姚紀(jì)華，伍佑倫，宋子龍，劉亞玲，梁經(jīng)緯，王 祥

（1.湖南省水利水電科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007；2.湖南省大壩安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410007；3.湖南九一工程設(shè)計有限公司，湖南 長沙 424100）

1 引言

在水利工程“補短板、強監(jiān)管和高質(zhì)量發(fā)展”背景下，運行期病險水庫有效除險成為實現(xiàn)水利薄弱環(huán)節(jié)建設(shè)和提升防汛抗旱能力的首要攻堅任務(wù)。但受加固防滲體的結(jié)構(gòu)形式、填筑材料、施工工藝、施工質(zhì)量和壩體內(nèi)地下水條件等差異性的影響，壩體防滲體滲漏原因分析和滲漏隱患探測變得復(fù)雜而困難。尤其是大壩塑性混凝土防滲墻，其厚度?。ㄒ话銕资迕祝?，對施工技術(shù)水平的要求高，質(zhì)量控制難度大，如果施工不當(dāng)，易留下滲漏缺陷［1，2］。傳統(tǒng)地質(zhì)鉆芯結(jié)合孔內(nèi)注水試驗的方法，往往無法揭露出其質(zhì)量缺陷，或僅能探測出鉆孔位置線上的滲漏隱患，缺乏代表性，無法實現(xiàn)混凝土防滲墻缺陷平面位置、規(guī)模等信息的定性、定量分析，從而針對性地對其進行補強加固，且若鉆孔施工不當(dāng)，易穿透防滲墻，破壞其封閉性，造成新隱患。

為此，許多學(xué)者在大壩塑性混凝土防滲墻材料改良［3－5］、滲流穩(wěn)定［6，7］、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定［8，9］、施工工藝［10］、防水涂層［11］、單一物探法檢測［12，13］等方面做了很多理論和運用探索研究。但對大壩塑性混凝土防滲墻內(nèi)滲漏通道和缺陷診斷識別方面的研究較少。由于水庫大壩塑性混凝土防滲墻滲漏缺陷有效補強加固的前提是實現(xiàn)其精準(zhǔn)探測識別，而傳統(tǒng)地質(zhì)鉆孔結(jié)合孔內(nèi)注水試驗一種有損、效率低、效果極差、極具片面性的診斷方法，難以實現(xiàn)塑性混凝土防滲墻滲漏缺陷的精準(zhǔn)識別。因此，探索出一種精準(zhǔn)度高、易操作的大壩塑性混凝土防滲墻滲漏缺陷識別的無損綜合物探法十分迫切。

鑒于大壩塑性混凝土防滲墻的質(zhì)量缺陷和滲漏隱患等識別的復(fù)雜性，本文綜合采用高密度電阻率法、探地雷達法探測運行期某水庫塑性混凝土防滲墻的滲漏缺陷發(fā)育特征，并依據(jù)識別結(jié)果對其進行針對性的灌漿補強，以解決該水庫大壩滲漏問題，并探索出一種大壩塑性混凝土防滲墻滲漏缺陷無損綜合物探識別方法，為類似工程提供實踐經(jīng)驗。

2 工程概況

2.1 工程地質(zhì)情況

某水庫位于洣水二級支流八團河上游，大壩為心墻壩，心墻為塑性混凝土防滲墻，墻寬僅60cm，最大壩高39.0m，壩軸線175.0m，水庫正常蓄水位206.60m，總庫容約574.6萬m3，是一座以灌溉為主，兼有防洪、養(yǎng)殖等綜合效益的重點?。?）型水利工程。庫壩區(qū)基巖為白堊系上統(tǒng)戴家坪組（K2d）紫紅色含礫泥質(zhì)粉砂巖。

2019年7月9日下午5點（庫水位206.27m），大壩下游三、四級壩坡右壩段見散浸和集中滲漏，且三、四級壩坡皆已出現(xiàn)壩坡滑移和隆起，且三級壩坡已見明顯裂縫，縫長約63m，寬約20cm，深約40cm，同時，三、四級平臺內(nèi)側(cè)排水溝已錯位變形嚴重。左壩段下游四級壩坡坡腳也出現(xiàn)散浸，且坡腳排水溝有積水。壩體中部壩腳棱體底部見集中滲漏點，滲漏量約為2.3L／s（量水堰法實測）（圖1），滲水較清澈。

圖1 綜合物探法測線現(xiàn)場布置及壩體險情示意圖Fig.1 Site layout of comprehensive geophysical prospecting line and dam danger diagram

可見，大壩塑性混凝土防滲墻局部存在質(zhì)量缺陷和滲漏隱患，但傳統(tǒng)地質(zhì)鉆孔法無法揭露其缺陷和隱患發(fā)育位置、規(guī)模和規(guī)律。而綜合物探法可多角度和多維度地解譯出這些滲漏隱患信息。

2.2 工程巖石物性特征

為獲得工程區(qū)內(nèi)巖土物性參數(shù)特征，試驗前從孔頂至孔底均勻取樣，對大壩壩殼料、塑性混凝土防滲墻體、壩基巖體進行電阻率和相對介電常數(shù)測定，取樣兼顧代表性和均勻性，其中電阻率采用QKLRT－2000巖土電阻率測試儀測定，相對介電常數(shù)采用DZ5001介電常數(shù)測試儀和平行板電容法測定，并結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，綜合確定壩體（基）巖土體電阻率及相對介電常數(shù)，見表1和表2。由于現(xiàn)場巖土體樣含水率變化較大，導(dǎo)致測得的巖土體電阻率及相對介電常數(shù)變化范圍也較大。

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

表2 工程區(qū)巖土體相對介電常數(shù)Table 2 Relative dielectric constant of rock and soil in engineering area

由表1可知，大壩巖土體電性特征如下：白堊系上統(tǒng)戴家坪組（K2d）含礫泥質(zhì)粉砂巖為中低阻，平均電阻率約為407.3Ω·m；大壩塑性混凝土防滲墻墻體為中低阻，平均電阻率為213.4Ω·m；大壩壩殼為低阻，平均電阻率為44.5Ω·m。由此可見，庫壩區(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條件。

2.3 多種物探法基本原理及試驗方案

2.3.1 探地雷達法原理

探地雷達法屬于電磁法［14］，以地下巖土體導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性的差異為基礎(chǔ)，利用高頻電磁波，以寬頻帶短脈沖形式，由地面通過天線T送入地下，當(dāng)電磁波信號遇到介電差異較大的地層或目的體，就將電磁波反射回地面，被另一天線R所接收［15，16］。

雷達主機依據(jù)接收回的電磁波信號，形成大壩塑性混凝土防滲墻全斷面掃描圖［8］，獲取其質(zhì)量缺陷和滲漏隱患。

2.3.2 高密度電阻率法原理

高密度電阻率法基于電法勘探和計算機數(shù)字技術(shù)［17，18］，綜合電剖面法和電測深法揭示塑性混凝土防滲墻體二維空間電性變化。當(dāng)防滲墻體存在質(zhì)量缺陷或滲漏隱患時，其電阻率相比周圍顯著偏低［19－24］。因此，可利用該原理識別塑性混凝土防滲墻中滲漏隱患或缺陷的大致位置。

2.3.3 現(xiàn)場試驗方案

本次現(xiàn)場試驗方案采用地質(zhì)雷達法和高密度電阻率法，基于大壩工程地質(zhì)條件，識別出大壩塑性混凝土防滲墻的質(zhì)量缺陷和滲漏隱患，并依據(jù)識別結(jié)果對防滲墻進行灌漿補強，以期解決水庫大壩滲漏問題。

2.3.3.1 地質(zhì)雷達法試驗方案

試驗采用pulseEKKO－PRO專業(yè)型探地雷達，天線頻率為50MHz。在大壩塑性混凝土防滲墻中部沿著壩軸線方向布設(shè)測線1條測線a。探測時，發(fā)射天線T和接收天線R以固定間距沿測線同步從大壩左壩肩移動至右壩肩。根據(jù)接收到的脈沖電磁波，生成探地雷達時間剖面圖像。

2.3.3.2 高密度電阻率法試驗方案

試驗采用DUK－2高密度電法儀，將測線a布設(shè)在大壩塑性混凝土防滲墻中部，位置與測線a重合。為提高測量結(jié)果精度，測點電極間距4.0m，電極總數(shù)為60個。探測壩體、壩基中滲漏通道的平面上大致位置見圖1。

3 試驗結(jié)果與分析

試驗時間為2019年7月10日上午，試驗前庫水位約為201.72m（庫水位持續(xù)下降中），探地雷達法測線a的測量結(jié)果見圖2，高密度電阻法測線a的測量結(jié)果見圖3。

圖2 大壩塑性混凝土防滲墻探地雷達二維圖像Fig.22DGPR image of plastic concrete cutoff wall of dam

圖3 2019年7月10日大壩塑性混凝土防滲墻高密度電阻率反演Fig.3 Inversion diagram of high density resistivity of dam plastic concrete cutoff wall on July 10，2019

由圖2可知，距離左壩端26～40m、66～84m、112～130m和156～170m，壩頂以下深度12～22m范圍內(nèi)，4個區(qū)域圖像皆出現(xiàn)反射幅值顯著異常，雷達波發(fā)生明顯變形。推測可能該4個區(qū)域范圍塑性混凝土防滲墻墻體存在質(zhì)量缺陷，膠結(jié)質(zhì)量和密實度皆較差，屬于滲漏隱患區(qū)。其中，波形變形1區(qū)可能與左壩段下游四級壩坡坡腳散浸區(qū)相連通，波形變形2、3區(qū)可能與壩體中部壩腳棱體底部集中滲漏點有關(guān)；波形變形4區(qū)可能是造成右壩段4級壩坡滑動的主要原因。

由圖3可知，距離左壩端分別為30～45m、70～90m、105～135m和155～172m，壩頂以下深度9～23m范圍內(nèi)存在4個明顯低阻異常（淺藍色、藍色、深藍色），應(yīng)為大壩塑性混凝土防滲墻的防滲薄弱區(qū)。其中，70～90m和105～135m兩個大面積低阻異常區(qū)是嚴重滲水區(qū)，推測其是造成壩體中部壩腳棱體底部集中滲漏點的主要原因；30～45m和155～172m兩個低阻異常區(qū)，與左壩段下游四級壩坡坡腳散浸區(qū)和右壩段三、四級壩坡滑坡、滲漏密切相關(guān)。

可見，兩種物探法揭露的墻體質(zhì)量缺陷和滲漏隱患部位具有高度一致性，經(jīng)過兩種方法反演影像圖相互印證和去偽求真，有效剔除了部分干擾信息，相比單一物探法，誤差率減少30%左右；大壩塑性混凝土防滲墻的4個異常區(qū)可能皆為墻體滲漏隱患。且這4個防滲墻異常區(qū)基本位于同一個高程范圍，推測可能是在該高程范圍進行墻體施工時，施工質(zhì)量控制不嚴，振搗不密實，造成塑性混凝土防滲墻在壩頂以下深度9～23m范圍內(nèi)存在多個區(qū)域質(zhì)量缺陷和滲漏隱患。

4 除險加固措施及效果分析

根據(jù)綜合物探結(jié)果，對大壩塑性混凝土防滲墻進行以下病害處置措施：①全開左岸灌溉低涵和右岸灌溉發(fā)電隧洞，庫水位降至死水位；②對防滲墻壩頂以下深度8～25m范圍內(nèi)4個滲漏隱患區(qū)進行針對性的鉆孔灌漿處理，孔距1.0m，先超細水泥灌漿，后化學(xué)灌漿；③對1＃散浸區(qū)開挖導(dǎo)滲溝，對2＃散浸滑坡區(qū)已滑動土體進行徹底清除，并換土回填，分層夯實。

塑性混凝土防滲墻灌漿孔取芯發(fā)現(xiàn)，防滲墻壩頂以下深度8～25m范圍內(nèi)巖芯以碎塊狀、塊狀為主，局部甚至呈散體狀，膠結(jié)質(zhì)量較差；其他深度內(nèi)巖性多呈柱狀，膠結(jié)質(zhì)量較好，整體性較好。

加固方案實施后，2020年汛期水庫再次蓄水至正常蓄水位，壩下散浸區(qū)和集中滲漏點皆消失，下游壩坡也未見滑移、變形或隆起現(xiàn)象，除險加固成效顯著。

可見，綜合物探法識別出大壩塑性混凝土防滲墻滲漏缺陷的二維空間位置是較為準(zhǔn)確、可靠的。

受業(yè)主委托，筆者團隊再次于2020年8月16日下午對大壩塑性混凝土防滲墻進行物探試驗，本次只采用高密度電阻率法，測線位置、電極間距及數(shù)量與上次基本一致，其電阻率反演成果見圖4。試驗前測定庫水位為202.84m。

圖4 2020年8月16日大壩塑性混凝土防滲墻高密度電阻率反演Fig.4 Inversion diagram of high density resistivity of dam plastic concrete cutoff wall on August 16，2020

由圖4可知，整個塑性混凝土防滲墻皆屬于中高電阻，無明顯低電阻區(qū)，其滲漏缺陷得到了補強和修復(fù)，但原4個滲漏隱患區(qū)的電阻率已顯著提高，但相比墻體非缺陷區(qū)仍偏低。據(jù)相關(guān)研究［25，26］，防滲墻結(jié)構(gòu)質(zhì)量好壞與其電阻率高低呈同向性?？梢?，原4個滲漏隱患區(qū)雖經(jīng)過超細水泥和化學(xué)雙重灌漿加固，但其結(jié)構(gòu)質(zhì)量、密實度、抗?jié)B透破壞性能和抗溶蝕衰減性能依然相對偏低，孔隙率也偏大。

5 結(jié)論

1）本文綜合采用探地雷達法、高密度電阻率法識別出某水庫大壩塑性混凝土防滲墻滲漏缺陷區(qū)域位置及規(guī)模，相比單一物探法，誤差率減少30%左右，揭露出大壩下游壩坡滑坡、散浸和集中滲漏原因。且據(jù)識別成果對防滲墻4個滲漏缺陷進行灌漿補強加固，效果顯著?？梢?，綜合物探法探測大壩塑性混凝土防滲墻滲漏缺陷位置信息是較可靠的。

2）探測結(jié)果表明，大壩塑性混凝土防滲墻4個滲漏缺陷皆位于壩頂以下深度9～23m范圍，推測可能是該高程范圍進行墻體施工時，質(zhì)量控制不嚴所致。

3）探測結(jié)果還表明，塑性混凝土防滲墻4個滲漏缺陷經(jīng)過灌漿補強修復(fù)，大壩滲漏問題得以解決，但其結(jié)構(gòu)質(zhì)量、密實度、抗?jié)B透破壞性能和抗溶蝕衰減性能相比原無缺陷區(qū)，依然偏低?？梢?，塑性混凝土防滲墻成型后的二次灌漿補強效果是受限的，施工中應(yīng)嚴格保證一次成墻質(zhì)量。

4）綜合物探法識別大壩塑性混凝土防滲墻滲漏缺陷是定性的，無法定量上確定其空間規(guī)模和滲漏量，應(yīng)在識別手段、理論研究、場外試驗和成果反演等方面加強創(chuàng)新探索。