姚紀(jì)華，羅仕軍，宋文杰，劉媛，趙文剛，呂慧珠

(1.湖南省水利水電科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007； 2.長(zhǎng)沙縣重點(diǎn)工程管理局，湖南 長(zhǎng)沙 410100； 3.湖南百舸水利建設(shè)股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

0 引言

運(yùn)行期巖溶水庫(kù)常存在壩體、壩基或庫(kù)區(qū)滲漏問題。其中壩基和庫(kù)區(qū)滲漏多為巖溶或與斷層等共同作用的結(jié)果，而壩體滲漏多為填筑土局部或整體滲透系數(shù)較大所致，這些滲漏隱患和缺陷的存在和繼續(xù)發(fā)展常導(dǎo)致水庫(kù)大壩失穩(wěn)，甚至潰壩，造成巨大災(zāi)難。為此，許多學(xué)者在綜合物探法探測(cè)水庫(kù)壩體、壩基滲漏源[1-3]、滲漏通道[4]、缺陷[5-7]的理論和實(shí)踐運(yùn)用研究。但由于巖溶發(fā)育的隨機(jī)性及壩體填筑土的不均勻性，導(dǎo)致庫(kù)壩區(qū)滲漏源、滲漏通道和缺陷的探測(cè)尤為復(fù)雜，因此，探索出一種準(zhǔn)確率高、可操作性強(qiáng)的巖溶水庫(kù)滲漏探測(cè)的綜合物探法是十分必要和迫切的。

滲漏存在常引發(fā)場(chǎng)地物性特征變化和異常[8]，單一物探法受其本身局限性，揭露的場(chǎng)地物性特征常具局限性，致使水庫(kù)滲漏源、滲流通道位置等信息存在偏差或誤差。而綜合物探法可獲得多種物性探測(cè)成果，彼此驗(yàn)證、相互補(bǔ)充，減少多解性，去偽求真，可較準(zhǔn)確反演出庫(kù)壩區(qū)滲漏和缺陷發(fā)育特性。 本文通過深入分析多種物探法，并考慮到巖溶水庫(kù)滲漏源和滲流通道等探測(cè)的復(fù)雜性，綜合采用流場(chǎng)法、自然電場(chǎng)法、高密度電阻率法查明運(yùn)行期某巖溶水庫(kù)某時(shí)期內(nèi)滲漏缺陷發(fā)育特征和原因。以期為類似工程滲漏、缺陷探測(cè)提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

某水庫(kù)位于溆浦縣溆水支流，為巖溶水庫(kù)，水庫(kù)大壩為均質(zhì)壩，壩頂高程均為297.3 m，最大壩高20.9 m，壩頂軸線長(zhǎng)150 m，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、養(yǎng)殖等綜合效益的重點(diǎn)中型水利工程。大壩及左岸庫(kù)區(qū)基巖為石炭系中上統(tǒng)婁山關(guān)群(∈2+3)白云質(zhì)灰?guī)r，巖溶相對(duì)不甚發(fā)育；為F2所割的大壩右岸基巖為寒武系下統(tǒng)清虛洞組(∈1q)灰?guī)r，巖溶極其發(fā)育，地表見溶溝、溶穴和溶洞；壩體為均質(zhì)壩，填土巖性為含碎石粉質(zhì)黏土。壩址發(fā)育有NNW斷裂，非活性張性正斷層。受右壩肩正斷層F2的影響，某水庫(kù)巖溶更為發(fā)育，滲漏問題更嚴(yán)重。經(jīng)多次防滲處理后，庫(kù)壩區(qū)下游滲漏水依然存在，且日趨嚴(yán)重。

2015年6月4號(hào)(此時(shí)庫(kù)水位約290.2 m)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)壩下老隧洞出口右岸見一滲漏量約為0.42 L/s集中滲漏點(diǎn)，其附近壩體也見面積約為15 m2左右的散浸區(qū)；右壩肩下游F2斷層出露點(diǎn)(高程275 m左右)見一滲漏量約為0.76 L/s集中滲漏；大壩壩體中部下游二級(jí)壩坡坡腳較一面積約為20 m2的散浸區(qū)；右岸山體下游山腳(高程280 m左右)見一滲漏量約為0.64 L/s集中涌水點(diǎn)(如圖1)，據(jù)當(dāng)?shù)卮迕窠榻B只有汛期才能看到此涌水點(diǎn)。且下游集中滲漏點(diǎn)滲漏量和散浸區(qū)面積出現(xiàn)低水位時(shí)部分消失，但也隨著庫(kù)水位升高顯著增大，且近年來滲漏逐月增大，已嚴(yán)重威脅著大壩安全。

可見，庫(kù)壩區(qū)存在壩體、壩基、涵管滲漏等問題，傳統(tǒng)地質(zhì)鉆探方法根本無法揭露出庫(kù)壩區(qū)存在的滲漏源和滲漏通道，進(jìn)而難以實(shí)現(xiàn)對(duì)庫(kù)壩區(qū)滲漏問題進(jìn)行針對(duì)性地加固處理。而綜合物探法可在平面、垂直向及水平向解釋出這些信息。

圖1 物探法測(cè)線現(xiàn)場(chǎng)布置及庫(kù)壩區(qū)滲漏出入口示意Fig.1 Site layout of geophysical survey line and schematic diagram of leakage inlet and outlet of reservoir dam area

為獲得工程區(qū)內(nèi)巖土的電性特征，對(duì)地質(zhì)鉆探時(shí)取得的壩體、壩基及壩肩巖芯進(jìn)行電阻率測(cè)定，其中壩體土芯取樣位置從壩頂?shù)綁蔚?、左岸到右岸均勻分布，壩基、壩肩巖芯從強(qiáng)風(fēng)化到微風(fēng)化也分布較均勻。由物性參數(shù)(表1)可知庫(kù)壩區(qū)巖土體電性特征：寒武系下統(tǒng)清虛洞組(∈1q)灰?guī)r為中高阻，平均電阻率約為1 227.4 Ω·m；石炭系中上統(tǒng)婁山關(guān)群(∈2+3)白云質(zhì)灰?guī)r為中低阻，平均電阻率為613.8 Ω·m；壩體含碎石粉質(zhì)黏土則表現(xiàn)為低阻特征，平均電阻率低于100 Ω·m；可見，庫(kù)壩區(qū)不同巖土體相互之間電性差異較大，具備地球物理勘探前提。

表1 工程區(qū)巖土體電阻率Table 1 Resistivity of rock and soil in engineering area

2 野外工作方法與技術(shù)

鑒于流場(chǎng)法、自然電場(chǎng)法和高密度電阻率法，以及庫(kù)壩區(qū)滲漏問題在垂直、水平和平面位置上的復(fù)雜性，加之水庫(kù)滲漏情況和原因查明的迫切性。本次現(xiàn)場(chǎng)綜合采用流場(chǎng)法、自然電場(chǎng)法和高密度電阻率法(表2)，在充分利用三種方法各自優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，并結(jié)合工程地質(zhì)條件，相互補(bǔ)充、相互佐證，查明滲漏情況，并深入分析其緣由，以期為水庫(kù)防滲加固提供基礎(chǔ)資料和有力支撐。

2.1 流場(chǎng)法

壩體(基)滲漏水和正常滲流形成的物性場(chǎng)具有明顯差異性，導(dǎo)致其在巖土體中的運(yùn)移特點(diǎn)、水土(巖)作用方式和作用時(shí)間顯著迥異[9]。

正常情況下，地下水流場(chǎng)為正常場(chǎng)，當(dāng)水從高水頭滲漏源向滲漏出口發(fā)生運(yùn)移，則變成異常場(chǎng)，其中高水頭區(qū)滲漏入口位置異常最顯著，其水流速度的矢量場(chǎng)同時(shí)指向下游滲漏排泄口，這種流場(chǎng)異常性成為探測(cè)滲漏入口可以利用的物理實(shí)體[10]。

表2 主要探測(cè)方法和儀器設(shè)備Table 2 Main detection methods and instruments

實(shí)踐中現(xiàn)場(chǎng)采用偽隨機(jī)流場(chǎng)法在滲漏出口和庫(kù)內(nèi)高水頭區(qū)發(fā)射信號(hào)電流形成異常信號(hào)電流場(chǎng)，同時(shí)異常滲流場(chǎng)得到強(qiáng)化，綜合兩種流場(chǎng)成果，利用其數(shù)學(xué)形式上的相互關(guān)系，擬合其時(shí)空分布形態(tài)間內(nèi)在聯(lián)系。通常情況下，信號(hào)電流主要沿漏水通道運(yùn)移，信號(hào)電流場(chǎng)差異顯著，而其他地段信號(hào)電流很小，處于正常場(chǎng)狀態(tài)，因此測(cè)定到異常場(chǎng)位置就大致測(cè)定滲漏源位置[11]?？梢姡瑐坞S機(jī)流場(chǎng)法適合用于探測(cè)滲漏源位置，無法揭露庫(kù)壩區(qū)巖土體中滲漏通道和缺陷的位置，更無法測(cè)定滲漏量大小。

工作時(shí)，在大壩及左壩肩山體近水面布設(shè)測(cè)線3條(測(cè)線c、測(cè)線d和測(cè)線e)、右壩肩山體近水面布設(shè)2條(測(cè)線a和測(cè)線b)，共計(jì)5條測(cè)線，測(cè)線間距為4 m。依次將A電極放置在庫(kù)壩區(qū)下游多個(gè)集中滲漏處，B電極放置庫(kù)區(qū)離5條測(cè)線距離皆約200 m左右位置處；分別用絕緣導(dǎo)線將A、B電極連至大壩壩頂上的發(fā)送機(jī)上(見圖1)。

沿每一根測(cè)線劃船行走，每隔1～2 m先將探頭置入水下至觸碰到巖(土)體，后拉起約20 cm，讀取接收機(jī)上顯示數(shù)據(jù)，大于等于20 mA時(shí)進(jìn)行定位標(biāo)記。主要探測(cè)近壩庫(kù)區(qū)內(nèi)滲漏源位置。根據(jù)偽隨機(jī)流場(chǎng)法接收機(jī)測(cè)得強(qiáng)度值J判斷是否屬于異常。測(cè)區(qū)電流密度一般在1～15 A/m2范圍屬于正常場(chǎng)， 異常部位電流密度通常為正常值2～3倍以上，且滲漏進(jìn)水口電流密度曲線呈“峰”形[12]。

2.2 自然電場(chǎng)法

當(dāng)水在巖土體孔隙中運(yùn)移時(shí)，地質(zhì)體表面的過剩離子鍵會(huì)與水中的H+或OH-離子結(jié)合，導(dǎo)致流動(dòng)水體中H+或OH-離子局部過剩，造成了電位異常[13]。在水庫(kù)高水頭作用下，庫(kù)壩區(qū)滲漏通道中運(yùn)移的水一般流速較快，導(dǎo)致水體中H+或OH離子不均衡性更嚴(yán)重，引起滲漏源和通道一定區(qū)域內(nèi)自然電位出現(xiàn)顯著異常，利用這種異常性可大致推測(cè)出巖土體中滲漏通道和滲漏缺陷等的水平位置。但自然電場(chǎng)電位易受地電干擾，時(shí)有波動(dòng)，出現(xiàn)異常電位，即并非一切異常皆為滲漏隱患所致，但顯著出現(xiàn)較大負(fù)或正電位部位常為滲漏隱患。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)自然電位異常值超過正常值的1.3～1.5倍時(shí)，滲漏隱患的可能性高達(dá)95%以上[14]。

在工作現(xiàn)場(chǎng)平行于大壩壩軸線布置3條測(cè)線。Ⅰ測(cè)線位于大壩上游側(cè)近水面斜坡(高程約290.70 m)，測(cè)線起點(diǎn)為樁號(hào)D0+016(0+000樁號(hào)均從壩頂面與右岸山體交界處起算)，終點(diǎn)樁號(hào)為D0+146，測(cè)點(diǎn)間距為4 m。Ⅱ測(cè)線位于壩頂面與右岸山體交界處(高程297.30 m)，測(cè)線起點(diǎn)樁號(hào)為D0+000，終點(diǎn)樁號(hào)為D0+155，測(cè)點(diǎn)間距為4 m；Ⅲ測(cè)線位于主壩下游一級(jí)平臺(tái)(高程約289.00 m)，測(cè)線起點(diǎn)樁號(hào)為D0+020，終點(diǎn)樁號(hào)為D0+150，測(cè)點(diǎn)間距為4 m，主要為探測(cè)壩體、壩基及壩址區(qū)左右岸山體中滲漏通道的水平大致位置。測(cè)線上出現(xiàn)連續(xù)自然電位小于0或大于0時(shí)，為異常電位，可判斷為滲漏通道疑似位置，且異常的幅度越大，其可能性就越高。

2.3 高密度電阻率法

高密度電阻率法是一種將電法勘探技術(shù)與計(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)相結(jié)合的陣列式電阻率測(cè)量方法，集中了電剖面法和電測(cè)深法的特點(diǎn)，能揭示地下一定深度范圍內(nèi)巖土體橫向和縱向電性變化情況。當(dāng)?shù)叵侣癫貛r土體中出現(xiàn)滲漏通道、空洞、缺陷或與周圍顯著差異時(shí)，這些區(qū)域的電阻率會(huì)出現(xiàn)明顯異常，結(jié)果顯著偏高或偏低。因此，可利用該方法探測(cè)巖土體中滲漏通道或缺陷大致位置，但結(jié)果多為定性分析，對(duì)滲漏量等無法進(jìn)行定量分析[15-17]。且若巖土體受到干擾電差異不明顯或不敏感，將導(dǎo)致其探測(cè)結(jié)果失真。

在大壩壩體上布設(shè)2條測(cè)線(測(cè)線α和測(cè)線β)。測(cè)線α位置位于自然電場(chǎng)法Ⅰ測(cè)線上游側(cè)(高程約293.80 m)，測(cè)線β位于大壩下游二級(jí)壩坡中上部(高程約286.70 m)。兩條測(cè)線長(zhǎng)均為150 m，測(cè)點(diǎn)距3.0 m，主要為探測(cè)壩體、壩基中滲漏通道的水平和垂直方向上大致位置。本次采用溫納四極排列裝置，電極數(shù)為 60，勘探工作使用的電極距測(cè)線α、測(cè)線β為3 m，測(cè)量層數(shù)為10層。

3 探測(cè)結(jié)果與分析

3.1 流場(chǎng)法探測(cè)結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定結(jié)果，大壩及右岸山體近水面只有測(cè)線e，測(cè)量數(shù)值均在1～15 A/m2以內(nèi)，屬于正常場(chǎng)范圍。

測(cè)線c、測(cè)線d測(cè)線的中部出現(xiàn)明顯異常，測(cè)值高達(dá)42～68 mA，該測(cè)點(diǎn)位于封堵老隧洞的正上方，距離水面約12 m，可判斷為集中滲漏入口B。

測(cè)線c測(cè)線的大壩壩體中部出現(xiàn)明顯異常，測(cè)值高達(dá)52～64 mA，可判斷為大壩壩體上游壩坡一集中滲漏入口A。

測(cè)線a和測(cè)線b兩條測(cè)線，在測(cè)量過程中3處區(qū)域出現(xiàn)明顯異常，分別位于左岸小山包中部、斷層F2與測(cè)線相交處和小山包左側(cè)近壩區(qū)測(cè)值維持在40～90 mA，屬異常場(chǎng)，因此可判斷該三處區(qū)域?yàn)?個(gè)集中滲漏口E、D、C(如圖1)

3.2 自然電場(chǎng)法探測(cè)結(jié)果

自然電場(chǎng)法3條測(cè)線測(cè)量結(jié)果見圖2?？梢姡髩螇雾敘驕y(cè)線從D0+006～0+014段處于低電位區(qū)，D0+118～0+122存在高電位異常；上游壩坡Ⅰ測(cè)線D0+114～0+118存在高電位異常；下游一級(jí)壩坡中上部Ⅲ測(cè)線D0+122存在高電位異常；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ測(cè)線在D0+070～0+088皆存在低電位異常。為此，可做如下推斷：

1) 大壩D0+006～0+014段可能存在滲漏通道或積水區(qū)，應(yīng)為F2斷層破碎帶滲漏通道或破碎帶內(nèi)積滿水；

2) 從上游壩坡Ⅰ測(cè)線D0+116至下游壩坡Ⅲ測(cè)線D0+112連線及兩側(cè)3～6m內(nèi)應(yīng)存在一滲漏通道，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)此處為已被封堵的老隧洞，隧洞封堵不密實(shí)，存在滲漏水。

3) Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ測(cè)線在D0+070～0+088連線范圍內(nèi)存在嚴(yán)重滲漏通道。

3.3 高密度電阻率法探測(cè)結(jié)果

高密度電阻率法2條測(cè)線α、β測(cè)量結(jié)果見圖3、4。兩圖深度1～3 m處有一低阻異常(淺藍(lán)色)，應(yīng)為下雨形成的潛水區(qū)所導(dǎo)致的。圖3深度9～12 m處有92.8～120 Ω·m的低阻異常，為滲水區(qū)，圖4點(diǎn)位D0+069～0+085，深度4～10 m處有40～80 Ω·m的大面積低阻異常體(藍(lán)色、深藍(lán)色)，為嚴(yán)重滲水區(qū)域；推測(cè)該兩處上下游滲水區(qū)與大壩右壩段距離相當(dāng)，應(yīng)在壩體內(nèi)相連通。圖4深度11～15 m處有100～150 Ω·m的低阻異常，為滲水區(qū)，此位置大致位于已封堵隧洞上方，推測(cè)封堵隧洞應(yīng)存在滲漏水。

圖2 大壩Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ測(cè)線自然電位曲線Fig.2 Spontaneous potential maps of dam lines Ⅰ，Ⅱ and Ⅲ

圖3 大壩α測(cè)線高密度電阻率反演結(jié)果Fig.3 Inversion results of high density resistivity of α line

圖4 大壩β測(cè)線高密度電阻率反演結(jié)果Fig.4 Inversion results of high density resistivity of β line

3.4 綜合分析討論

綜合流場(chǎng)法、自然電場(chǎng)法和高密度電阻率法三種物探法的探測(cè)結(jié)果，可得出庫(kù)壩區(qū)滲漏情況如下結(jié)論：

1) 小山包上游側(cè)中部的集中入滲點(diǎn)E與其下游山腳涌水點(diǎn)可能是相連通的，山體內(nèi)可能發(fā)育有巖溶通道。

2) 庫(kù)內(nèi)滲漏入口C、D應(yīng)與F2斷層帶及下游斷層露頭相連通，斷層內(nèi)存在從上游庫(kù)內(nèi)至下游貫通的滲漏通道。

3) 大壩壩體中部滲漏入口B應(yīng)與下游壩體壩坡散浸區(qū)相連通，大壩壩體中部存在向下游滲漏的滲漏通道。

4) 庫(kù)內(nèi)滲漏入口A應(yīng)與下游左岸壩腳集中滲漏點(diǎn)和散浸區(qū)相連通，封堵老隧洞內(nèi)存在向下游滲漏的滲漏通道。據(jù)水庫(kù)管理人員回憶，老隧洞為前部四分之三隧洞段和出口四分之一涵管段組成，涵管段于2005年進(jìn)行徹底挖除，并用壩體填土夯實(shí)壓密；隧洞段上、下游段進(jìn)行砼回填。本次綜合物探法探測(cè)結(jié)果表明，2005年封堵老隧洞的封堵質(zhì)量較差，存在滲漏，且水從老隧洞出口滲漏出溢流至下游側(cè)壩體回填土內(nèi)，造成壩體外坡左側(cè)大面積散浸區(qū)和集中滲漏。

4 除險(xiǎn)加固措施及效果分析

根據(jù)綜合物探結(jié)果，對(duì)庫(kù)壩區(qū)針對(duì)性采取了以下加固措施：①大壩右岸小山包集中入滲點(diǎn)E、D、C進(jìn)行注漿封堵，表部5 m×5 m范圍內(nèi)加設(shè)黏土鋪蓋防滲；②斷層F2走向與壩軸線相交位置采用雙排帷幕灌漿，第二排灌漿孔布置于第一排孔之間，并向左右岸延伸30 m；③老隧洞進(jìn)行重新灌漿封堵，滲漏入口B、A挖開，更換防滲土料重新回填壓實(shí)，并在大壩壩軸線上壩體自然電位異常位置進(jìn)行雙排高壓旋噴灌漿加固，灌漿孔深入壩基1 m。

2016年年底除險(xiǎn)加固方案實(shí)施后，庫(kù)壩區(qū)下游散浸區(qū)和集中滲漏點(diǎn)消失，效果顯著，極大降低了庫(kù)壩區(qū)防滲加固工程造價(jià)，且在經(jīng)歷了2017年和2019年汛期水庫(kù)水位連續(xù)多天高于正常蓄水位的考驗(yàn)下，水庫(kù)下游依然未見明顯的散浸和集中滲漏水現(xiàn)象。可見，綜合物探法探測(cè)的庫(kù)壩區(qū)滲漏源、滲漏通道等信息是較為準(zhǔn)確、可靠的。

5 結(jié)論

1) 綜合利用流場(chǎng)法、自然電場(chǎng)法、高密度電阻率法探測(cè)某巖溶水庫(kù)滲漏源、滲漏通道位置等信息，揭露了滲漏發(fā)育特征和原因。且依據(jù)探測(cè)分析結(jié)果對(duì)該水庫(kù)進(jìn)行了針對(duì)性重點(diǎn)部位堵漏防滲，效果顯著?？梢?，綜合物探法探測(cè)的水庫(kù)滲漏信息是可信的，并與實(shí)際較為相符。

2) 探測(cè)結(jié)果表明：每一種物探方法在探測(cè)滲漏和滲流通道有其側(cè)重和不足，單一物探法具有片面性和多解性，而多種物探法卻可相互補(bǔ)充、相互印證，去偽求真，可較準(zhǔn)確地獲得滲漏源、滲流通道等信息。

3) 探測(cè)結(jié)果還表明：老隧洞封堵質(zhì)量較差，存在滲漏問題，并導(dǎo)致其下游側(cè)壩體集中滲漏和大面積散浸；大壩壩體中部存在從上游壩坡至下游滲漏通道，是壩體下游二級(jí)壩坡出現(xiàn)散浸的主要原因；大壩右岸低矮山體存在滲漏入口，并可能與下游山腳的泉水點(diǎn)相連通；大壩右壩肩F2斷層帶防滲性差，存在與下游斷層露頭集中滲漏點(diǎn)相通的滲漏通道。

4) 綜合物探法只能定性在空間上大致確定滲漏源和滲流通道位置，但無法精準(zhǔn)獲得其空間位置、規(guī)模大小和滲漏量大小等定量信息，應(yīng)加強(qiáng)水庫(kù)滲漏缺陷探測(cè)手段、理論模型、信息化監(jiān)測(cè)和成果處理等方面優(yōu)化創(chuàng)新研究與應(yīng)用。