)大的工具，不僅可以幫助查探滲漏和制訂具有針對(duì)性的補(bǔ)強(qiáng)加固措施，現(xiàn)在還是一種資產(chǎn)管理工具，可降低不確定性，幫助對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定性。

使用Willowstick方法的業(yè)主可從中受益，包括：（1）可以對(duì)結(jié)構(gòu)物有更多的了解；（2）對(duì)結(jié)構(gòu)物的性態(tài)發(fā)展有更大的確定性和信心；（3）可大幅節(jié)省補(bǔ)強(qiáng)加固工程的成本。

文獻(xiàn)來源：Proceedings of the Hydro 2015 Conference on Advancing Policy and Practice

翻譯：崔弘毅

校核：許傳桂

Title:Locating seepage through，beneath and around dam//by

A.K.Hughes and M.L.Jessop//Atkins Ltd.

Most dams leak to an extent.Continuous monitoring and timely rehabilitation is the strategy always adopted to ensure dam safety.In this paper，the innovative method，namely Willowstick method is introduced.By identification，mapping and modelling electric current flow paths through the subsurface，individual water paths are traced and the seepage model is determined.The Willowstick method is helpful in asset management and development of rehabilitation measures.As well，some application cases are given，for reference.

seepage；Willowstick method；inspection

TV698.1

A

1671-1092（2016）03-0083-04

2016-04-25