李永銘,張 偉,孫永清

(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000)

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)已經(jīng)建成各類(lèi)水庫(kù)超過(guò)8.6 萬(wàn)座[1]，筑壩技術(shù)在取得巨大成就的同時(shí)，也出現(xiàn)了不少病害問(wèn)題，水庫(kù)病害問(wèn)題多種多樣，其中水庫(kù)滲漏是大壩最主要的病害之一。據(jù)世界相關(guān)組織統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，由于大壩滲漏引起的水庫(kù)工程問(wèn)題數(shù)量達(dá)到失事工程總數(shù)的40%以上。我國(guó)水利部曾經(jīng)整理了國(guó)內(nèi)已經(jīng)建成并投入使用的241 座大型水庫(kù)資料，分析了發(fā)生工程事故的1000 宗案例，其中由于滲漏引起的事故總數(shù)317 宗左右，占事故總數(shù)的31.7%。因此，滲漏問(wèn)題對(duì)水庫(kù)安全會(huì)造成極大的影響，引起了相關(guān)部門(mén)的高度重視[2]。近年來(lái)，不管是中央還是地方，均投入了大量的資金進(jìn)行水庫(kù)滲漏處理，解決水庫(kù)滲漏，消除安全隱患。

確定滲漏模式[3]、準(zhǔn)確探測(cè)滲漏通道是水庫(kù)滲漏治理的前提。對(duì)于一些滲漏模式明確、滲漏通道相對(duì)集中的病害，通過(guò)資料分析、在借助物探技術(shù)一般能夠較為準(zhǔn)確地探測(cè)滲漏通道。根據(jù)國(guó)內(nèi)學(xué)者長(zhǎng)期的研究實(shí)踐，偽隨機(jī)流場(chǎng)法[4]、電磁波CT、聲波CT、壓水試驗(yàn)、鉆孔全景數(shù)字成像等方法在分析滲漏模式、探測(cè)滲漏通道等方面有很好的應(yīng)用效果。但對(duì)一些滲漏規(guī)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(guī)的物探方法常常無(wú)法解決，而微小異常又常常關(guān)系到水庫(kù)滲漏處理的成敗。本文通過(guò)作者大量的工作實(shí)踐，從分析水庫(kù)滲漏模式和探測(cè)水庫(kù)滲漏通道入手，闡述物探技術(shù)、尤其是一些“非常規(guī)”物探技術(shù)在水庫(kù)滲漏探測(cè)方面的應(yīng)用。

1 滲漏模式分析

根據(jù)水庫(kù)滲漏部位的不同，水庫(kù)滲漏類(lèi)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(kù)工程中最普遍存在的問(wèn)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(fēng)化節(jié)理或構(gòu)造裂隙帶等，均是產(chǎn)生滲漏的關(guān)鍵因素。

水庫(kù)滲漏模式通過(guò)查閱水庫(kù)勘察資料和設(shè)計(jì)圖紙、分析工區(qū)地質(zhì)條件、施工期存在的薄弱環(huán)節(jié)并結(jié)合已經(jīng)揭露的滲漏現(xiàn)象，一般均能夠得出比較準(zhǔn)確的結(jié)論。但由于滲漏問(wèn)題的復(fù)雜性，僅靠上述資料分析得出的結(jié)論往往存在一定的局限性，得出的結(jié)論有時(shí)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(kù)大壩滲漏探測(cè)為例:某水庫(kù)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(zhǎng)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(kāi)敞式溢洪道、取水兼放空隧洞等。壩址區(qū)及近壩庫(kù)岸出露全為寒武系中統(tǒng)高臺(tái)組白云巖、泥質(zhì)白云巖、砂巖及泥巖等，為中等巖溶含水巖組。壩址區(qū)位于絲棉背斜北西翼，受區(qū)域構(gòu)造影響，壩址區(qū)張性裂隙發(fā)育，并發(fā)育有斷層f1與f2。f1位于趾板下游，基本橫切河床，產(chǎn)狀為N3°～10°W/NE ∠60°～80°，地面長(zhǎng)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(qū)巖體破碎，并伴有小褶曲發(fā)育，為陡傾角的正斷層。f2發(fā)育于取水兼放空隧洞進(jìn)口，斜切右岸，止于下游沖溝，產(chǎn)狀為N35°～70°E/NW ∠70°～80°，長(zhǎng)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?guī)r層產(chǎn)狀變化較大，為陡傾角的正斷層。近壩基肩一定范圍內(nèi)受斷層f1、f2和裂隙切割影響，巖體風(fēng)化破碎，水庫(kù)存蓄水后庫(kù)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(kù)于2018 年1 月下閘蓄水，庫(kù)水位740.2 m，實(shí)測(cè)壩基滲漏量為22.6 L/s;2018 年4 月水庫(kù)蓄水至767.6 m 高程，壩基滲漏量為92.98 L/s，達(dá)到三角堰最大量程。6 月以來(lái)壩基滲漏量較大，已超過(guò)三角堰最大量程，不能對(duì)壩基滲漏量進(jìn)行觀測(cè)。通過(guò)觀測(cè)，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(gè)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(dāng)延長(zhǎng)段區(qū)域內(nèi)可能存在的滲漏范圍及部位，采用偽隨機(jī)流場(chǎng)法進(jìn)行滲漏探測(cè)。測(cè)線布置見(jiàn)圖1。紅色線條圈閉范圍為探測(cè)區(qū)域，藍(lán)色線條為測(cè)點(diǎn)所在位置。探測(cè)時(shí)將電極A 布置與壩前出水點(diǎn)，電極B 分別布置于左岸及右岸無(wú)窮遠(yuǎn)處，探頭沿藍(lán)色線條所在位置以1 m 點(diǎn)距拉網(wǎng)式掃描。探測(cè)完成后，建立兩種不同的電流場(chǎng)，分別為:左岸—壩后電流場(chǎng)、右岸—壩后電流場(chǎng)。探測(cè)成果見(jiàn)圖2。從探測(cè)結(jié)果看，右岸存在多處滲漏點(diǎn)且滲漏點(diǎn)成帶狀分布，與壩址區(qū)的斷層走向基本一致，但同時(shí)，在左岸也發(fā)現(xiàn)一處異常區(qū)域，此處異常區(qū)域形態(tài)規(guī)則且獨(dú)立存在。最終在水庫(kù)放空檢查后，在異常位置處發(fā)現(xiàn)一處漏水通道。

圖1 偽隨機(jī)流場(chǎng)法測(cè)線綜合布置圖

圖2 某水庫(kù)左岸-滲水點(diǎn)電流場(chǎng)分布圖(左)及右岸-滲水點(diǎn)電流場(chǎng)分布圖(右)

通過(guò)上述案例可知，雖然通過(guò)分析資料可以比較準(zhǔn)確地確定水庫(kù)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(shí)缺乏技術(shù)資料支撐，借助物探技術(shù)，能夠比較全面、科學(xué)地獲取水庫(kù)滲漏信息。

2 滲漏通道的探測(cè)

滲漏模式確定之后，需要對(duì)滲漏通道進(jìn)行探測(cè)。滲漏通道可以采用地面、孔內(nèi)兩個(gè)不同的部位進(jìn)行探測(cè)。但地面探測(cè)由于各種條件限制，往往探測(cè)精度較低。為了更好地探測(cè)滲漏通道最好采用孔內(nèi)探測(cè)的方式進(jìn)行。

孔內(nèi)探測(cè)可采用噪聲監(jiān)測(cè)、井溫測(cè)試、鉆孔全景數(shù)字成像測(cè)試、壓水試驗(yàn)、電磁波CT、聲波CT 等方式進(jìn)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(kù)滲漏探測(cè)應(yīng)以資料分析為基礎(chǔ)，物探方法為手段，多種方法相互印證和補(bǔ)充。圖3 為某水庫(kù)鉆孔透水率、電磁波CT、滲流場(chǎng)、溫度場(chǎng)對(duì)比圖。從各種不同的信息聯(lián)合分析滲漏通道。

圖3 某水庫(kù)鉆孔透水率、電磁波CT、滲流場(chǎng)、溫度場(chǎng)對(duì)比圖

滲漏通道的探測(cè)中，如果發(fā)現(xiàn)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(jìn)行探測(cè)。通過(guò)此方法可以確定空洞等異常的規(guī)模、發(fā)育方位等。圖4 為某水庫(kù)鉆孔空洞三維聲吶掃描探測(cè)成果，從圖中可見(jiàn)，空洞發(fā)育規(guī)模、發(fā)育方位等清晰可見(jiàn)。

圖4 某水庫(kù)鉆孔三維聲吶掃描探測(cè)成果

3 微小異常的探測(cè)

在滲漏通道的探測(cè)中，有些異常因?yàn)橐?guī)模較小，使用常規(guī)探測(cè)方法探測(cè)難度很大。在這種情況下需要使用一些“非常規(guī)”方法對(duì)異常進(jìn)行探測(cè)處理。

圖5為某水電站心墻聲波CT 探測(cè)原始數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)上看初至比較清晰，且初至變化不大，說(shuō)明心墻聲波波速變化較小。但圖中紅色標(biāo)記位置初至主頻變化較大，說(shuō)明該部位的心墻與其他部位的心墻存在一定的差異，導(dǎo)致聲波在穿透過(guò)程中主頻發(fā)生變化，通過(guò)資料分析，認(rèn)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(shù)據(jù)

定義聲波相鄰道之間各參數(shù)差與相鄰道之間各參數(shù)平均值的比值為各參數(shù)變化率。圖5 為圖6 數(shù)據(jù)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(lán)色)與初至主頻(紅色)變化率曲線圖

此類(lèi)情況下，使用初至主頻反演更能突出異常。圖7 為同一數(shù)據(jù)波速反演成果與初至主頻反演結(jié)果對(duì)比圖。從圖中可以看出初至主頻反演成果當(dāng)中出現(xiàn)了很多波速反演結(jié)果“不存在”的異常。說(shuō)明這些區(qū)域異常規(guī)模較小，尚未引起介質(zhì)波速變化，但引起了介質(zhì)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(duì)比圖

某些異常因其規(guī)模較小，不一定能引起井溫、鉆孔全景數(shù)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(jiān)測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)其它方法發(fā)現(xiàn)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(jiān)測(cè)與井溫測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖。左圖為噪聲監(jiān)測(cè)結(jié)果，右圖為同一鉆孔井溫測(cè)試結(jié)果圖。從圖中可知在深度140 m～150 m 范圍內(nèi)噪聲主頻發(fā)生明顯變化，但井溫僅在140 m 左右發(fā)生輕微跳動(dòng)，變化不明顯。

圖8 某水電站心墻鉆孔噪聲監(jiān)測(cè)與井溫測(cè)試結(jié)果圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文從水庫(kù)滲漏探測(cè)大量的實(shí)例出發(fā)，分別從滲漏模式分析、滲漏通道的探測(cè)、微小異常的探測(cè)三個(gè)不同的層級(jí)展示物探技術(shù)在水庫(kù)滲漏探測(cè)方面的應(yīng)用。筆者近些年在水庫(kù)滲漏探測(cè)方面有很多成功的實(shí)例。從探測(cè)實(shí)例當(dāng)中可以總結(jié)如下幾點(diǎn):

(1)水庫(kù)滲漏探測(cè)是一項(xiàng)系統(tǒng)性的工程，需要從滲漏模式分析入手，逐步細(xì)化，精確探測(cè)滲漏通道乃至微小異常;

(2)在水庫(kù)滲漏探測(cè)中沒(méi)有哪一種方法可以“包打一切”解決所有問(wèn)題，需要根據(jù)實(shí)際情況采用不同方法綜合解決水庫(kù)滲漏探測(cè)問(wèn)題;

(3)在水庫(kù)滲漏探測(cè)中，有很多方法不是常規(guī)方法。這就需要探測(cè)人員有很強(qiáng)的綜合能力及豐富的探測(cè)經(jīng)驗(yàn)。