張明財(cái),祁增云,李 洪

(1.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410083；2.有色金屬成礦預(yù)測(cè)與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410083；3.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西 西安 710043)

堤壩滲漏是危害堤防安全運(yùn)行的主要因素之一，及時(shí)、準(zhǔn)確地封堵堤壩前的滲漏入口或截?cái)嗟虊蝺?nèi)滲漏路徑，是遏制險(xiǎn)情發(fā)展、避免發(fā)生堤壩潰決的有效方法，而查找堤壩內(nèi)部的滲漏隱患成為亟待解決的問(wèn)題。堤壩隱患探測(cè)的常規(guī)方法主要有地質(zhì)鉆探、人工探視和地球物理勘探三種。前兩者均不能滿足快捷、精細(xì)、準(zhǔn)確和無(wú)損等要求。而且地質(zhì)鉆探既具有局部性，又具有破壞性；人工探視方法既費(fèi)時(shí)費(fèi)力，又難于發(fā)現(xiàn)隱患；因此，地球物理方法在堤壩隱患探測(cè)中發(fā)揮著重要作用。分析研究堤壩隱患可能產(chǎn)生的地球物理異常場(chǎng)，選擇有效的探測(cè)方法，是物探方法取得成功應(yīng)用的關(guān)鍵。

近年來(lái)，物探工作者出于對(duì)社會(huì)的責(zé)任感，探索出了大量的堤壩滲漏通道探測(cè)方法。周俊龍,江世永,王兵等[1](2008)在分析高密度電阻率法基本檢測(cè)原理的基礎(chǔ)上，對(duì)采集的數(shù)據(jù)用二維有限元進(jìn)行了模擬成像，檢測(cè)結(jié)果與開(kāi)挖結(jié)果較吻合；杜華坤，喻振華，湯井田[2](2005)在分析已有方法的基礎(chǔ)上，提出利用有限元法將高密度電阻率法用于堤壩滲漏監(jiān)測(cè)并做理論上的分析，數(shù)值模擬結(jié)果表明：高密度電阻率法在理論上能夠?qū)σ欢ㄉ疃确秶鷥?nèi)的滲漏通道進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并結(jié)合多剖面觀測(cè)方法能追溯其走向；王朋[3](2009)結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“土石壩滲漏的波-電耦合成像診斷技術(shù)研究”(合同編號(hào)50779081)，運(yùn)用二維電阻率層析成像技術(shù)對(duì)土石壩滲漏診斷進(jìn)行了較系統(tǒng)的應(yīng)用研究。杜家論,范建軍,王穎軼等[4](2016)在吳淞導(dǎo)堤工程中成功應(yīng)用了超聲波檢測(cè)、探地雷達(dá)技術(shù)，取得了良好的效果。房純綱,葛懷光,賈永梅等[5](2005)研制成功堤防和土壩滲漏隱患探測(cè)專(zhuān)用瞬變電磁儀，并成功應(yīng)用于段堤防和座大壩滲漏隱患探測(cè)。中國(guó)工程院院士何繼善[6](1999)提出了適合在汛期快速探測(cè)堤壩滲漏險(xiǎn)情和滲漏、管涌進(jìn)水口的“流場(chǎng)法”，此后，該技術(shù)不論在工程實(shí)踐[7- 8]中還是在理論研究[9- 10]中都得到了飛速的發(fā)展。

1 工程背景

某水庫(kù)左岸防洪堤在閘前約310m長(zhǎng)為新建堤段，最大堤高20m。之后至庫(kù)尾，堤頂高程按P=2%的設(shè)計(jì)洪水頻率加安全超高確定，堤頂設(shè)1.0m高的防浪墻，能擋P=0.2%的校核洪水位并考慮適當(dāng)?shù)某?。防洪堤迎水面坡?∶1.6，根據(jù)不同的擋水高度及交通要求，在樁號(hào)為左防6+887.50～左防2+166.40按C25鋼筋混凝土面板設(shè)計(jì)，堤頂寬5.0～8.0m；在樁號(hào)為左防2+166.40～左防0+000.00按C20素混凝土面板防滲，堤頂寬5.0m。防洪堤后坡坡比1∶1.5，均采用干砌塊石護(hù)坡。該水庫(kù)自投產(chǎn)運(yùn)行以來(lái)，左岸閘前約310m長(zhǎng)的新建堤段多處出現(xiàn)較大滲漏水，局部呈股狀涌水現(xiàn)象。布置在該堤段末端的滲漏監(jiān)測(cè)資料表明，滲漏量達(dá)到300L/s。后雖經(jīng)過(guò)相關(guān)處理，滲流量有所減少，但根患未除。為確保水庫(kù)安全運(yùn)行，急需滲漏探測(cè)，以便查明入滲點(diǎn)及可能的滲漏通道分布情況。圖1為左防6+687剖面設(shè)計(jì)圖及堤后滲漏圖。

圖1 左防6+687.5剖面設(shè)計(jì)圖及堤后滲漏圖

2 工作方法技術(shù)

由于水庫(kù)整個(gè)堤壩表面為混凝土和干砌石，無(wú)法埋置電極，或無(wú)法形成良好的接地條件，造孔勢(shì)必會(huì)破壞堤壩內(nèi)部構(gòu)造，可能會(huì)造成滲漏的加劇，固在本次檢測(cè)中不采用高密度電阻率法和CT層析成像技術(shù)。結(jié)合工程地質(zhì)特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件，在庫(kù)區(qū)和出水口布設(shè)管涌?jī)x探測(cè)系統(tǒng)，探查滲漏通道入口，在漿砌石壩面布設(shè)探地雷達(dá)和瞬變電磁測(cè)線，以期探查滲漏通道。測(cè)線布置示意圖如圖2所示，其中紅線表示瞬變電磁法測(cè)線，綠線表示探地雷達(dá)法測(cè)線。

圖2 左岸防洪堤滲漏檢測(cè)物探測(cè)線布置示意圖

2.1 偽隨機(jī)流場(chǎng)法

偽隨機(jī)流場(chǎng)法是何繼善院土提出的一種主要用于汛期查找滲漏管涌入水口的新方法。管涌滲漏入水口近似相當(dāng)于堤防內(nèi)部滲流場(chǎng)的源頭，而滲流場(chǎng)的數(shù)學(xué)控制方程為拉普拉斯方程，與恒定電流場(chǎng)的數(shù)學(xué)控制方程相同，因此它們?cè)诳諉?wèn)分布上應(yīng)該具有相似的規(guī)律。偽隨機(jī)流場(chǎng)法通過(guò)在庫(kù)水(或尾水)中分別設(shè)置偽隨機(jī)波形的電流場(chǎng)發(fā)射源，使得該電流場(chǎng)在滲漏通道的分布只與庫(kù)水(或尾水)引起的滲流場(chǎng)高度相關(guān)，通過(guò)滲漏通道中偽隨機(jī)電流場(chǎng)的分布特征來(lái)檢測(cè)其滲流場(chǎng)的特征以及與庫(kù)水(或尾水)的連通關(guān)系。

本項(xiàng)目中A極置于最大滲漏點(diǎn)，無(wú)窮遠(yuǎn)極B置于上游1000m處庫(kù)區(qū)水下12m，并用重物固定。測(cè)試區(qū)域內(nèi)大范圍采用2m×2m網(wǎng)格精度探查，然后對(duì)主要異常區(qū)進(jìn)行橫縱向反復(fù)確認(rèn)。

2.2 探地雷達(dá)法

探地雷達(dá)利用超高頻電磁波(主頻為106～109Hz)以寬頻帶短脈沖形式，通過(guò)發(fā)射天線傳入地下，經(jīng)地下地層或目的物反射后返回地面被接收天線所獲取如圖3所示。由于電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度與波形會(huì)隨所通過(guò)介質(zhì)的電學(xué)性質(zhì)及幾何形態(tài)而變化。因此，根據(jù)接收到波的旅行時(shí)間、幅度與波形資料，可以推斷介質(zhì)結(jié)構(gòu)變化。

圖3 探地雷達(dá)探測(cè)原理示意圖

本項(xiàng)目中采用中心頻率為400MHz的屏蔽天線，沿背水護(hù)坡等高線布設(shè)RD1測(cè)線，沿護(hù)坡坡面布設(shè)RD1～RD6測(cè)線，由于護(hù)坡為干漿砌石，表面凹凸不平，采用點(diǎn)測(cè)模式，測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距為20cm。

2.3 瞬變電磁法

瞬變電磁法又稱(chēng)時(shí)間域電磁法(TEM)，是利用不接地回線向地下發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，在一次脈沖磁場(chǎng)間歇期間，利用線圈觀測(cè)二次渦流，通過(guò)分析二次場(chǎng)的空間和時(shí)間分布規(guī)律解決有關(guān)地質(zhì)問(wèn)題的方法。

圖4 瞬變電磁法探測(cè)原理示意圖

其基本原理就是電磁感應(yīng)定律。根據(jù)其傳播規(guī)律可知，最初激發(fā)的感應(yīng)電流局限于地表，并在緊靠回線處的一次磁場(chǎng)最強(qiáng)，隨時(shí)間推移，地下感應(yīng)電流呈環(huán)帶分布，逐漸向下，向外擴(kuò)散，強(qiáng)度減弱，分布趨于均勻，其探測(cè)原理示意圖如圖4所示。

本項(xiàng)目中在堤壩頂及護(hù)坡分別布設(shè)TEM1和TEM2測(cè)線此次勘探該法布置于左岸防洪堤壩頂及背水面護(hù)坡。測(cè)試參數(shù)為：采用矩形大定源方式，發(fā)射框60m×40m，接收框3m×3m，測(cè)試點(diǎn)距2～3m。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，發(fā)射頻率采用4Hz、8Hz、16Hz三種，30次迭加，采樣間隔16μs，輸出電流4～5A，增益8倍，關(guān)斷時(shí)間3.9μs。

3 探測(cè)成果分析

布設(shè)于水庫(kù)中的偽隨機(jī)流場(chǎng)法測(cè)線成果如圖5所示，靠近堤壩樁號(hào)0～25m范圍內(nèi)信號(hào)值明顯增大，推測(cè)滲漏入口位于該范圍內(nèi)面板與趾板處。

圖5 偽隨機(jī)流場(chǎng)法成果平面圖

布設(shè)于堤壩頂部的TEM1測(cè)線的成果剖面圖如圖6所示，樁號(hào)為18～21m處，高程為350～390m范圍內(nèi)存在明顯的低阻(如圖中白色虛線圈定范圍)，推測(cè)該處為滲漏通道所在。

圖6 TEM1測(cè)線成果剖面圖

沿等高線布設(shè)于干砌石護(hù)坡的雷達(dá)RD1測(cè)線于瞬變電磁TEM2測(cè)線探測(cè)成果分別如圖7(a)、(b)所示。RD1測(cè)線42～80m雷達(dá)電磁波反射明顯增強(qiáng)，TEM2測(cè)線45～80m范圍內(nèi)電阻率明顯降低，推測(cè)該范圍內(nèi)存在滲漏。

圖7 探地雷達(dá)RD1測(cè)線與瞬變電磁TEM2測(cè)線探測(cè)成果

布設(shè)于干砌石護(hù)坡面上的探地雷達(dá)RD2～RD6測(cè)線成果剖面圖如圖8所示，RD3測(cè)線雷達(dá)電磁波反射信號(hào)強(qiáng)烈，為滲漏通道。

圖8 探地雷達(dá)RD2～RD6測(cè)線成果剖面圖

綜合分析偽隨機(jī)流場(chǎng)法、瞬變電磁法和探地雷達(dá)法物探測(cè)線成功，很容易推測(cè)出滲漏通道的空間分布特征：滲漏主要集中在左岸防洪堤壩與大壩交界處18～21m處，高程350～390m范圍內(nèi)(趾板處)，從C20素混凝土面板滲入防洪堤壩體與面板接觸面，沿接觸面滲流，在樁號(hào)45～80m范圍內(nèi)滲入壩體，形成通道，從干砌石護(hù)坡對(duì)應(yīng)位置處形成明流，進(jìn)入排水溝。

4 結(jié)論

當(dāng)滲漏出水口存在明流時(shí)，偽隨機(jī)流場(chǎng)法完全能夠滿足堤防管涌滲漏檢測(cè)的需要，非常適合于水庫(kù)堤防查漏或其他擋水建筑物的滲漏檢測(cè)，其探測(cè)過(guò)程簡(jiǎn)單有效，探測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

在壩頂、背水護(hù)坡等處輔以其他物探方法，可以檢測(cè)壩體內(nèi)部的滲漏通道。壩體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、檢測(cè)工作現(xiàn)場(chǎng)的局限性和干擾、解譯算法的多解性會(huì)影響檢測(cè)成果的，采用多種物探方法相互對(duì)比驗(yàn)證，可提高成果解譯的準(zhǔn)確性。當(dāng)接地條件受限時(shí)，可采用探地雷達(dá)法和瞬變電磁法，滲漏通道處雷達(dá)電磁波反射強(qiáng)烈，瞬變電磁成果中表現(xiàn)為明顯的低阻特征。