水庫堤壩滲漏檢測技術(shù)探討及應(yīng)用

韓文娟 顧 梅

我國是水利大國，擁有世界上最多的水庫堤壩，目前達到9.8萬余座，其中95%以上為土石壩；還有44.51萬千米堤防，堤防多為土質(zhì)堆筑。而滲漏問題是土質(zhì)堤壩的常見病害，汛期和雨季極易發(fā)生破壞，關(guān)系到人民生命及財產(chǎn)安全。因此，滲流檢測監(jiān)測和安全評價等需要深入研究，急待發(fā)展高效滲漏檢測技術(shù)。

一、水庫堤壩滲漏檢測技術(shù)

目前，進行水庫堤壩滲漏檢測的常規(guī)方法主要有：

1.有損檢測

（1）工程地質(zhì)鉆探

工程地質(zhì)鉆探是指利用機械設(shè)備，在巖層中鉆孔并取出巖芯了解巖石透水性和裂隙性的手段。它是工程地質(zhì)勘察的一種勘探方法，目的是揭露與水工建筑物有關(guān)的工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)條件，了解巖土體的工程地質(zhì)性質(zhì)。通過調(diào)查巖土體的空間分布、厚度等變化情況，進行土體結(jié)構(gòu)類型的劃分；通過了解地質(zhì)構(gòu)造的變化、破碎帶的空間分布以及巖性隨鉆孔深度的變化情況，判斷可能造成水庫堤壩滲漏的位置。

（2）注水或提水試驗

孔內(nèi)注水（提水）試驗是通過鉆孔向試段內(nèi)注水（提水），保持固定水頭高度，量測注入（提入）試段內(nèi)的水量或水頭高度，得到其與試驗時間的關(guān)系曲線，用以判定土體滲透性能，測定巖土層滲透系數(shù)大小，分析巖土層接觸部位存在滲漏的可能性。注水（提水）試驗適用于檢測滲透性較大的結(jié)構(gòu)不緊密的粘性土、存在明顯節(jié)理裂隙的巖土的透水性。壩體或土基鉆孔宜進行注水試驗。

（3）壓水試驗

壓水試驗是用止水設(shè)備隔離出一定長度的鉆孔試驗段，然后借助水泵或水柱自重將固定水頭壓入這一試驗段中，根據(jù)試驗記錄得到壓力和流量的P-Q關(guān)系曲線，用以確定試驗段的透水率，一般用呂榮值（Lu）表示。壓水試驗的目的是了解水工建筑物地基與水庫堤壩滲漏地段巖體滲透性。壓水試驗常用于測定強度高、滲透系數(shù)低、處于飽和狀態(tài)巖體的透水性，為評價巖體的滲透特性、防滲和地基處理提供基本資料。基巖孔段應(yīng)進行壓水試驗。

（4）鉆孔電視

在工程勘察中，鉆孔是一種非常重要的方法，但由于不同巖性的巖石、破碎帶、裂隙、不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、多變的水壓及水溫等，極易造成鉆孔內(nèi)部存在復(fù)雜的環(huán)境，如存在鉆孔取芯率不足的情況，研究人員很難得到這些部位的各種特征及細微構(gòu)造，而這些信息又是解決問題的關(guān)鍵。在這種背景下，近年來鉆孔電視應(yīng)運而生。鉆孔宜采用孔內(nèi)電視探查軟弱夾層或結(jié)構(gòu)面的分布規(guī)律及特征，能獲得鉆孔裂隙的分布位置，為滲漏檢測提供更準確的科學依據(jù)。

2.無損檢測

（1）高密度電阻率法

又稱電阻率影像法，是一種新興陣列勘探方法，它利用巖體、土體電性的差異，通過人工施加穩(wěn)定電流場的作用研究地層中傳導電流分布規(guī)律，該方法將多個電極置于測線上，通過電極轉(zhuǎn)換開關(guān)和工程電測儀實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速自動采集并能夠進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理、分析和成圖。當水庫堤壩未出現(xiàn)滲漏時，壩體電阻率垂直分布將呈現(xiàn)出近似層狀均勻分布的狀態(tài)；若壩體或基礎(chǔ)存在滲漏點時，電阻率垂直分布會出現(xiàn)明顯的低電阻值區(qū)域。高密度電阻率法適用于電性不均勻體的探測，對于地質(zhì)資料缺乏的病險水庫展開滲漏探測，能較好地揭示壩體及壩基的電阻率分布情況，為堤壩的防滲加固提供科學依據(jù)。

（2）探地雷達

探地雷達技術(shù)利用寬帶天線發(fā)射和接收高頻電磁波來探測地下內(nèi)部目標特性和分布規(guī)律，了解其結(jié)構(gòu)形態(tài)及確定其位置。當水庫堤壩發(fā)生滲漏時，滲漏區(qū)域內(nèi)部力學特性以及電磁特性將會發(fā)生很大的變化。通過對滲漏區(qū)的形狀和范圍進行探測，結(jié)合現(xiàn)場的地質(zhì)資料，便能了解地質(zhì)特征信息，從而探測堤壩隱患位置。探地雷達技術(shù)具有迅速、準確、高效、直觀、連續(xù)獲得結(jié)果、可重復(fù)探測的優(yōu)點，其探測過程具有強抗干擾和高分辨率的能力，在無損探測中有著獨特的優(yōu)勢。探地雷達技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景，但也存在探測深度有限的局限性，且需要地下目標體和周圍介質(zhì)顯示明顯的電性差異，否則會影響探測效果。

（3）示蹤試驗

隨著同位素技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，1957年德國科學家Moser首次提出利用同位素示蹤法測定含水層滲流速度、滲透流向的稀釋測井法。示蹤試驗一般在含水層滲漏段的上游投源孔投入適當?shù)氖聚檮跐B漏部位下游的檢測點（檢測孔）采取水樣檢測示蹤劑成分，繪制出水樣的電導率—時間關(guān)系曲線，判定投源孔與檢測孔之間是否存在徑流通道以及徑流量的大小。對于巖溶發(fā)育、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的地區(qū)，傳統(tǒng)滲漏檢測難度大，采用放射性同位素作為示蹤劑的示蹤試驗對水庫堤壩的滲漏進行探測可以取得較好效果。但由于放射性同位素對人體和環(huán)境易產(chǎn)生危害，所以示蹤劑的選擇需遵循一定原則。

（4）地下水流速測定

圖1 示蹤試驗?zāi)硻z測孔電導率—時間關(guān)系曲線圖

圖2 地下水流速測定某斷面流速—高程曲線圖

該方法通過測定地下水流速，分析不同部位鉆孔不同深度處的地下水流速變化規(guī)律，判定滲漏部位及滲流強度，進一步分析確定滲漏范圍。放射性同位素單孔稀釋示蹤法其基本原理是將放射性示蹤劑投進投源孔中的水體，孔內(nèi)地下水的滲流會稀釋示蹤劑，根據(jù)示蹤劑濃度變化的快慢即可推求孔內(nèi)地下水流速。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，實時、精準測量地下水流向流速的地下水流速流向儀已問世并應(yīng)用于工程實踐，該儀器提供了一個直接準確確定地下水流方向和速度的手段，在定量確定地下水流速方面，儀器測量誤差更小，精準度更高。地下水流速測定作為水庫堤壩滲漏檢測技術(shù)的補充，用來驗證其他檢測手段的結(jié)論，可以提高判斷的準確性。

（5）水溫觀測

水庫表層水體溫度隨季節(jié)變化十分明顯，夏季自表層向下水溫一般呈遞減趨勢，且淺部變化梯度較大，深部變化梯度逐漸減小；冬季自表層向下水溫一般略呈遞增趨勢，如果水深不大，上下層水溫相差很小。如果地下水徑流強度大、循環(huán)快，那么在徑流過程中水體熱能與周圍地層水體熱能會產(chǎn)生相互影響和轉(zhuǎn)換。也就是說，如果低溫水體通過徑流帶進入較水體溫度高的地層區(qū)，會沿徑流帶形成一個地層低溫帶，由于大部分巖石屬于熱的不良導體，在一定溫度差與徑流強度下，沿徑流帶會形成較長的低溫帶。因此，通過測定不同部位鉆孔及不同深度的水溫分布規(guī)律可以分析判斷地下水的徑流情況，間接判定水庫堤壩的滲漏部位。

（6）聲納滲漏檢測

圖3 某檢測孔流速曲線與鉆孔電視圖像對比圖

聲納是利用在水中發(fā)送和反射聲波對目標進行探測、定位及跟蹤的技術(shù)，聲納滲漏檢測是利用聲波在水中得天獨厚的傳播條件實現(xiàn)對水庫堤壩滲漏部位的探測。其檢測原理是：如果被測水庫堤壩存在滲漏部位，則在測區(qū)一定產(chǎn)生滲漏流場，使用聲納探測儀可以探測出聲波在水體中傳播的大小、分布以及速率，根據(jù)傳播速度之差與被測流體流速之間的關(guān)系可以建立連續(xù)的滲流場水流質(zhì)點流速方程，從而判斷堤壩滲漏位置、滲漏路徑、滲漏源頭等信息。聲納滲漏檢測技術(shù)與傳統(tǒng)檢測方法相比，不干擾流場，具有節(jié)水環(huán)保、費用低廉的優(yōu)點，在水庫堤壩滲漏檢測、水文地質(zhì)勘察及城市開挖基坑的滲漏檢測方面皆有廣泛應(yīng)用。

3.模擬分析

模擬是用近似的簡化模型或者數(shù)據(jù)模仿真實的情況，并試圖找出簡單有效的方法來解決現(xiàn)實中的問題，用于水庫堤壩滲漏檢測的模擬主要有數(shù)值模擬和物理模擬。數(shù)值模擬運用水庫堤壩已有的監(jiān)測資料和試驗資料，建立三維滲流有限元數(shù)值模型，利用該模型進行不同蓄水位的三維滲流計算，反饋分析蓄水后壩體和壩基的滲漏情況。物理模擬是在實驗室通過實驗?zāi)M真實物理過程，對于數(shù)值計算難以處理的復(fù)雜情形一般可用物理模擬。物理模擬具有易控、省力、可重復(fù)，可進行較全面和規(guī)律性實驗的優(yōu)點。模擬分析是滲流檢測技術(shù)重要的補充。

圖4 某檢測孔水溫—高程曲線圖

4.監(jiān)測資料的分析

水庫堤壩的滲漏檢測技術(shù)中較受歡迎的是監(jiān)測資料的分析。在水庫運行期間，在堤壩邊坡適當位置布置觀測孔，觀測各孔水位，繪制壩址地下水水位線圖和三維滲流場圖，分析地下水流場，確定不同部位地下水的徑流方向，初步判定堤壩下游地下水的來源，進一步判定壩址滲漏部位。選擇兩個或多個觀測孔水位與庫水位進行相關(guān)性分析，通過孔水位與庫水位的關(guān)系曲線，判斷可能存在的滲漏區(qū)域，了解壩基地下水滲流特征及其變化趨勢。

5.綜合檢測技術(shù)

上述堤壩的滲漏檢測技術(shù)在工程實踐中有很多成功的應(yīng)用案例，但由于壩體的滲漏原因多變，滲漏部位尺寸細小，且壩體所處地質(zhì)條件、填筑材料、填筑密度、含水量等因素對檢測結(jié)果多有影響，導致滲漏隱患探測難度大。顯然，單一不變的檢測技術(shù)并不能滿足準確查明堤壩滲漏原因、確定滲漏位置的要求，因此，對病險堤壩的綜合檢測技術(shù)應(yīng)運而生，通過各種檢測結(jié)果的互相驗證，可以有效提高準確性。

二、工程應(yīng)用

1.工程概況

某水庫總庫容3.14億m3，正常蓄水位714.0m，設(shè)計洪水位719.1m，校核洪水位721.2m。該水庫堤壩為混凝土堆石壩，壩頂高程為720.8m。水庫通過安全鑒定后開始蓄水，在蓄水至682.0m時，壩端上、下游出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。

2.滲流檢測

該工程滲漏檢測基于滲漏現(xiàn)象與水庫堤壩運行期間監(jiān)測資料的分析，初步確定可能存在滲漏的部位，進而采用工程地質(zhì)鉆探、水位觀測、示蹤試驗、地下水流速測定、鉆孔電視、水溫觀測及模擬分析等多種手段對壩肩部位進行綜合檢測，部分檢測成果見圖1～4，各檢測結(jié)果大部分具有明顯一致性，相互驗證了分析結(jié)果的可靠性。

三、結(jié)語

水庫堤壩的滲漏檢測技術(shù)多種多樣，采用單一方法往往具有多解性，且存在精度不高的現(xiàn)象，根據(jù)實際情形合理選擇、組合探測技術(shù)對水庫堤壩隱患進行綜合檢測，各種檢測結(jié)果相互驗證，如果高度統(tǒng)一，則可以說明其高精度與高準確率