皮 雷，譚 磊，李 波

（1.浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，杭州 310030；2.安徽理工大學地球與環(huán)境學院，安徽淮南 232001；3.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設計研究院），杭州 310020；4.浙江省水利防災減災重點實驗室，杭州 310020；5.安吉縣鳳凰水庫管理所，浙江湖州 313300）

土石壩滲漏安全問題一直是水庫大壩、堤防、海塘標準化管理的焦點與難點，為此工程科技人員從工程項目管理與運行維護、防滲工藝及材料改進、大壩安全監(jiān)測方法、土石壩病害機理研究以及隱患探測［1-4］等方面都開展了大量的研究工作，在工程應用中也取得了一定的成效。但由于大壩建造年代久遠，工程地質及歷年施工加固資料缺乏以及隱患缺陷的隱蔽性等問題以至于除險施工過程具有很大的盲目性［5］，有相當一部分老化水庫經防滲處理后仍然漏水，甚至出現(xiàn)加固完工后滲漏量不減反增的惡劣現(xiàn)象，演變成久治不愈的頑疾，耗費了大量的財力、物力和人力，卻未發(fā)揮出應有工程效益。

大壩異常滲流演變成安全管理最為棘手硬骨頭，歸根結底根源于對隱患的病根認識不清，未能明確滲漏薄弱區(qū)的位置及空間展布，不能提出針對性的具體化防滲處理措施，往往采用“腳痛醫(yī)腳，頭疼醫(yī)頭”的片面化應付，亦或者停留在對全大壩盲目采取不計代價地初級層次的除險設計措施之上，失當或過當?shù)睦速M方案都不能真正意義上最優(yōu)化地解決大壩的根本性滲漏問題［6-8］，只有查明大壩滲漏原因才是有效控制滲漏的前提。物探技術是以巖土介質以及薄弱帶之間的物性差異為基礎，利用可視化解譯手段對大壩進行全斷面、多角度、可透視的無損化掃描測量，高效、及時地準確判斷出大壩隱患的具體分布特征。探地雷達法、孔間CT 技術［9］、高密度電法、示蹤試驗、彈性波法和孔內數(shù)字成像等手段在大壩滲漏探測中應用較為廣泛，為水庫大壩隱患的排查提供了靶區(qū)［10］。但每種探測方法具有本身的局限性和適用條件，同時大壩滲漏隱患的成因及路徑也比較復雜，采用單一的物探方法顯然不能全面、精準地給出隱患的空間位置信息。為此，本文為查明某水庫大壩的滲漏隱患，采用無人機對水庫進行平面攝影的基礎之上，綜合并行電法與瞬變電磁技術對大壩進行探測，再對可疑隱患部位采取鉆孔驗證，最后利用電導率建立起鉆孔、塌陷區(qū)與出水點之間的水力聯(lián)系，從而確定出滲漏隱患的空間展布及形成原因，為除險加固提供技術支撐。

1 工程概況

某水庫大壩壩型為黏土心墻防滲的土石混合壩，壩址以上集雨面積為2.88 km2，水庫總庫容為99.8 萬m3，是一座以灌溉為主的?。?）型水庫。當前，大壩壩頂長133.8 m，壩頂寬度4.5～8.5 m，最大壩高22 m，其中壩頂高程為129.77 m，正常蓄水位126.77 m。溢洪道位于大壩右岸，放水隧洞位于右岸山體，洞內埋設鋼筋混凝土涵管。

水庫始建于1959年底，至1965年5月壩體高17 m，庫容48萬m3，在長達15年的建設期里壩體間斷性地進行加高施工，并且在施工初期已暴露質量隱患。1965年5月，因前期施工過程中在左壩肩上游側山體過量挖取土料，致使左壩肩下游出現(xiàn)嚴重的滲漏，同年采用黃泥及水泥漿液進行灌漿處理，稍有好轉，但仍有滲漏現(xiàn)象。1973年底，因壩體加高需要，又對存在滲漏的左壩肩上游壩坡采用黏土斜墻進行防滲處理，滲漏現(xiàn)象略有好轉。2000年1-3月，左壩肩進行灌漿處理，灌漿后有明顯好轉。2006年10月，大壩右壩肩臨近溢洪道進口附近的上游壩面出現(xiàn)局部塌陷，形成一個直徑約1 m 的坑，經緊急處理，在迎水坡采用黏土覆蓋壓實，覆蓋厚度約1.2 m，覆蓋面積約400 m2。

當庫水位上升到高程120.7 m 時，大壩下游左壩腳存在嚴重滲漏問題，為盡早排查出大壩滲漏的原因以期保障水庫的安全運行，現(xiàn)場采用多重勘測手段進行綜合分析。

2 無損探測方法及成果分析

2.1 大壩無人機低空航拍攝影

無人機低空攝影技術是以無人機作為飛行平臺，結合高清攝像、圖像處理為一體的現(xiàn)代化測量技術，具有輕便靈活、高效便捷、低成本、高精度的特點［11］。近年來，小型無人機攝影技術在鐵路勘察［12］、災害調查［13］、環(huán)境勘查［14］、植被監(jiān)測［15］以及大壩檢測［16］等領域得到廣泛應用，為近距離、高分辨、多視角的安全高效測量工作提供了便利。

現(xiàn)場采用多旋翼準專業(yè)級大疆精靈Phantom 4Pro無人機進行拍攝，水庫大壩的航拍影像如圖2所示。在圖2（a）上，航拍影像能清晰展現(xiàn)出大壩的整體輪廓、公路、建筑物及周邊的植被情況，同時在大壩左岸山體上可以看到堆積體，并且延伸到水庫庫區(qū)及壩腳，整體形態(tài)呈現(xiàn)出滑坡體的形態(tài)，結合水庫的加固歷史、實地調查的壩腳滲漏區(qū)及迎水坡塌陷區(qū)的位置，可以推斷出當前水庫隱患部位主要集中在大壩的左壩段（即分界線的左側），明確了后續(xù)物探工作的靶區(qū)。

圖1 大壩平面及工程布置圖Fig.1 Dam plan and engineering layout

圖2 無人機航拍影像和現(xiàn)場調查Fig.2 Uav aerial image and reservoir survey

2.2 滲漏量與庫水位的關系

工程實踐表明，水庫滲漏量與庫水位具有緊密的關系，通過監(jiān)測滲漏量、庫水位的變化以及建立一定的數(shù)學模型對判斷入滲點的高程、類型以及選擇診治措施具有重要意義。

表1 給出了10 組庫水位與滲漏量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，在庫水位高程為123.71 m時，滲漏區(qū)的滲漏量為16.68 L/s，隨著庫水位的不斷降低，滲漏量也隨之減少，當庫水位下降到與壩頂?shù)母卟顬?.8 m 時，壩腳滲漏消失。根據(jù)滲漏量與庫水位正向關函數(shù)，大壩滲漏與水庫水體具有水力聯(lián)系，并且滲漏入水點的高程在高程120.97 m以上。

表1 庫水位與滲漏點流量的記錄表Tab.1 Records of reservoir water level and leakage point flow

2.3 并行電法探測成果

并行電法是基于水庫大壩內部的隱患電阻率與周圍介質之間的導電性差異，根據(jù)電阻率異常區(qū)的規(guī)模、形態(tài)分布以及埋深等信息，并結合水庫大壩的加固歷史、病癥特點及運維信息從而判斷出滲漏病患的成因及連通性。并行電法成為繼高密度電法之后，電阻率勘探在工作效率、數(shù)據(jù)量又一次飛躍，大大縮短了探測時間，為水庫大壩的應急搶險及巡測提供了技術支撐。在水庫大壩探測時，AM 法成為首選的采集模式［17］（圖3），具體是以測線上的任一電極作為供電電極，另一電極被置于無窮遠處，供電時，測線上剩余的電極全部采集自然場、一次場以及二次場電位數(shù)據(jù)，依次類推，當測線上所有電極都作為供電電極，則采樣結束，從而獲得多裝置的全場地電數(shù)據(jù)體，為水庫大壩隱患的精準探測提供了豐富的信息。

圖3 AM法工作方式原理圖Fig.3 Schematic diagram of AM method working method

現(xiàn)場探測時，測線位于大壩的中軸線上，起始電極位于水庫的左壩頭，電極間距為2.5 m，總計布設61道電極，圖4是經處理后得到的并行電法電阻率剖面圖，從圖上可以看出整體電阻率值較高，尤其在測線上15～50 m段存在孤立的高阻閉合異常，異常區(qū)的電阻率值介于600～850 Ω·m，而在測線上60～80 m 段、深度20 m以下存在低阻的半閉合異常，推測在水庫大壩基礎部位存在滲流薄弱區(qū)，根據(jù)水庫最大壩高為22 m，并且表1給出了庫水位與滲漏量的關系，推斷該部位不應該是當前壩腳滲漏的病灶?？紤]到探測時庫水位低于壩頂約5.3 m，均質大壩處于正常滲流狀態(tài)下左壩段出現(xiàn)高阻區(qū)的概率較小，結合圖2 中的調查結果，該高阻區(qū)可能為主要的滲漏破壞隱患點，引起高阻區(qū)的原因可能是填筑體內含有較多塊石，并且塊石處于不飽和狀態(tài)。此外，根據(jù)遙感影像和地質調查，雖目前大壩滲漏原因與右壩段無關，但斜條帶低阻區(qū)也應引起關注。

圖4 壩頂測線的視電阻率圖Fig.4 Apparent resistivity result for dam top

2.4 瞬變電磁法探測成果

瞬變電磁法屬于時間域電磁勘探技術，是通過分析不同測點的電磁感應信號與時間之間的關系，從而得到探測區(qū)域內電阻率的空間分布。如圖5 所示，不同介質反映出的二次場瞬間的快慢存在差異，不同時刻變化的斜率也具有不同的特性，利用這種差異性即可推斷出地下地質體的分布。瞬變電磁法在水利工程探測中具有獨特的優(yōu)勢，通過拖曳式測量有效規(guī)避了高密度電法布設電極的不便，并且單點指向性測量大大提高橫向分辨率，在堤防大壩快速巡測行業(yè)具有廣闊的應用空間［18］。

圖5 二次場衰減曲線Fig.5 Second field attenuation voltage curves

現(xiàn)場儀器采用HTEM 型瞬變電磁儀，發(fā)射頻率為6.25 Hz，疊加次數(shù)256次，收發(fā)線圈邊長1.8 m，發(fā)射線圈為10匝，接收線圈為67 匝，測道數(shù)為100 道。把多道不同視窗的感應電壓進行計算，得到如圖6 的視電阻率云圖。從圖6 中可以看出，大壩存在3 處低阻異常區(qū)，其中測線10～50 m 段低阻異常相對強烈，經調查在測線20 m位置處有金屬，可能由于強導電金屬干擾的存在造成二次場衰減速度減少；測線上70～80 m 段、135～142 m 段低阻區(qū)與并行電法探測結果基本吻合（圖4），表明大壩可能存在多處隱患，進一步需要鉆探進行驗證。

圖6 瞬變電磁探測成果圖Fig.6 Results of Transient Electromagnetic Detection

3 鉆探及示蹤試驗

3.1 鉆探成果分析

根據(jù)物探成果，在大壩的左壩段布置驗證鉆孔，鉆孔剖面平面布置如圖1 所示。圖7 是大壩地質橫剖面，從各鉆孔揭露的地層可知，本次鉆探發(fā)現(xiàn)大壩自淺層及深分布地層主要為含砂礫粉質黏土、塊石、碎石土以及壩基粉砂巖。其中塊石層在左壩肩山體均有揭露，揭露厚度3.5～14.0 m，根據(jù)左岸地形特征判斷該層為原山坡崩塌體堆積層，塊石層的滲透系數(shù)K=1.2×10-2～2.4×10-1cm/s，平均滲透系數(shù)K=9.8×10-2cm/s，呈強透水性。

圖7 大壩地層橫剖面Fig.7 Horizontal section of dam stratum

需要指出的是，據(jù)水庫除險加固資料記載，左壩肩迎水坡曾采用填筑黏土斜墻防滲處理，但鉆孔ZK103（孔口高程124.30 m）并未揭露到斜墻黏土層，并且觀測到在鉆進塊石層（深度0～10 m）過程中發(fā)現(xiàn)壩腳滲漏點出現(xiàn)渾水現(xiàn)象（圖8），結合當前迎水坡存在多個塌陷區(qū)，大壩左壩段壩基塊石層在橫向上具有連續(xù)性且未有阻斷措施從而形成滲漏通道。

圖8 鉆孔巖心及出水點Fig.8 Drilling core and outlet point

3.2 鉆孔示蹤試驗

在鉆進中，根據(jù)示蹤連通試驗原理，分別在迎水坡塌陷區(qū)進水洞、鉆孔ZK103 一次性投放30L 飽和NaCl 溶液，利用美國Jenco 公司型號3250 的電導率儀測量不同時刻滲漏點的溫度及電導率值，通過監(jiān)測數(shù)值的時序變化判斷出滲漏點與投放點的水力聯(lián)系。

塌陷區(qū)進水洞投放點的高程為124.08 m，對應大壩樁號K0+010，投放前滲漏點的初始水溫26.6 ℃，電導率值為78.1 μS/cm。從圖9 中可以看出，在整個監(jiān)測過程中，水溫基本保持不變，最大波動值為0.2 ℃；歷時30 min 時，電導率值為78.6 μS/cm，相對于初始值變化較小，但在投放時間為60 min時，電導率達到最大值135.2 μS/cm，相對初始值增幅達到73.1%，其后，電導率隨投放時間的延長而逐漸回落。鉆孔ZK103 投放段為0～10 m，在全監(jiān)測過程中，測量水的溫度及電導率總計有8 組，水溫基本上在29 ℃波動，變化幅度較?。辉谕斗臢aCl 溶液70 min時刻，水的電導率達到333.4 μS/cm，相對于初始值增加了244.93 μS/cm，其后滲漏水的電導率值在不斷降低，經260 min后電導率值逐漸接近初始值。

圖9 滲漏水的電導率、溫度隨時間的變化Fig.9 The change of electrical conductivity and temperature of leakage water with time

根據(jù)示蹤劑試驗，塌陷區(qū)進水洞、鉆孔ZK103 與下游出水點具有一定的水力聯(lián)系，并且由于鉆孔ZK103 空間較為狹窄，NaCl溶液達到滲漏點的時間更短，電導率變化的幅度更大。

3.3 滲漏原因分析

從測量、物探、鉆探以及示蹤試驗結果上來看，大壩的滲漏問題主要集中在左壩肩，具體范圍為樁號K0-005～0+040 段、深度在8.8 m 以上；根據(jù)鉆孔ZK103、ZK109、ZK101 以及ZK111 揭露出區(qū)段為塊石層，結合區(qū)域地質及相關資料，該區(qū)域可能為崩塌體，具備了形成滲漏通道的客觀條件。水庫在建設時，大壩左壩肩整體坐落在塊石基礎之上，受當時的經濟技術條件的限制，并未從根本上解決滲漏隱患問題，后期雖進行斜墻防滲處理，但本次鉆孔ZK103 并未揭露防滲體，故水庫大壩滲漏原因可歸結于大壩斜墻防滲體的破壞，建議下一步采用定向處理的方法從根本上消除大壩的病灶［19］。

4 結 論

（1）水庫大壩成因復雜，無人機低空攝影能宏觀判斷出隱患的大致區(qū)域，滲漏點與庫水位的關系有效確定出滲漏點的深度范圍，結合并行電法和瞬變電磁能無損直觀勾勒出滲漏異常，鉆孔取樣、示蹤試驗直觀驗證結果的可靠性，綜合采用多重勘察手段有助于提高對滲漏隱患的診斷水平，同時應優(yōu)化測量、物探、鉆探及示蹤試驗等方法從而有效降低探測的成本及工期；

（2）探測結果表明，水庫大壩滲漏隱患主要與左壩肩K0-005～0+040 段、深度在8.8m 以上的壩基塊石層有關，建議對此區(qū)域進行防滲處理；

（3）從物探成果上來看，大壩內部存在多處物性異常，如何對引起滲漏的主要異常進行甄別是重要的研究課題，同時還需要監(jiān)控非滲漏異常的時空演變規(guī)律，及時作出預報預警。