霍林河水庫滲漏探測試驗研究

徐海峰 竇丹丹 李 卓 何勇軍 范光亞 李宏恩

（1.南京水利科學研究院，南京 210029；2.河海大學 水利水電學院，南京 210098；3.南京市水利規劃設計院有限責任公司，南京 210006）

1 工程概況及滲漏問題

霍林河水庫位于內蒙古通遼市扎魯特旗境內，霍林郭勒市上游26km，總庫容4 999萬m3，興利庫容3 852m3，是霍林河干流上一座以電力工業供水為主，兼顧城市防洪、旅游及水產養殖為一體的中型水庫.工程主要由大壩、泄洪洞、取水洞等建筑物組成.

大壩為瀝青混凝土心墻砂殼壩，壩頂長1 230m，最大壩高26.10m，壩頂寬5m.大壩上游采用模袋混凝土護坡，下游采用碎塊石護坡，下游壩腳設貼坡排水.壩體原采用瀝青混凝土心墻防滲，壩基采用混凝土防滲墻進行防滲處理，后經加固，壩體采用混凝土防滲墻，壩基采用帷幕灌漿處理.

泄洪洞布置在原主河槽的左側二級階地處，中心樁號0＋260m.泄洪洞由進口段、進水塔、洞身段、消能防沖段組成，其結構型式為進口有壓短管的無壓箱涵，設計泄洪量為139m3／s.

取水建筑物位于泄洪洞左側，中心樁號0＋170 m.主要由進口段、閘室及現澆混凝土箱涵組成.取水建筑物的地基土為細砂，為中壓縮性土.目前大壩正在進行加固處理，加固后的大壩斷面如圖1所示.

圖1 大壩防滲加固橫斷面圖

霍林河水庫自蓄水以來，大壩滲漏嚴重，未達到正常蓄水位.2008年3月，庫水位為937.70m，現場巡視過程中發現壩后坡腳樁號0＋520、0＋550處有冒水翻砂現象發生，現場實測壩后滲漏量達到8L／s，隨著庫水位升高，滲漏量有增加趨勢.2009年度庫水位變幅為942.6～943.13m，大壩處于低水位運行，日常巡視發現：①壩后坡0＋300m～0＋550m段溢出點抬高形成濕陷性土并伴有明流滲出；②計量間底板受揚壓力作用自下而上滲水；③左壩肩有繞壩滲流；④壩后滲水量較大處有：原河床最低點（樁號0＋520m），泄洪洞軸線周圍（樁號0＋260m），取水洞軸線周圍（樁號0＋170m）；⑤樁號0＋100至0＋500之間壩腳普遍潮濕并積水，地下水位很高；⑥樁號0＋500一帶壩腳形成滲漏明流；⑦樁號0＋500至0＋600之間壩腳潮濕.

大壩滲漏嚴重，滲漏量大，不僅影響水庫效益發揮，而且給大壩安全也帶來影響.本文利用高密度電法對大壩進行檢測，查明大壩壩體滲漏部位及滲漏區域，為大壩防滲處理提供必要依據，然后根據試驗成果，對大壩滲漏嚴重區域進行鉆探驗證［1－4］.

2 高密度電法基本原理

高密度電阻率法與常規電阻率法原理一樣，它是以巖土體的電性差異為基礎的一種陣列電探方法，通過一定的電極裝置測得視電阻率異常的分布規律，達到認識地下地質體電性結構的目的.高密度電法常見的電極排列方式有溫納對稱四極裝置（Wenner）、施貝爾謝裝置（Schlumberger）、偶極－偶極裝置（Dipoledipole）、單極－偶極裝置（Pole－dipole）和單極－單極裝置（Pole－pole）［5］.

由此可求得電阻率ρ

根據在施加電場作用下地層傳導電流的分布規律，推斷地下具有不同電阻率的地質體的賦存情況.野外測量時只需將全部電極（幾十至上百根）置于測點上，然后利用程控電極轉換開關和計算機工程電測儀便可實現數據的快速和自動采集.當測量結果送入計算機后，還可對數據進行處理并給出關于地電斷面分布的各種物理解釋的結果.相對于常規電法而言，高密度電法具有精度高、效率高、采集信息豐富、解釋方便等特點，勘探能力顯著提高.

3 試驗反演分析

3.1 大壩地下水位觀測

霍林河水庫大壩在樁號K0＋160、K0＋300、K0＋500、K0＋700及K0＋900處埋設滲流觀測井，2010年6月18日水庫運行水位為943.75m，測得相應地下水位見表1，該時段水庫運行水位相對較高，與現場試驗時上游水位945.30m對比，對分析大壩滲漏有代表性.

表1 大壩異常部位

3.2 高密度電法試驗

3.2.1 測線布置

為探測霍林河水庫壩體滲漏情況及灌漿效果，沿壩軸線方向共布設4個探測斷面，探測斷面見圖2.為取得足夠深的探測深度，電極布設采用“單極－單極”陣列，電極數為32個，根據各探測斷面總長度的不同電極距，各斷面測線布置見圖3、表2.

圖2 高密度電法現場試驗布置圖

圖3 現場試驗布線

表2 測線布置

3.2.2 成果與分析

對高密度電法探測成果進行粗差判別、模型反演、成果后處理等采用Res2dinv程序.探測成果的粗差判別分2步：（1）首先對原始數據進行粗差初判，對人為因素等產生的系統或隨機誤差進行識別，完成不合理數據點剔除；（2）數據進行預反演，通過均方根誤差統計計算實測與反演視電阻率之間的誤差，當誤差達到或超過100%時的數據點需要剔除.從4個探測斷面的誤差分布看，所有數據點的誤差均小于15%，絕大部分數據點的誤差小于5%，說明各斷面探測成果精度較高［6］.

采用有限差分進行數據反演計算，剖分網格采用較高精度的4節點4邊形單元并進行了適當加密，如圖4所示.

圖4 有限差分網格

數據反演采用基于平滑抑制的最小二乘優化算法，反演過程中采用了減小對數據噪聲敏感性的加強抑制反演法，旨在提高壩體視電阻率的計算精度.

巖質材料的電阻率與巖土體材料、風化程度、是否浸水等因素有關，當壩體或壩基存在滲漏水時，電阻率明顯降低出現低阻異常點，這是高密度電法探測壩體滲漏的物理基礎.4個探測斷面電阻率云圖橫坐標為樁號，采用常數坐標軸，縱坐標為測深，采用對數坐標軸［7－10］.

1）斷面1

探測斷面1視電阻率分布情況見圖5，該斷面位于大壩下游，高程為952.30m，軸距為＋005.0m，探測范圍為0＋10m～0＋150m.

圖5 斷面1數值反演電阻率云圖

由圖5可知，壩段0＋67.5m～0＋105m、壩頂以下埋深10.9～18.1m處出現一個低電阻帶，當壩體存在滲漏時，土體含水率較高，使得電阻率降低，壩段電阻率小于58.8Ω·m，為含水量較高的覆蓋層，巖性多為粉土，局部夾粉質粘土及角礫，該壩段壩體存在連續透水層：壩段0＋20m～0＋43m、0＋130m～0＋150m，壩頂埋深18.1以下為覆蓋層、強～中等風化凝灰巖，呈短柱狀、碎石狀也存在滲漏現象.

2）斷面2

探測斷面1的視電阻率分布情況見圖6，探測斷面位于大壩上游高程952.00m處，軸距為＋004.5 m，探測范圍樁號為0＋200～0＋324m.

圖6 斷面2數值反演電阻率云圖

由圖6可見，該壩段有6處視電阻率明顯較小，該壩段視電阻率普遍小于100Ω·m；水平位置0＋250m～0＋270m，埋深8.06～15.3m處為溢洪洞，低電阻率區域比泄洪洞實際尺寸大故溢洪洞處有滲漏；圖中斷面0＋300m～0＋320m之間有滲漏，與表1現場大壩觀測情況相同，從圖可以看出，壩段0＋205m～0＋210m、0＋243m～0＋258m、0＋289m～0＋310m3處基巖均有滲漏.依據地勘孔深0～25.0m為壩體填土，巖性為粉土、粉細砂，局部夾粉質粘土，總體來看，壩體和壩基存在很多滲漏點和滲漏區，壩體表層電阻率大，含水率底，而壩體表層以下電阻率變小，含水率高，與地下水觀測情況相符合，同時也驗證了探測結果準確可靠.

3）斷面3

探測斷面3視電阻率分布情況見圖7，該斷面位于大壩壩頂，高程為952.70m，軸距為－002.5m，探測樁號0＋260～0＋384m，截斷的壩體為新舊防滲墻之間的部分.

圖7 斷面3數值反演電阻率云圖

由圖7可知，大壩整體含水率低，未探測至地下水位，壩體不存在滲漏，新建防滲墻效果顯著，大部分壩體填土視電阻率在74.5～169.0Ω·m之間，說明壩體浸潤線總體呈逐漸下降趨勢，新建防滲墻起到了防滲效果.壩體內部從樁號0＋300～0＋340m之間視電阻率較低，由于填土原來含水率較高，加固前該段為強滲漏區，新防滲墻建完以后，壩體含水未完全排出所致.

4）斷面4

探測斷面4電阻率分布情況見圖8，該斷面位于大壩下游側，高程為951.80m，軸距為＋006.8m，探測樁號為0＋260～0＋384m.

圖8 斷面4數值反演電阻率斷面圖

從圖8中可以看出壩體電阻率在3.55～746Ω·m之間.壩體0＋267～0＋391m以下基巖存在滲漏，基巖電阻率在由3.55增大到16.4Ω·m，壩體30.6 m以上電阻率增大；另外，壩體0＋359m～0＋373m以下基巖有滲漏，該壩段大部分電阻率在35.1～162 Ω·m之間，由地勘可知，孔深0～25.0m為壩體填土，巖性為粉土、粉細砂，局部夾粉質粘土，壩體填土滲透系數較大.29.5～31.5m為強風化凝灰巖，巖芯破碎，呈短柱及碎石狀；31.5～34m為強風化凝灰巖，呈短柱狀、片狀，巖質較新鮮；34～42m為中等風化凝灰巖，巖質新鮮，多呈柱狀，少部分為短柱及碎塊，基巖滲透系數較大，基巖存在滲透可能.

4 結 論

從探測斷面的數值反演電阻率云圖和實測資料綜合分析來看，本次高密度電法探測較好地揭示了壩體及壩基的電阻率分布情況，驗證了高密度電法在大壩探測方面的可靠性.

1）高密度電法探測技術對內蒙古霍林河水庫大壩滲漏進行探測，查明了大壩滲漏位置，為大壩防滲加固提供了依據.

2）對照前面的實測數據，可以看到目前大壩加固后的防滲效果明顯加強，滲漏情況得到改善.

3）通過對內蒙古霍林河水庫大壩滲漏進行探測試驗，體現了高密度電法的優點，高密度電法探測具有不破壞大壩、效率高等特點，該方法探測到大壩滲漏位置與大壩地下水位觀測結果基本吻合.

4）高密度電法在大壩探測方面應用前景廣闊，在探測布置優化、相關分析研究、建立三維空間電阻率分析模型等方面還值得進一步研究.

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