综合物探在水库渗漏探测中的应用

doi:10.11720/wtyht.2020.1425

综合物探在水库渗漏探测中的应用

姚纪华¹, 罗仕军², 宋文杰¹, 刘媛³, 赵文刚¹, 吕慧珠¹

1. 湖南省水利水电科学研究院,湖南长沙 410007

2. 长沙县重点工程管理局,湖南长沙 410100

3. 湖南百舸水利建设股份有限公司,湖南长沙 410007

The application of comprehensive geophysical exploration method to leakage detection of a reservoir

YAO Ji-Hua¹, LUO Shi-Jun², SONG Wen-Jie¹, LIU Yuan³, ZHAO Wen-Gang¹, LYU Hui-Zhu¹

1. Hunan Academy of Water Resources and Hydropower Sciences,Changsha 410007,China

2. Changsha County Key Engineering Administration Bureau,Changsha 410100,China

3. Hunan Baihe Water Conservancy Construction Co. Ltd.,Changsha 410007,China

责任编辑: 沈效群

收稿日期: 2019-08-29 修回日期: 2019-11-5 网络出版日期: 2020-04-20

基金资助:

湖南省重大水利科技项目.  XSKJ2018179-33
湖南省重大水利科技项目.  湘水科计[2017]230-30
湖南省一般水利科技项目.  XSKJ2018179-44
湖南省一般水利科技项目.  XSKJ2018179-46
湖南省一般水利科技项目.  湘水科计[2016]194-36

Received: 2019-08-29 Revised: 2019-11-5 Online: 2020-04-20

作者简介 About authors

姚纪华(1986-),男,湖南郴州人,硕士,工程师,主要从事水工环地质应用与研究工作。Email:yjh860716@163.com 。

摘要

受右坝肩正断层F2的影响,某水库岩溶发育,一直存在渗漏问题,经多处防渗处理,问题依然存在且日趋严重。本文综合采用流场法、自然电场法、高密度电阻率法对该水库渗漏进行了探测。发现老隧洞封堵质量较差,存在渗漏问题,并导致其下游侧坝体集中渗漏和大面积散浸;大坝坝体中部存在从上游坝坡至下游渗漏通道,是坝体下游二级坝坡出现散浸的主要原因;大坝右岸低矮山体存在渗漏入口,并可能与下游山脚的泉水点相连通;大坝右坝肩F2断层带防渗性差,存在与下游断层露头集中渗漏点相通的渗漏通道。此次探测结果表明:综合物探法能较准确获得水库渗漏源、渗流通道等位置信息。

关键词： 渗漏探测 ; 水库 ; 流场法 ; 自然电场法 ; 高密度电阻率法 ; 渗流通道

Abstract

Influenced by normal fault F2 of right abutment,karst is extensively developed in a reservoir and, as a result, there exists the leakage problem. Although several anti-seepage treatments have been conducted,leakage problem still exists in the near-dam reservoir area,and the situation has been getting worse and worse. In this study. the seepage of the reservoir was detected by flow field method,natural electric field method and high density resistance method. According to the results obtained, comprehensive geophysical prospecting method can accurately obtain the location information of seepage source and seepage channel of the reservoir; the sealing quality of old tunnels is poor and there are leakage problems, which also leads to concentrated seepage and large-scale scattered immersion of the downstream side dam body; the low mountain body on the right bank of the dam has seepage entrance and may be connected with the spring water point at the foot of the downstream mountain; the F2 fault zone on the right abutment of the dam has poor imperviousness,and there exists a leakage passage connected with the concentrated seepage points at the outcrop of downstream faults.

Keywords： seepage detection ; reservoir ; flow field method ; natural electric field method ; high density resistivity method ; seepage channel

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本文引用格式

姚纪华, 罗仕军, 宋文杰, 刘媛, 赵文刚, 吕慧珠. 综合物探在水库渗漏探测中的应用. 物探与化探[J], 2020, 44(2): 456-462 doi:10.11720/wtyht.2020.1425

YAO Ji-Hua, LUO Shi-Jun, SONG Wen-Jie, LIU Yuan, ZHAO Wen-Gang, LYU Hui-Zhu. The application of comprehensive geophysical exploration method to leakage detection of a reservoir. Geophysical and Geochemical Exploration[J], 2020, 44(2): 456-462 doi:10.11720/wtyht.2020.1425

0 引言

运行期岩溶水库常存在坝体、坝基或库区渗漏问题。其中坝基和库区渗漏多为岩溶或与断层等共同作用的结果,而坝体渗漏多为填筑土局部或整体渗透系数较大所致,这些渗漏隐患和缺陷的存在和继续发展常导致水库大坝失稳,甚至溃坝,造成巨大灾难。为此,许多学者在综合物探法探测水库坝体、坝基渗漏源^[1,2,3]、渗漏通道^[4]、缺陷^[5,6,7]的理论和实践运用研究。但由于岩溶发育的随机性及坝体填筑土的不均匀性,导致库坝区渗漏源、渗漏通道和缺陷的探测尤为复杂,因此,探索出一种准确率高、可操作性强的岩溶水库渗漏探测的综合物探法是十分必要和迫切的。

渗漏存在常引发场地物性特征变化和异常^[8],单一物探法受其本身局限性,揭露的场地物性特征常具局限性,致使水库渗漏源、渗流通道位置等信息存在偏差或误差。而综合物探法可获得多种物性探测成果,彼此验证、相互补充,减少多解性,去伪求真,可较准确反演出库坝区渗漏和缺陷发育特性。本文通过深入分析多种物探法,并考虑到岩溶水库渗漏源和渗流通道等探测的复杂性,综合采用流场法、自然电场法、高密度电阻率法查明运行期某岩溶水库某时期内渗漏缺陷发育特征和原因。以期为类似工程渗漏、缺陷探测提供实践经验。

1 工程概况

某水库位于溆浦县溆水支流,为岩溶水库,水库大坝为均质坝,坝顶高程均为297.3 m,最大坝高20.9 m,坝顶轴线长150 m,是一座以灌溉为主,兼顾防洪、养殖等综合效益的重点中型水利工程。大坝及左岸库区基岩为石炭系中上统娄山关群(∈₂₊₃)白云质灰岩,岩溶相对不甚发育;为F2所割的大坝右岸基岩为寒武系下统清虚洞组(∈_1q)灰岩,岩溶极其发育,地表见溶沟、溶穴和溶洞;坝体为均质坝,填土岩性为含碎石粉质黏土。坝址发育有NNW断裂,非活性张性正断层。受右坝肩正断层F2的影响,某水库岩溶更为发育,渗漏问题更严重。经多次防渗处理后,库坝区下游渗漏水依然存在,且日趋严重。

2015年6月4号(此时库水位约290.2 m)现场发现坝下老隧洞出口右岸见一渗漏量约为0.42 L/s集中渗漏点,其附近坝体也见面积约为15 m²左右的散浸区;右坝肩下游F2断层出露点(高程275 m左右)见一渗漏量约为0.76 L/s集中渗漏;大坝坝体中部下游二级坝坡坡脚较一面积约为20 m²的散浸区;右岸山体下游山脚(高程280 m左右)见一渗漏量约为0.64 L/s集中涌水点(如图1),据当地村民介绍只有汛期才能看到此涌水点。且下游集中渗漏点渗漏量和散浸区面积出现低水位时部分消失,但也随着库水位升高显著增大,且近年来渗漏逐月增大,已严重威胁着大坝安全。

图1

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图1 物探法测线现场布置及库坝区渗漏出入口示意

Fig.1 Site layout of geophysical survey line and schematic diagram of leakage inlet and outlet of reservoir dam area

可见,库坝区存在坝体、坝基、涵管渗漏等问题,传统地质钻探方法根本无法揭露出库坝区存在的渗漏源和渗漏通道,进而难以实现对库坝区渗漏问题进行针对性地加固处理。而综合物探法可在平面、垂直向及水平向解释出这些信息。

为获得工程区内岩土的电性特征,对地质钻探时取得的坝体、坝基及坝肩岩芯进行电阻率测定,其中坝体土芯取样位置从坝顶到坝底、左岸到右岸均匀分布,坝基、坝肩岩芯从强风化到微风化也分布较均匀。由物性参数(表1)可知库坝区岩土体电性特征:寒武系下统清虚洞组(∈_1q)灰岩为中高阻,平均电阻率约为1 227.4 Ω·m;石炭系中上统娄山关群(∈₂₊₃)白云质灰岩为中低阻,平均电阻率为613.8 Ω·m;坝体含碎石粉质黏土则表现为低阻特征,平均电阻率低于100 Ω·m;可见,库坝区不同岩土体相互之间电性差异较大,具备地球物理勘探前提。2 野外工作方法与技术鉴于流场法、自然电场法和高密度电阻率法,以及库坝区渗漏问题在垂直、水平和平面位置上的复杂性,加之水库渗漏情况和原因查明的迫切性。本次现场综合采用流场法、自然电场法和高密度电阻率法(表2),在充分利用三种方法各自优点的基础上,并结合工程地质条件,相互补充、相互佐证,查明渗漏情况,并深入分析其缘由,以期为水库防渗加固提供基础资料和有力支撑。

表1 工程区岩土体电阻率

Table 1 Resistivity of rock and soil in engineering area

地层代号	块数	岩土名称	电阻率范围 /(Ω·m)	平均电阻率/(Ω·m)
Q₄	18	含碎石粉质黏土	38.4~133.7	97.3
∈₂₊₃	12	白云质灰岩	203.8~799.2	613.8
∈_1q	6	灰岩	426.5~1464.9	1227.4

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表2 主要探测方法和仪器设备

Table 2 Main detection methods and instruments

探测方法	主要仪器设备	探测目的	主要工作内容
流场法	DB-3A堤坝管涌仪	库区渗漏进水口检查	在大坝及左坝肩山体近水面布设测线3条、右坝肩山体近水面布设2条
自然电场法	DZD-6A 多功能直流电法(激电)仪	大坝及坝肩山体自然电位异常区探测	平行于大坝坝轴线布置3条测线
高密度电法	DUK-2 高密度电法测量系统	大坝坝体、坝基渗漏通道及异常区探测	大坝坝体上布设2条测线,共计930个测点数据

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2.1 流场法

坝体(基)渗漏水和正常渗流形成的物性场具有明显差异性,导致其在岩土体中的运移特点、水土(岩)作用方式和作用时间显著迥异^[9]。

正常情况下,地下水流场为正常场,当水从高水头渗漏源向渗漏出口发生运移,则变成异常场,其中高水头区渗漏入口位置异常最显著,其水流速度的矢量场同时指向下游渗漏排泄口,这种流场异常性成为探测渗漏入口可以利用的物理实体^[10]。

实践中现场采用伪随机流场法在渗漏出口和库内高水头区发射信号电流形成异常信号电流场,同时异常渗流场得到强化,综合两种流场成果,利用其数学形式上的相互关系,拟合其时空分布形态间内在联系。通常情况下,信号电流主要沿漏水通道运移,信号电流场差异显著,而其他地段信号电流很小,处于正常场状态,因此测定到异常场位置就大致测定渗漏源位置^[11]。可见,伪随机流场法适合用于探测渗漏源位置,无法揭露库坝区岩土体中渗漏通道和缺陷的位置,更无法测定渗漏量大小。

工作时,在大坝及左坝肩山体近水面布设测线3条(测线c、测线d和测线e)、右坝肩山体近水面布设2条(测线a和测线b),共计5条测线,测线间距为4 m。依次将A电极放置在库坝区下游多个集中渗漏处,B电极放置库区离5条测线距离皆约200 m左右位置处;分别用绝缘导线将A、B电极连至大坝坝顶上的发送机上(见图1)。

沿每一根测线划船行走,每隔1~2 m先将探头置入水下至触碰到岩(土)体,后拉起约20 cm,读取接收机上显示数据,大于等于20 mA时进行定位标记。主要探测近坝库区内渗漏源位置。根据伪随机流场法接收机测得强度值J判断是否属于异常。测区电流密度一般在1~15 A/m²范围属于正常场, 异常部位电流密度通常为正常值2~3倍以上,且渗漏进水口电流密度曲线呈“峰”形^[12]。

2.2 自然电场法

当水在岩土体孔隙中运移时,地质体表面的过剩离子键会与水中的H⁺或OH^-离子结合,导致流动水体中H⁺或OH^-离子局部过剩,造成了电位异常^[13]。在水库高水头作用下,库坝区渗漏通道中运移的水一般流速较快,导致水体中H⁺或OH离子不均衡性更严重,引起渗漏源和通道一定区域内自然电位出现显著异常,利用这种异常性可大致推测出岩土体中渗漏通道和渗漏缺陷等的水平位置。但自然电场电位易受地电干扰,时有波动,出现异常电位,即并非一切异常皆为渗漏隐患所致,但显著出现较大负或正电位部位常为渗漏隐患。据统计,当自然电位异常值超过正常值的1.3~1.5倍时,渗漏隐患的可能性高达95%以上^[14]。

在工作现场平行于大坝坝轴线布置3条测线。Ⅰ测线位于大坝上游侧近水面斜坡(高程约290.70 m),测线起点为桩号D0+016(0+000桩号均从坝顶面与右岸山体交界处起算),终点桩号为D0+146,测点间距为4 m。Ⅱ测线位于坝顶面与右岸山体交界处(高程297.30 m),测线起点桩号为D0+000,终点桩号为D0+155,测点间距为4 m;Ⅲ测线位于主坝下游一级平台(高程约289.00 m),测线起点桩号为D0+020,终点桩号为D0+150,测点间距为4 m,主要为探测坝体、坝基及坝址区左右岸山体中渗漏通道的水平大致位置。测线上出现连续自然电位小于0或大于0时,为异常电位,可判断为渗漏通道疑似位置,且异常的幅度越大,其可能性就越高。

2.3 高密度电阻率法

高密度电阻率法是一种将电法勘探技术与计算机数字技术相结合的阵列式电阻率测量方法,集中了电剖面法和电测深法的特点,能揭示地下一定深度范围内岩土体横向和纵向电性变化情况。当地下埋藏岩土体中出现渗漏通道、空洞、缺陷或与周围显著差异时,这些区域的电阻率会出现明显异常,结果显著偏高或偏低。因此,可利用该方法探测岩土体中渗漏通道或缺陷大致位置,但结果多为定性分析,对渗漏量等无法进行定量分析^[15,16,17]。且若岩土体受到干扰电差异不明显或不敏感,将导致其探测结果失真。

在大坝坝体上布设2条测线(测线α和测线β)。测线α位置位于自然电场法Ⅰ测线上游侧(高程约293.80 m),测线β位于大坝下游二级坝坡中上部(高程约286.70 m)。两条测线长均为150 m,测点距3.0 m,主要为探测坝体、坝基中渗漏通道的水平和垂直方向上大致位置。本次采用温纳四极排列装置,电极数为 60,勘探工作使用的电极距测线α、测线β为3 m,测量层数为10层。

3 探测结果与分析

3.1 流场法探测结果

根据现场测定结果,大坝及右岸山体近水面只有测线e,测量数值均在1~15 A/m²以内,属于正常场范围。

测线c、测线d测线的中部出现明显异常,测值高达42~68 mA,该测点位于封堵老隧洞的正上方,距离水面约12 m,可判断为集中渗漏入口B。

测线c测线的大坝坝体中部出现明显异常,测值高达52~64 mA,可判断为大坝坝体上游坝坡一集中渗漏入口A。

测线a和测线b两条测线,在测量过程中3处区域出现明显异常,分别位于左岸小山包中部、断层F2与测线相交处和小山包左侧近坝区测值维持在40~90 mA,属异常场,因此可判断该三处区域为3个集中渗漏口E、D、C(如图1)

3.2 自然电场法探测结果

自然电场法3条测线测量结果见图2。可见,大坝坝顶Ⅱ测线从D0+006~0+014段处于低电位区,D0+118~0+122存在高电位异常;上游坝坡Ⅰ测线D0+114~0+118存在高电位异常;下游一级坝坡中上部Ⅲ测线D0+122存在高电位异常;Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ测线在D0+070~0+088皆存在低电位异常。为此,可做如下推断:

图2

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图2 大坝Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ测线自然电位曲线

Fig.2 Spontaneous potential maps of dam lines Ⅰ,Ⅱ and Ⅲ

1) 大坝D0+006~0+014段可能存在渗漏通道或积水区,应为F2断层破碎带渗漏通道或破碎带内积满水;

2) 从上游坝坡Ⅰ测线D0+116至下游坝坡Ⅲ测线D0+112连线及两侧3~6m内应存在一渗漏通道,现场发现此处为已被封堵的老隧洞,隧洞封堵不密实,存在渗漏水。

3) Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ测线在D0+070~0+088连线范围内存在严重渗漏通道。

3.3 高密度电阻率法探测结果

高密度电阻率法2条测线α、β测量结果见图3、4。两图深度1~3 m处有一低阻异常(浅蓝色), 应为下雨形成的潜水区所导致的。图3深度9~12 m处有92.8~120 Ω·m的低阻异常,为渗水区,图4点位D0+069~0+085,深度4~10 m处有40~80 Ω·m的大面积低阻异常体(蓝色、深蓝色),为严重渗水区域;推测该两处上下游渗水区与大坝右坝段距离相当,应在坝体内相连通。图4深度11~15 m处有100~150 Ω·m的低阻异常,为渗水区,此位置大致位于已封堵隧洞上方,推测封堵隧洞应存在渗漏水。

图3

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图3 大坝α测线高密度电阻率反演结果

Fig.3 Inversion results of high density resistivity of α line

图4

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图4 大坝β测线高密度电阻率反演结果

Fig.4 Inversion results of high density resistivity of β line

3.4 综合分析讨论

综合流场法、自然电场法和高密度电阻率法三种物探法的探测结果,可得出库坝区渗漏情况如下结论:

1) 小山包上游侧中部的集中入渗点E与其下游山脚涌水点可能是相连通的,山体内可能发育有岩溶通道。

2) 库内渗漏入口C、D应与F2断层带及下游断层露头相连通,断层内存在从上游库内至下游贯通的渗漏通道。

3) 大坝坝体中部渗漏入口B应与下游坝体坝坡散浸区相连通,大坝坝体中部存在向下游渗漏的渗漏通道。

4) 库内渗漏入口A应与下游左岸坝脚集中渗漏点和散浸区相连通,封堵老隧洞内存在向下游渗漏的渗漏通道。据水库管理人员回忆,老隧洞为前部四分之三隧洞段和出口四分之一涵管段组成,涵管段于2005年进行彻底挖除,并用坝体填土夯实压密;隧洞段上、下游段进行砼回填。本次综合物探法探测结果表明,2005年封堵老隧洞的封堵质量较差,存在渗漏,且水从老隧洞出口渗漏出溢流至下游侧坝体回填土内,造成坝体外坡左侧大面积散浸区和集中渗漏。

4 除险加固措施及效果分析

根据综合物探结果,对库坝区针对性采取了以下加固措施:①大坝右岸小山包集中入渗点E、D、C进行注浆封堵,表部5 m×5 m范围内加设黏土铺盖防渗;②断层F2走向与坝轴线相交位置采用双排帷幕灌浆,第二排灌浆孔布置于第一排孔之间,并向左右岸延伸30 m;③老隧洞进行重新灌浆封堵,渗漏入口B、A挖开,更换防渗土料重新回填压实,并在大坝坝轴线上坝体自然电位异常位置进行双排高压旋喷灌浆加固,灌浆孔深入坝基1 m。

2016年年底除险加固方案实施后,库坝区下游散浸区和集中渗漏点消失,效果显著,极大降低了库坝区防渗加固工程造价,且在经历了2017年和2019年汛期水库水位连续多天高于正常蓄水位的考验下,水库下游依然未见明显的散浸和集中渗漏水现象。可见,综合物探法探测的库坝区渗漏源、渗漏通道等信息是较为准确、可靠的。

5 结论

1) 综合利用流场法、自然电场法、高密度电阻率法探测某岩溶水库渗漏源、渗漏通道位置等信息,揭露了渗漏发育特征和原因。且依据探测分析结果对该水库进行了针对性重点部位堵漏防渗,效果显著。可见,综合物探法探测的水库渗漏信息是可信的,并与实际较为相符。

2) 探测结果表明:每一种物探方法在探测渗漏和渗流通道有其侧重和不足,单一物探法具有片面性和多解性,而多种物探法却可相互补充、相互印证,去伪求真,可较准确地获得渗漏源、渗流通道等信息。

3) 探测结果还表明:老隧洞封堵质量较差,存在渗漏问题,并导致其下游侧坝体集中渗漏和大面积散浸;大坝坝体中部存在从上游坝坡至下游渗漏通道,是坝体下游二级坝坡出现散浸的主要原因;大坝右岸低矮山体存在渗漏入口,并可能与下游山脚的泉水点相连通;大坝右坝肩F2断层带防渗性差,存在与下游断层露头集中渗漏点相通的渗漏通道。

4) 综合物探法只能定性在空间上大致确定渗漏源和渗流通道位置,但无法精准获得其空间位置、规模大小和渗漏量大小等定量信息,应加强水库渗漏缺陷探测手段、理论模型、信息化监测和成果处理等方面优化创新研究与应用。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

李萌, 黄昊, 吕小彬 , 等.

综合物探法在西部某水库渗漏检测的应用实践

[J]. 大坝与安全, 2016(3):69-72.