物探技術在水庫滲漏探測方面的應用研究

李永銘,張 偉,孫永清

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550000)

據不完全統計，我國已經建成各類水庫超過8.6 萬座[1]，筑壩技術在取得巨大成就的同時，也出現了不少病害問題，水庫病害問題多種多樣，其中水庫滲漏是大壩最主要的病害之一。據世界相關組織統計結果顯示，由于大壩滲漏引起的水庫工程問題數量達到失事工程總數的40%以上。我國水利部曾經整理了國內已經建成并投入使用的241 座大型水庫資料，分析了發生工程事故的1000 宗案例，其中由于滲漏引起的事故總數317 宗左右，占事故總數的31.7%。因此，滲漏問題對水庫安全會造成極大的影響，引起了相關部門的高度重視[2]。近年來，不管是中央還是地方，均投入了大量的資金進行水庫滲漏處理，解決水庫滲漏，消除安全隱患。

確定滲漏模式[3]、準確探測滲漏通道是水庫滲漏治理的前提。對于一些滲漏模式明確、滲漏通道相對集中的病害，通過資料分析、在借助物探技術一般能夠較為準確地探測滲漏通道。根據國內學者長期的研究實踐，偽隨機流場法[4]、電磁波CT、聲波CT、壓水試驗、鉆孔全景數字成像等方法在分析滲漏模式、探測滲漏通道等方面有很好的應用效果。但對一些滲漏規模比較小、滲漏通道不集中的微小異常，由于其物性差異比較小，常規的物探方法常常無法解決，而微小異常又常常關系到水庫滲漏處理的成敗。本文通過作者大量的工作實踐，從分析水庫滲漏模式和探測水庫滲漏通道入手，闡述物探技術、尤其是一些“非常規”物探技術在水庫滲漏探測方面的應用。

1 滲漏模式分析

根據水庫滲漏部位的不同，水庫滲漏類型一般分為壩體滲漏、壩基滲漏和壩肩滲漏三種。其中，壩基滲漏和壩肩滲漏是水庫工程中最普遍存在的問題之一。壩基和壩肩巖體的特征，如河床砂礫卵石層、壩肩松散碎石土層(坡積物、坡洪積物)、基巖風化節理或構造裂隙帶等，均是產生滲漏的關鍵因素。

水庫滲漏模式通過查閱水庫勘察資料和設計圖紙、分析工區地質條件、施工期存在的薄弱環節并結合已經揭露的滲漏現象，一般均能夠得出比較準確的結論。但由于滲漏問題的復雜性，僅靠上述資料分析得出的結論往往存在一定的局限性，得出的結論有時不夠全面。這種情況下，借助一些物探方法，可以更好地輔助分析滲漏模式。

以某水庫大壩滲漏探測為例:某水庫大壩為混凝土面板堆石壩，壩頂寬7.0 m，壩頂高程782.5 m，壩頂長272.5 m，最大壩高60.0 m，最大壩底寬174.23 m，其他主要建筑物為開敞式溢洪道、取水兼放空隧洞等。壩址區及近壩庫岸出露全為寒武系中統高臺組白云巖、泥質白云巖、砂巖及泥巖等，為中等巖溶含水巖組。壩址區位于絲棉背斜北西翼，受區域構造影響，壩址區張性裂隙發育，并發育有斷層f1與f2。f1位于趾板下游，基本橫切河床，產狀為N3°～10°W/NE ∠60°～80°，地面長度大于500 m，斷距4 m～7 m，破碎帶寬約0.5 m～1 m，影響帶寬2 m～4 m，局部基巖裸露區巖體破碎，并伴有小褶曲發育，為陡傾角的正斷層。f2發育于取水兼放空隧洞進口，斜切右岸，止于下游沖溝，產狀為N35°～70°E/NW ∠70°～80°，長度約350 m，斷距1 m～3 m，破碎帶寬約0.2 m～0.5 m，影響帶寬1 m～3 m，斷層附近基巖極為破碎，且巖層產狀變化較大，為陡傾角的正斷層。近壩基肩一定范圍內受斷層f1、f2和裂隙切割影響，巖體風化破碎，水庫存蓄水后庫水沿近壩岸繞壩基肩向下游河床及沖溝滲漏的可能性較大。

水庫于2018 年1 月下閘蓄水，庫水位740.2 m，實測壩基滲漏量為22.6 L/s;2018 年4 月水庫蓄水至767.6 m 高程，壩基滲漏量為92.98 L/s，達到三角堰最大量程。6 月以來壩基滲漏量較大，已超過三角堰最大量程，不能對壩基滲漏量進行觀測。通過觀測，下游壩腳沿線均有水滲流，局部有較集中出水口，呈小股狀，初步估算，整個壩腳滲漏量約160 L/s。

為查明大壩兩岸岸坡趾板、河床水平段趾板及兩壩肩適當延長段區域內可能存在的滲漏范圍及部位，采用偽隨機流場法進行滲漏探測。測線布置見圖1。紅色線條圈閉范圍為探測區域，藍色線條為測點所在位置。探測時將電極A 布置與壩前出水點，電極B 分別布置于左岸及右岸無窮遠處，探頭沿藍色線條所在位置以1 m 點距拉網式掃描。探測完成后，建立兩種不同的電流場，分別為:左岸—壩后電流場、右岸—壩后電流場。探測成果見圖2。從探測結果看，右岸存在多處滲漏點且滲漏點成帶狀分布，與壩址區的斷層走向基本一致，但同時，在左岸也發現一處異常區域，此處異常區域形態規則且獨立存在。最終在水庫放空檢查后，在異常位置處發現一處漏水通道。

圖1 偽隨機流場法測線綜合布置圖

圖2 某水庫左岸-滲水點電流場分布圖(左)及右岸-滲水點電流場分布圖(右)

通過上述案例可知，雖然通過分析資料可以比較準確地確定水庫的滲漏模式和圈定大致的滲漏范圍，但存在一定的局限性，同時缺乏技術資料支撐，借助物探技術，能夠比較全面、科學地獲取水庫滲漏信息。

2 滲漏通道的探測

滲漏模式確定之后，需要對滲漏通道進行探測。滲漏通道可以采用地面、孔內兩個不同的部位進行探測。但地面探測由于各種條件限制，往往探測精度較低。為了更好地探測滲漏通道最好采用孔內探測的方式進行。

孔內探測可采用噪聲監測、井溫測試、鉆孔全景數字成像測試、壓水試驗、電磁波CT、聲波CT 等方式進行。

受物探方法的限制、一種物探方法往往很難確定滲漏通道，水庫滲漏探測應以資料分析為基礎，物探方法為手段，多種方法相互印證和補充。圖3 為某水庫鉆孔透水率、電磁波CT、滲流場、溫度場對比圖。從各種不同的信息聯合分析滲漏通道。

圖3 某水庫鉆孔透水率、電磁波CT、滲流場、溫度場對比圖

滲漏通道的探測中，如果發現空洞等異常，可以采用三維激光掃描(三維聲吶掃描)等方式進行探測。通過此方法可以確定空洞等異常的規模、發育方位等。圖4 為某水庫鉆孔空洞三維聲吶掃描探測成果，從圖中可見，空洞發育規模、發育方位等清晰可見。

圖4 某水庫鉆孔三維聲吶掃描探測成果

3 微小異常的探測

在滲漏通道的探測中，有些異常因為規模較小，使用常規探測方法探測難度很大。在這種情況下需要使用一些“非常規”方法對異常進行探測處理。

圖5為某水電站心墻聲波CT 探測原始數據，從數據上看初至比較清晰，且初至變化不大，說明心墻聲波波速變化較小。但圖中紅色標記位置初至主頻變化較大，說明該部位的心墻與其他部位的心墻存在一定的差異，導致聲波在穿透過程中主頻發生變化，通過資料分析，認為這些部位心墻存在一定程度的缺陷。

圖5 某水電站大壩心墻聲波CT 原始數據

定義聲波相鄰道之間各參數差與相鄰道之間各參數平均值的比值為各參數變化率。圖5 為圖6 數據初至波速與初至主頻變化率曲線圖。從圖中可知，初至波速變化率較小，但初至主頻變化率較初至波速變化率明顯提高。

圖6 某水電站心墻聲波CT 初至波速(藍色)與初至主頻(紅色)變化率曲線圖

此類情況下，使用初至主頻反演更能突出異常。圖7 為同一數據波速反演成果與初至主頻反演結果對比圖。從圖中可以看出初至主頻反演成果當中出現了很多波速反演結果“不存在”的異常。說明這些區域異常規模較小，尚未引起介質波速變化，但引起了介質主頻變化。

圖7 某水電站大壩心墻聲波CT 波速反演成果與初至主頻反演成果對比圖

某些異常因其規模較小，不一定能引起井溫、鉆孔全景數字成像等的明顯變化。但可能引起周邊噪聲的變化。在很多情況下，使用高精度噪聲監測，可以發現其它方法發現不了或變化不明顯的異常。圖8 為某水電站心墻鉆孔噪聲監測與井溫測試結果對比圖。左圖為噪聲監測結果，右圖為同一鉆孔井溫測試結果圖。從圖中可知在深度140 m～150 m 范圍內噪聲主頻發生明顯變化，但井溫僅在140 m 左右發生輕微跳動，變化不明顯。

圖8 某水電站心墻鉆孔噪聲監測與井溫測試結果圖

4 結語

本文從水庫滲漏探測大量的實例出發，分別從滲漏模式分析、滲漏通道的探測、微小異常的探測三個不同的層級展示物探技術在水庫滲漏探測方面的應用。筆者近些年在水庫滲漏探測方面有很多成功的實例。從探測實例當中可以總結如下幾點:

(1)水庫滲漏探測是一項系統性的工程，需要從滲漏模式分析入手，逐步細化，精確探測滲漏通道乃至微小異常;

(2)在水庫滲漏探測中沒有哪一種方法可以“包打一切”解決所有問題，需要根據實際情況采用不同方法綜合解決水庫滲漏探測問題;

(3)在水庫滲漏探測中，有很多方法不是常規方法。這就需要探測人員有很強的綜合能力及豐富的探測經驗。