岩溶注浆变形监测（压水试验与综合物探法在某心墙坝渗漏识别中的应用研究）

摘 要：

探地雷达和高密度电法等综合物探方法在水库大坝防渗体连续性和渗漏检测中的应用较多，由于探测深度受限，深峡谷区大坝部分防渗体连续性无法采用探地雷达检测。某心墙坝除险加固工程采用防渗墙和防渗帷幕处理后，渗流量变化不大。为进一步查明大坝渗漏原因，结合监测资料、压水试验、探地雷达、高密度电法及地勘资料对心墙坝防渗墙连续性和防渗帷幕防渗效果进行了研究。结果表明：防渗墙整体连续性较好，无明显缺陷，防渗墙局部存在不密实；下游侧坝体与左右岸坝肩均存在多处低阻异常区，在高程80.00～100.00 m之间坝体视电阻率值低于30Ω·m,坝体含水量偏高；监测资料表明防渗帷幕前后水头降幅较大，说明防渗帷幕的防渗效果良好，除险加固后大坝渗流量变化主要是降水入渗导致。监测资料、压水试验、探地雷达和高密度电法综合应用在深峡谷区心墙坝除险加固工程渗漏识别和防渗体防渗效果分析中具有较好效果，可为同类工程提供依据。

关键词：

心墙坝;探地雷达;高密度电法;防渗墙;防渗帷幕;渗漏识别;

作者简介：

方艺翔(1997—),男，硕士研究生，从事水库大坝评价方面的研究。

*李卓(1979—),男，正高级工程师，从事水工建筑物防冻胀、水库大坝安全评价等方面的研究。

基金：

国家自然科学基金项目(51979193);

国家重点研发计划项目(2018YFC0407105,2018YFC0407106);

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目(Y721001);

引用：

方艺翔，李卓，范光亚，等． 监测资料、压水试验与综合物探法在某心墙坝渗漏识别中的应用研究［J］. 水利水电技术( 中英文) ， 2022，53( 2) : 87-97.

FANG Yixiang，LI Zhuo，FAN Guangya，et al． Application of monitoring data，water pressure test and comprehensive geophysical method to identification of leakage of a core dam［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2022，53( 2) : 87-97.

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0 引 言

防渗墙在土石坝防渗加固和深厚覆盖层基础防渗处理中应用较广。因其属于隐蔽工程，加上施工技术和工艺上的多样性，其工程质量对于大坝安全尤为重要。探地雷达和高密度电法具有无损、探测精度高和方便快捷等优点，被广泛应用于水库大坝隐患探查中。

随着数字信号处理技术的发展和电子器件精度的提高，无损物探技术取得了令人瞩目的成就。储冬冬等结合探地雷达图像探讨了震后探地雷达在大坝滑坡、渗漏、防渗墙裂缝等探测中的应用，为震后水利工程病险状况的全面、快速检测提供一种新思路。宋先海等采用高密度电法对中小型土石坝进行安全诊断，查明了大坝渗漏通道位置，为大坝除险加固提供了科学依据。刘海心等以某水库大坝为研究对象，通过高密度电法建立了渗漏通道地电模型，在4种装置类型下进行正演模拟和综合分析，发现层间渗漏和管状渗漏在4种装置的二维反演剖面上均有异常响应，验证了高密度电法探测渗漏通道的有效性。JUN等以洮河水库为例，在现场布设多条探地雷达测线，对水库的上、下游以及大坝的左、右坝肩进行密集检测，该方法在左右坝肩处检测到漏水，并且检测结果为后续的渗漏分析和处理提供了参考。

由于单一物探方法存在多解性，因此采用两种或两种以上的综合物探法检测大坝隐患部位越来越受到研究者青睐。葛双成等以工程实例为依托，详细说明了综合物探法在堤坝隐患探测中的作用和优点，分析了堤坝隐患的不同特征和综合物探法的特点。戴大刚等介绍了地质雷达法、高密度电阻率法和瞬变电磁法的探测原理，将地球物理方法应用于两个防渗墙工程质量探测试验。张建清等提出了一种先采用大地电磁法和高密度电法进行整体探测，再采用高密度电法和微动法进行局部探测的大坝渗漏综合物探法体系方案，并在试验中取得了较好的探测效果。李宏恩等采用高密度电阻法和地面核磁共振法对大坝渗漏情况进行了检测，验证了综合物探法探测堤坝渗漏隐患的可行性，该方法可以为土石坝工程的安全诊断与应急处置提供技术支撑。赵汉金等为查明戴家坞水库渗漏的病灶，采用并行电法快速获得大坝坝体段不同高程下的二维视电阻率图像，并采用瞬变电磁法对大坝两坝肩并行电法盲区部位进行补充探测，并依据成果进行防渗处理。

监测资料的可靠分析为保证大坝安全运行发挥了巨大的作用，因此采用监测资料分析大坝隐患部位和渗流机理的研究日益增多。张玉龙等结合两个混凝土面板堆石坝渗流监测实例，分析了坝体渗漏机理、坝体渗漏量与坝体内水力坡度的关系，总结了蓄水后该坝型内部渗流的基本情况，并对坝后渗流量影响因素进行了说明。金建峰等通过对闲林水库大坝试运行期间监测资料的整理分析，总结了闲林水库坝基、坝址两岸等重点部位的渗流变化规律，重点分析了降雨等因素对测点水位的影响，综合监测数据表明坝基、坝址两岸防渗系统工作正常，闲林水库渗流监测设施的布置合理、有效。陈丽等为探明水库主要渗漏部位，指导后续渗漏处理，采用地质勘查与数值模拟相互结合的方法，借助于钻孔压水试验来分析水库严重渗漏的主要部位及范围，并通过坝址区水文地质概念模型和坝址区三维有限元分析模型进行验证。

实践表明，物探技术无法精确获得缺陷位置的尺寸，并且地下空间信息复杂多变，应在物探方法的基础上结合地勘资料和监测资料进一步解释缺陷部位。任爱武等以水文地质控制结构定性分析为基础，通过水质、渗漏量监测分析确定渗水的来源，根据渗流理论分析计算排除法确定渗漏通道，进而确定水库渗漏的原因，并以探地雷达无损检测为验证辅助。宋洋等基于探地雷达方法，对某爆破堆石坝组合防渗体结构进行探测分析，并对混凝土面板下部的脱空、渗漏等缺陷的典型雷达图像进行分析，对于不宜开挖验证区域，通过分析坝体内部渗压计监测资料，对探地雷达法无损检测结果提供验证。

综上，探地雷达和高密度电法已广泛应用于大坝隐患检测中。由于地形限制探地雷达探测深度有限，无法对深峡谷区大坝防渗帷幕连续性进行检测，采用监测资料、压水试验、探地雷达和高密度电法对心墙坝进行渗漏检测和识别未见报道。针对上述问题，本文以某心墙坝除险加固工程为例，采用探地雷达和高密度电法对除险加固后防渗墙的防渗效果进行了检测，综合工程地质、探地雷达、高密度电法、监测资料和压水试验分析了某心墙坝防渗体的连续性和防渗效果，最后对探地雷达无法探测的防渗帷幕的连续性，采用监测资料对防渗帷幕的防渗效果进行了分析研究，为同类工程提供科学依据。

1 研究区概况

某心墙坝于1977年建成，总库容1.03亿m3,设计灌溉面积30万亩，洪水标准采用500年一遇洪水设计，10 000年一遇洪水校核。工程等别为Ⅱ等，工程规模为大(2)型水库。抗震设防烈度为VI度，是一座以防洪、灌溉为主，兼有发电、城镇供水和生态补水等综合效益的水库。枢纽工程由大坝、溢洪道、泄洪隧洞、灌溉输水涵管等组成。大坝为黏土心墙坝，坝顶高程112.0 m, 坝顶长335.0 m, 坝顶宽8.0 m, 最大坝高53.0 m, 坝体填筑材料为黏土和不均匀的砾(碎)石混合料。溢洪道位于大坝左岸，长320 m。泄洪隧洞位于大坝左侧山体，控制下泄流量30～80 m3/s。灌溉发电输水管位于大坝右岸，与坝轴线交角为98°,穿过大坝坝体后与坝后电站衔接。

2012年安全鉴定表明，坝体渗透系数偏大，坝基基岩破碎，并存在岩溶和多条断层破碎带，坝体和坝肩存在渗漏。2017年，针对水库的病险情况，对水库进行除险加固，主要施工内容为混凝土防渗墙和帷幕灌浆施工工作。

防渗墙于2017年3月开工，2017年6月完工。防渗墙采用C20混凝土抓斗成槽(两钻一抓),桩号为0 000—0 335,墙体厚度0.6 m, 嵌入基岩深度0.5～1.0 m。坝基帷幕灌浆于2017年8月开工，2018年6月完工。坝基防渗帷幕灌浆采用水泥浆，桩号为0 000—0 335,并向左、右岸山体分别延伸110 m和135 m, 坝基灌浆孔单排布置，孔距为1.5 m, 设计帷幕灌浆后渗透性应小于5 Lu, 帷幕灌浆底线均深入基岩5 Lu分布线5.0 m控制，大坝典型断面如图1所示。

图1 某心墙坝典型断面

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

该水库坝址位于淦河上游，河流由东流向西，与岩层走向近于一致，为纵向河谷。坝址区为低山丘陵地貌，右岸山顶高程265.50 m, 自然坡度30°～45°。

2.2 地层岩性

坝址区基岩地层为寒武系中、上统地层，第四系堆积物主要为河流冲积层、残坡积层和人工堆积层等。

2.3 地质构造

坝址处表现为单斜构造，岩层走向近EW,倾SW,倾角35°左右。坝址区断层较发育，按其方向可分为北北东、北东、北西及东西向四组。坝基主要断层有两组：一组为近于平行坝轴线、规模较大的北北东向断层，坝轴线及下游坝坡地基部位为F1断层破碎带，上游坡的地基部位发育F52断层；另一组为近东西向断层，规模小，比较隐蔽，与坝轴线垂直，为顺河向断层。

2.4 岩溶水文地质

某水库坝址区出露地层岩性多为寒武系中统结晶白云岩，部分夹泥晶白云岩条带，属较强岩溶化岩层，岩溶较为发育。坝址区发现15个溶洞，右岸发育13个溶洞，库内灌溉发电引水洞附近高程100.00～114.00 m之间集中发育4个溶洞，水库蓄水后在坝址上游形成旋涡，电站附近集中发育7个溶洞，水库蓄水后这些溶洞出现渗漏现象。

2.5 工程地质条件评价

(1)库区基本无库岸渗漏问题，库岸基本稳定，水库淤积问题不严重。(2)总体上坝基岩体质量级别属III类，在断层及其影响带内岩体质量级别属IV类；坝基不存在抗滑稳定问题，坝肩边坡总体稳定。(3)存在坝基和绕坝肩渗漏问题，渗漏主要沿坝基岩体、岩溶通道、东西向断层和F1断层带及残留松散冲积堆积物中进行。

3 监测资料、压水试验、探地雷达和高密度电法综合分析

本次现场检测时间为2018年10月29日至2018年11月3日，物探技术采用探地雷达和高密度电法，探地雷达测线布置1条，高密度电法测线布置1条，具体布置如图2所示。探地雷达测线布置在防渗墙顶，天线频率40 MHz, 最大探测深度约42 m; 高密度电法测线布置在坝顶背水侧(防渗墙后),电极布置方式采用温纳α排列，最大探测深度约52 m。

图2 某心墙坝探测测线与测压管平面布置

3.1 探地雷达检测结果分析

探地雷达的探测结果如图3所示。由图3可知，剖面图中存在抛物线形态的电力干扰信号和坝顶结构物的地面异常干扰，在排除这些干扰后，在桩号0 090—0 110,深度34～39 m范围内和桩号0 275—0 310,深度30～39 m范围内出现雷达波大范围的强反射现象，根据地勘资料，这两处异常位于防渗墙墙体和基岩的结合部位，表明防渗墙底部可能存在渗水。桩号0 275—0 278,深度25～32 m范围内，雷达波同相轴错断，电磁波波形杂乱无序，推测该处防渗墙连续性较差。

图3 防渗墙探地雷达探测结果

探地雷达探测结果表明：防渗墙整体连续性较好，无明显结构性缺陷，存在局处墙体不连续和部分墙体底部渗漏现象。

3.2 高密度电法检测结果分析

高密度电法的探测结果如图4所示。由图4可知，坝体存在以下4处低阻异常区：(1)桩号0 045—0 096,高程88.00～99.00 m范围内(图4中A、B区域)。(2)桩号0 144—0 183,高程60.00～91.00 m范围内(图4中C区域)。(3)桩号0 192—0 225,高程83.00～93.00 m范围内(图4中D区域)。(4)桩号0 249—0 290,高程88.00～99.00 m范围内(图4中E区域)。上述4个区域坝体视电阻率值较低，表明该区域坝体含水量高，可能存在渗漏通道。

图4 高密度电法视电阻率反演剖面

高密度电法探测结果表明：心墙坝下游侧坝体与左右岸坝肩均存在多处低阻异常区，在高程80.00～100.00 m之间坝体视电阻率值低于30 Ω·m, 坝体含水量偏高。

通过对探地雷达和高密度电法探测结果的异常区域分析可知，探地雷达揭示防渗墙墙体不连续或缺陷处基本是坝体含水量较高区域，两种物探方法的结果较吻合。根据施工和地勘资料，桩号0 090—0 110段墙底基岩溶洞发育，桩号0 295附近墙底基岩可能有断层穿过，不良地质情况能造成基岩内的渗流通道，桩号0 200—0 300段大坝下游侧坝体填筑质量较差，存在松散体，含水量偏高。探地雷达和高密度电法揭示的异常区域与工程地质条件揭示的渗漏通道吻合，从而验证了探地雷达和高密度电法检测结果的准确性。

3.3 监测资料分析

在心墙坝下游排水沟处(桩号0 080.00左右侧)各布设2套量水堰，用于监测大坝渗漏情况。左侧为三角堰，右侧为梯形堰，每月进行6次渗流量观测，时间为2013年1月1日至2018年11月1日。同时在大坝6个典型断面共布置16根测压管(见图2),其中P1、P2、P3、P4、P5、P6和P7为坝体测压管，W1、W2、W3、W4、W5、W6、W7、W8和W9为坝基测压管，每天进行1次库水位观测，时间为2020年6月1日至2021年5月1日。对大坝库水位、降水量、渗流量和测压管监测资料进行系统分析，结合探地雷达和高密度电法的探测结果，综合分析大坝渗漏情况，并对防渗帷幕的防渗效果进行了分析评价。

3.3.1 渗流量监测资料分析

库水位、降水量、渗流量过程线如表1和图5所示。由图5可知，某心墙坝除险加固后，最高库水位94.21 m(2018年9月30日),对应三角堰渗流量1.825 L/s, 梯形堰渗流量3.156 L/s; 对比除险加固前库水位在94 m左右情况，库水位93.87 m(2016年8月20日),对应三角堰渗流量2.534 L/s, 梯形堰渗流量5.799 L/s; 库水位93.49 m(2016年11月25日),对应三角堰渗流量2.534 L/s, 梯形堰渗流量8.928 L/s。由此可见，在排除降水影响且库水位相近情况下，心墙坝在防渗体建成后渗流量有所减小，但变化不大。三角堰距大坝主河槽段较近，探地雷达探测结果表明此处防渗墙防渗效果好，因此渗流量不受降水影响。

图5 量水堰渗流量过程线

受降水量影响，2015年4月1日—4月5日日降水量分别为92.5 mm、71.2 mm、50.6 mm、10.5 mm、36.0 mm, 2015年4月5日三角堰渗流量为28.292 L/s、梯形堰渗流量为405.765 L/s。2017年4月7日—4月9日日降水量分别为95.1 mm、29.8 mm、15.6 mm, 2017年4月10日三角堰渗流量为12.200 L/s、梯形堰渗流量为271.807 L/s。由此可见，渗流量的大幅波动受强降水及历时降水影响严重，降水量大于50 mm期间，渗流量有明显增大趋势。

在排除降水影响，对比相同库水位情况下，渗流量在防渗墙及防渗帷幕建成后有所减小，从大坝现有的渗流量观测数据可知，除险加固后大坝防渗体的防渗效果优于除险加固前。然而，大坝渗流量受强降水影响，渗流量随着降水量的增大而增大。因此，除险加固后大坝渗流量变化不大，主要是降水入渗导致。

3.3.2 测压管监测资料分析

桩号0 072断面埋设了P1和P2两根坝体测压管，其中P1位于防渗墙前，P2位于防渗墙后，库水位、降水量、渗流量和测压管水位过程线如表2和图6所示。由图6可知，排除降水影响，2020年6月9日、2020年12月28日、2021年1月19日、2021年4月30日，库水位分别为100.41 m、100.20 m、100.45 m、100.18 m, 防渗墙后P2测压管水位对比P1测压管水位分别降低了16.53 m、16.10 m、16.02 m、16.73 m, 消杀水头分别为40.91%、40.05%、39.60%、40.49%。2020年6月19日库水位为99.37 m, 降水量为49.1 mm, P1测压管水位为95.29 m, 2020年6月20日、6月21日无降水，P1测压管水位均为95.29 m, 2020年6月22日库水位为99.36 m, 降水量为4.5 mm, P1测压管水位为96.69 m。2020年7月8日库水位为102.76 m, 降水量为124.7 mm, 坝后量水堰渗流量增大，三角堰、梯形堰渗流量分别为21.740 L/s、14.004 L/s; 2020年9月17日库水位为101.42 m, 降水量为82.1 mm, 三角堰、梯形堰渗流量分别为21.740 L/s、14.004 L/s。综上可知，防渗墙后测压管水位降幅显著，防渗墙后位势相比防渗墙前下降了约40%,表明该断面防渗墙防渗效果良好。降水对测压管水位的影响具有滞后效应。对比库水位与测压管水位过程线可知，P1测压管水位与库水位变化保持同步，测压管水位与库水位正相关，P2测压管水位基本不受库水位影响，主要是由于防渗墙起到了防渗作用。渗流量与库水位相关性较弱，受降水量影响明显，渗流量主要来源是降水。

图6 坝体测压管水位过程线

桩号0 100断面埋设了P3和P4两根坝体测压管，均位于防渗墙后，由图6可知，P3测压管水位在不同时刻对比库水位分别降低了16.05 m、16.12 m、16.36 m、16.26 m, 根据高密度电法视电阻率反演剖面图可推测该断面浸润线高程为83.71 m, 与P3测压管水位吻合。桩号0 280断面埋设了P5、P6和P7三根坝体测压管，均位于防渗墙后，由图6可知，P5测压管水位在不同时刻对比库水位分别降低了11.55 m、11.67 m、11.96 m、11.93 m。

坝基测压管共布置了3个断面，本文选择具有代表性的桩号0 098断面和桩号0 185断面进行分析。桩号0 098断面埋设了W1、W2和W3三根坝基测压管，均位于防渗墙后，库水位、降水量、渗流量和测压管水位过程线如表2和图7所示，由图7可知，W1测压管水位在不同时刻对比库水位分别降低了24.66 m、25.05 m、25.30 m、24.63 m。桩号0 185断面埋设了W4、W5和W6三根坝基测压管，均位于防渗墙后，由图7可知，W4测压管水位在不同时刻对比库水位分别降低了19.56 m、20.35 m、20.60 m、18.93 m。坝基测压管水位在防渗帷幕前后降幅较大，说明防渗帷幕的防渗效果良好。

图7 坝基测压管水位过程线

对比图4与图6可得，P2测压管水位与图4中A区域对应，P3测压管水位与图4中B、C中间区域对应，P5测压管水位与图4中E区域对应。高密度电法揭示坝体含水量高的区域与测压管水位吻合，验证了监测资料的准确性。

桩号0 072典型断面实测浸润线如图8所示，由图8可知，当库水位为102.96 m时，防渗墙前P1测压管水位为97.69 m, 防渗墙后P2测压管水位为79.88 m, 防渗墙前后测压管水头差为17.81 m, 坝壳料实测渗透比降为0.22,小于坝壳料允许渗透比降0.40,心墙实测渗透比降为0.38,小于心墙允许渗透比降0.48,因此，大坝渗流性态符合一般规律，满足设计和规范要求。

图8 桩号0 72断面实测浸润线示意(高程单位：m)

3.4 压水试验分析

为进一步了解某心墙坝混凝土防渗墙和防渗帷幕的防渗效果，2017年6月19日、12月7日和2018年5月28日分别进行了坝体坝基压水试验等。试验结果表明，混凝土防渗墙渗透系数为2.3×10-7～4.1×10-7 cm/s, 混凝土防渗墙渗透系数满足设计要求，基岩透水率在1.8～4.2 Lu之间，满足设计和规范要求。

综上，混凝土防渗墙与防渗帷幕的防渗效果良好，与监测资料分析结果一致。

4 结 论

本文采用探地雷达、高密度电法、监测资料、压水试验和地勘资料综合分析了某心墙坝防渗体连续性和防渗效果，采用监测资料对防渗帷幕的防渗效果进行了分析研究，得出以下主要结论：

(1)由于深峡谷区地形受限，采用探地雷达探测无法对心墙坝较深范围防渗帷幕的连续性进行检测，本文采用监测资料对大坝防渗帷幕防渗效果进行了分析，坝基测压管监测资料表明，防渗帷幕前后测压管水头降幅较大，防渗帷幕具有较好防渗效果。坝基压水试验表明，基岩透水率在1.8～4.2 Lu之间，满足设计和规范要求，同时说明防渗帷幕的防渗效果较好。

(2)探地雷达探测结果表明，防渗墙整体连续性较好，无明显缺陷，防渗墙墙体局部存在不密实；高密度电法探测结果表明，大坝下游侧坝体与左右岸坝肩均存在低阻异常区，在高程80.00～100.00 m之间坝体视电阻率值低于30 Ω·m, 坝体含水量偏高。高密度电法揭示的异常区域与工程地质条件揭示的渗漏通道吻合。

(3)根据渗流量监测数据，除险加固后与除险加固前相比，大坝渗流量有所减小，但变化不大，总体上大坝渗流量较小，符合一般规律。渗流量主要受降水影响，渗流量随着降水量的增大而增大。由此大坝渗流量无明显变化主要是降水入渗导致。

(4)根据坝体测压管监测资料，防渗墙后测压管水位降幅显著，防渗墙后位势相比防渗墙前下降了约40%,表明该断面防渗墙防渗效果良好。降水对测压管水位的影响具有滞后效应。对比库水位与测压管水位过程线可知，P1测压管水位与库水位变化保持同步，测压管水位与库水位正相关，P2测压管水位基本不受库水位影响，主要是由于防渗墙起到了防渗作用。

(5)当库水位为102.96 m时，桩号0 072典型断面防渗墙前P1测压管水位为97.69 m, 防渗墙后P2测压管水位为79.88 m, 防渗墙前后测压管水头差为17.81 m, 坝壳料实测渗透比降为0.22,心墙实测渗透比降为0.38,均小于允许渗透比降，因此，大坝渗流性态符合一般规律，满足设计和规范要求。

(6)研究表明，监测资料、压水试验、探地雷达和高密度电法的综合运用，可有效用于心墙坝渗漏识别、防渗墙及防渗帷幕的防渗效果分析评价，为同类工程提供了科学依据。

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水利水电技术（中英文）

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