綜合物探方法在水庫滲漏調(diào)查中的應(yīng)用

王 杰，李國瑞

（中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

新中國成立以來，我國開展了大規(guī)模的水利工程建設(shè)，取得了舉世矚目成就，目前水庫大壩保有量9.8 萬余座，為世界之最。近10 多年來，我國進行了大規(guī)模的病險水庫除險加固，但由于95%以上大壩為土石壩[1]，且多為20 世紀(jì)80 年代前建造，安全風(fēng)險依舊較高。

滲漏是病險水庫中較為常見的問題，研究探測水庫滲漏問題的方法與技術(shù)成為一項重要工作。物探方法具有高效、間接、無損的優(yōu)點，在水庫滲漏調(diào)查中發(fā)揮著越來越重要的作用。下面以某水庫為例，介紹高密度電法、偽隨機流場法、自然電場法、充電法等綜合物探方法在水庫滲漏調(diào)查中的應(yīng)用。

1 物探方法概述[2-4]

1.1 高密度電法

高密度電法是電測深與電剖面法的組合，可獲得較豐富的地電斷面結(jié)構(gòu)特征。本質(zhì)上講是在人工施加的穩(wěn)定電流場作用下，來研究地下傳導(dǎo)電流分布規(guī)律的一類直流電法，理論基礎(chǔ)依舊是巖、土體間的電性差異，其探測深度，即對地下深部介質(zhì)的反映能力，隨供電極距的增大而逐步增加。

1.2 偽隨機流場法

一般來說，江、河、庫、湖中正常水流分布有一定的規(guī)律，在沒有管涌、滲漏等情況下，正常流速場可類似于一般電法勘探中的背景場或正常場。當(dāng)滲漏、管涌存在時，會出現(xiàn)以下2類異常：一種是在背景流速場的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)異常流速場，其中水流速度矢量指向管涌滲漏的入水口；另一種是當(dāng)滲漏出現(xiàn)，必然存在水流滲漏通道，通道在管涌發(fā)生時則更加明顯。

根據(jù)上述物理事實，將一個電極置于滲漏集中帶出水點處，另一個電極置于渠道水體中，且距離出水點有一定距離，在保證測量區(qū)域的電流場不受其影響的情況下，測量垂直電流密度分布，依據(jù)電流場異常分布情況，判斷滲漏水區(qū)域。

1.3 自然電場法

自然電場法在水利水電工程探測中主要用于滲漏電場研究。由于巖土的過濾活動性，當(dāng)有水透過時，將產(chǎn)生過濾電位，其與巖土孔隙空間的構(gòu)造、滲透系數(shù)、過濾液體的化學(xué)成分等有關(guān)。

自然電場法的基本觀測方式是電位觀測法。在電位觀測法不能進行（如游散電流的影響）或不便于工作（剖面長、點距大）或某種特殊需要時，可采用梯度法觀測。當(dāng)研究區(qū)域性地下水滲透方向時，可輔以環(huán)形自然電位觀測法。

1.4 充電法

通過向被探測目標(biāo)體供電，使其成為近似等電位體，提高被探測目標(biāo)體與周邊介質(zhì)的電位差，并形成充電效應(yīng)，以研究目標(biāo)體分布電性特征。其探測效果主要取決于目標(biāo)體的產(chǎn)狀及其圍巖電性參數(shù)的比值等。在地電體簡單、埋藏不深（<25 m）、覆蓋層厚度與目標(biāo)體大小相當(dāng)，探測對象與圍巖導(dǎo)電率比值很大時，充電法可以評定目標(biāo)體的范圍、產(chǎn)狀及其相互之間有無聯(lián)系等。充電法一般有3 種觀測方式，電位法、電位梯度法以及直接追索等位線法。

2 工程概況

某水庫主要由心墻壩、敞開式溢洪道等建筑物組成，控制流域面積77 km2，總庫容471 萬m3，其中興利庫容139 萬m3，屬于?。?）型水庫，設(shè)計正常蓄水位185 m。壩頂長度320 m，最大壩高20.5 m，壩頂寬2.32 m。泄洪洞為圓形有壓涵洞，斷面直徑2.5 m，最大流量50 m3/s，進口底高程176.0 m。溢洪道為天然河道，平均寬度73 m，最大泄量1 660 m3/s。

該水庫始建于1958 年，后續(xù)進行過大壩加高、壩基截漏、重新開挖泄洪洞、防浪墻加高、溢洪道開挖等加固措施，但始終存在安全隱患。近20 a來，只在2011 年有過一次蓄水過程，最高蓄水位達到距溢洪道堰頂約1.0 m，但不到半年時間即全部漏失掉。2019 年初，水庫再次蓄水超正常蓄水位，溢洪道呈溢流現(xiàn)象，但到了2019 年5 月30 日，壩前庫水位降至181.1 m，低于溢洪道首部堰頂高程約3.9 m，溢洪道出口溝槽內(nèi)出現(xiàn)明顯滲流現(xiàn)象。

3 地質(zhì)簡況及地球物理特征

該水庫地處太行山區(qū)東部邊緣地帶，屬構(gòu)造侵蝕低山地形。庫區(qū)海拔高程175～492 m，沖溝近南北向發(fā)育，谷底地形起伏較小，溝底寬150～250 m，表面覆蓋厚層砂卵石，水庫經(jīng)過多年運行，庫區(qū)淤積厚層黏性土。庫區(qū)右側(cè)大部分地段邊坡陡峭，巖石裸露，左岸多為緩形邊坡，局部有坡積物分布。

壩址區(qū)及庫區(qū)兩岸出露奧陶紀(jì)冶里組與亮甲山組灰?guī)r地層，以平行整合式接觸，為一傾向上游之單斜構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀傾向SW239°～NW285°，傾角9°～16°。

巖體節(jié)理比較發(fā)育，多呈閉合狀，剪節(jié)理。壩址兩側(cè)主要節(jié)理有：走向N10°、走向N28°和走向N90°3組節(jié)理比較發(fā)育，垂直角78°～90°，構(gòu)造面平整延伸。

庫區(qū)發(fā)育小型斷層構(gòu)造，F(xiàn)1正斷層位于輸水洞出口右側(cè)，走向N91°，傾向SW，傾角75°，上下盤錯動明顯，破碎帶寬0.3～1.0 m，由破碎角礫組成，結(jié)構(gòu)緊密，斷層往上游逐漸尖滅，對輸水洞及壩體無明顯影響。

綜合分析探測成果并結(jié)合水利水電工程探測經(jīng)驗，可以確認(rèn)滲漏體（區(qū)）與周圍正常介質(zhì)之間存在明顯的物性差異。具體物性參數(shù)一般為：①滲漏體（區(qū)）（包括滲漏管涌通道或含水裂縫）：電阻率多在50～170 Ω?m，有時更低；多存在過濾電場。②周圍正常介質(zhì)：電阻率170～780 Ω?m；一般不存在過濾電場。

4 典型成果分析

4.1 高密度電法

W1測線位于壩頂路中線，測線起點（0 m）位于壩樁號0+000處，W1線反演電阻率色譜如圖1所示，圖中橫向虛線為水庫設(shè)計正常蓄水位185 m。

圖1 W1線反演電阻率色譜

根據(jù)圖中電阻率值分布特征及等值線變化梯度分析，電阻率剖面垂向基本呈遞減-遞增形態(tài)，大致可分為3個電性層。

第一層電阻率范圍值80～8 000 Ω?m，層厚一般2～7 m，底界面高程184.5～189.5 m，為表層鋪蓋層的綜合反映。其中，水平距離0～118 m 電阻率值較低，多集中于80～360 Ω?m，推測主要為堆石及砂卵石等的反映；水平距離118～260 m 間電阻率值較大，多集中于1 160～8 000 Ω?m，推測主要為塊石、堆石等的反映。

第二層電阻率范圍值1～780 Ω?m，多集中于1～55 Ω?m，層厚一般21～25 m，底界面高程165～168 m，推測為壩體填筑黏性土的反映，其中水平距離110～126 m和172、188 m處及210 m以后段電阻率高于本層其它位置，推測為縣水利部門于1981 年12 月—1982 年6 月進行工程地質(zhì)鉆探工作時，對ZK1（0+116.4）、ZK2（0+168.2）孔進行灌漿、封孔和壩體填筑材料不均質(zhì)（局部為砂卵石或碎石）等所致。

第三層電阻率范圍值80～4 000 Ω?m，為相對高阻反映，推測為河床砂卵石及基巖（灰?guī)r）的反映。

結(jié)合相關(guān)地質(zhì)勘察、除險加固施工處理等資料，W1線高密度電法探測解釋成果詳見表1。

表1 W1線高密度電法探測解釋成果

4.2 偽隨機流場法

電位梯度背景值宜根據(jù)已知未發(fā)生滲漏的區(qū)段測得的電位梯度值確定，或根據(jù)地質(zhì)、環(huán)境條件確定測區(qū)背景值，或根據(jù)測區(qū)內(nèi)電位梯度曲線背景值確定。

根據(jù)理論分析、以往工程經(jīng)驗，結(jié)合本工程實際情況和其它方法勘測結(jié)果分析確定本次探測的異常定性標(biāo)準(zhǔn)為：實測電位梯度值大于背景正常場電位梯度值的2 倍為有效異常、大于背景正常場電位梯度值3倍則為可靠異常。

2#漏點供電，測量區(qū)域背景場電位梯度為0.125 MV/m。探測范圍內(nèi)有4 個有效異常區(qū)，分別編號為1#異常、2#異常、3#異常、4#異常；3 個可靠異常區(qū)，分別編號為Ⅰ#異常、Ⅱ#異常、Ⅲ#異常。Ⅰ#異常投影于壩體樁號0+42—0+103，異常范圍從近壩水岸向上游延伸30 m。Ⅱ#異常投影于壩體樁號0+110—0+130，異常范圍從近壩水岸向上游延伸30 m。Ⅲ#異常投影于壩體樁號0+142—0+155，異常范圍從近壩水岸向上游延伸32 m。

4.3 自然電場法

一般而言，當(dāng)滲漏存在時，在地下水流動方向上，自然電位梯度呈現(xiàn)極大值；而垂向上，自然電位梯度呈現(xiàn)零值或極小值。

W1線自然電場法測試曲線如圖2 所示，橫軸為測點對應(yīng)壩軸線樁號，縱軸為自然電位值（MV），圖中黑圈為電位異常區(qū)域，主要分布于樁號壩0+015—0+023、壩0+040—0+045、壩0+060—0+065、壩0+095—0+107、壩0+171—0+183、壩0+201—0+207 及壩0+223—0+237等部位。

圖2 W1線自然電場法測試曲線

4.4 充電法

對充電法測試數(shù)據(jù)進行整理及歸一化處理，按測線分別繪制電位梯度曲線。資料分析以定性為主，根據(jù)曲線的形態(tài)、斜率、特征點（過零點）圈定異常位置及范圍。

分別在壩下游河道滲出水點和水井中供電，在W1測線測得的電位梯度曲線，如圖3 所示。由圖3可知，在抽水井與滲出水點充電測得電位梯度曲線形態(tài)基本一致，由于電流在地下傳導(dǎo)路徑的不同及附近管線等影響，局部曲線形態(tài)有所差異，但曲線在相同位置均存在較大的變化梯度，圖中虛線表示異常（滲漏通道）中心位置。推測W1測線沿線滲漏通道中心平面位置主要分布于壩體樁號壩0+015、壩0+021、壩0+027、壩0+045、壩0+099、壩0+172、壩0+191、壩0+205及壩0+232附近。

圖3 W1線充電法測試曲線

4.5 綜合解釋

對比分析以上幾種物探方法的測試結(jié)果可見，各方法對于滲漏的探測結(jié)果基本一致，可以互相驗證補充，且與前期的少量勘探資料基本吻合，對除險加固施工中發(fā)現(xiàn)的地質(zhì)問題也能進行合理解釋。經(jīng)綜合分析認(rèn)為：

（1）水庫壩體滲漏相對較弱，局部位置黏土心墻（0+165）質(zhì)量較差。

（2）推測巖脈YM1 及其旁側(cè)較破碎或裂隙較發(fā)育巖體是水庫滲漏的主要通道，滲漏源主要集中于樁號（投影）壩0+055—0+165、下0-050—0-020 區(qū)域庫底。

（3）推測原排水洞（壩0+070）雖經(jīng)封堵，但仍有缺陷，亦為水庫滲漏的導(dǎo)水途徑之一。

（4）推測壩0+000—0+055段沿基巖內(nèi)局部的節(jié)理、裂隙發(fā)育有基巖裂隙水滲漏通道，滲漏量不大。

（5）推測溢洪道部位沿基巖裂隙滲漏微弱。

（6）壩前庫左岸、右岸及右壩肩存在滲漏的可能性較小。

按照滲漏途徑初步推測現(xiàn)階段水庫滲漏主要有以下幾種類型，詳見表2。

表2 滲漏類型分析及推測滲漏量

5 結(jié)論

高密度電法、偽隨機流場法、自然電場法、充電法等綜合物探方法在水庫滲漏調(diào)查中具有快速、無損、準(zhǔn)確的特點。在物理地質(zhì)條件有利的條件下，合理使用綜合物探方法可發(fā)揮積極作用，因此在水庫滲漏調(diào)查中具有廣闊應(yīng)用前景。