综合物探方法在水库绕坝渗漏隐患探测中的应用

皮雷, 谭磊, 李波

PDF(1537 KB)
中国农村水利水电 ›› 2022 ›› (5) : 82-86.
农田水利

综合物探方法在水库绕坝渗漏隐患探测中的应用

作者信息 +

The Application of the Integrated Geophysical Prospecting Method to the Detection of Leakage Hazards around the Dam

Author information +
稿件信息 +

摘要

坝肩岩土体成分复杂、结构差异性较大,在动静水压力的作用下结合部位多发渗漏安全问题。以某水库大坝渗漏调查为研究对象,有序采用测量、物探、钻探以及水文地质试验等技术手段探查大坝隐患空间位置信息及病因。勘察成果表明,无人机摄影技术清晰展示出渗漏点、塌陷区以及滑坡体之间的位置关系,从而指导物探工作需重点关注的部位是大坝左坝段;并行电法技术具有快速获取全大坝的电阻率分布的能力,结合瞬变电磁技术可进一步确定地质钻孔所布设的位置及区域;在桩号K0-000~0+040 m段钻探揭露出大坝坝基以块石体为主,并通过示踪试验建立了钻孔、塌陷区与渗漏点水之间的电导率联系,推断出水库渗漏与原滑坡体前的斜墙防渗体遭受破坏导致块石层内形成集中通道有关。根据探测研究成果确定出大坝渗漏通道的路径及分布范围,为水库大坝渗漏的定向防渗处理提供了靶区。

Abstract

The rock and soil body composition of the dam abutment is complex, and the structures are quite different. Under the action of hydrodynamic and hydrostatic pressure, the safety problem of multiple leakage in the joint area, the seepage investigation of a reservoir dam is taken as the research object, the spatial location information and causes of dam hidden dangers are explored by means of measurement, geophysical exploration,drilling and hydrogeological test. The survey results show that the UAV photography technology clearly shows the location relationship between the leakage point, the collapse area and the landslide body, so as to guide the geophysical prospecting work. The focus is the left dam section of the dam. Parallel electrical method technology has the ability to quickly obtain the resistivity distribution of the whole dam. Combined with transient electromagnetic technology, the location and area of the verification borehole can be further determined. Drilling in the section of the pile number K0-000-0+040 m reveal that the dam foundation is mainly composed of block stones, and the electrical conductivity relationship between drilling, collapse area and leakage point water is established through tracer test. It is deduced that leakage is caused by the failure of the inclined wall impervious body in front of the original landslide and the formation of the dam leakage channel in the block stone layer. According to the detection research results, the path and distribution range of the dam leakage channel are determined, which provides a target area for the directional seepage control of the reservoir dam leakage.

关键词

土石坝 / 渗漏隐患 / 无人机 / 并行电法 / 瞬变电磁法 / 电导率

Key words

embankment dam / leakage detection / unmanned aerial vehicle / parallel electrical method / transient electromagnetic method / electrical conductivity

基金

浙江省基础公益研究计划项目(LGF20D040001)
浙江省水利科技项目(RB1901)
浙江省省属科研院所扶持项目(ZIHEA20001)
浙江省水利河口研究院院长基金项目(岩土A19002)

引用本文

导出引用
皮雷 , 谭磊 , 李波. 综合物探方法在水库绕坝渗漏隐患探测中的应用[J].中国农村水利水电, 2022(5): 82-86
Lei PI , Lei TAN , Bo LI. The Application of the Integrated Geophysical Prospecting Method to the Detection of Leakage Hazards around the Dam[J].China Rural Water and Hydropower, 2022(5): 82-86
土石坝渗漏安全问题一直是水库大坝、堤防、海塘标准化管理的焦点与难点,为此工程科技人员从工程项目管理与运行维护、防渗工艺及材料改进、大坝安全监测方法、土石坝病害机理研究以及隐患探测1-4等方面都开展了大量的研究工作,在工程应用中也取得了一定的成效。但由于大坝建造年代久远,工程地质及历年施工加固资料缺乏以及隐患缺陷的隐蔽性等问题以至于除险施工过程具有很大的盲目性5,有相当一部分老化水库经防渗处理后仍然漏水,甚至出现加固完工后渗漏量不减反增的恶劣现象,演变成久治不愈的顽疾,耗费了大量的财力、物力和人力,却未发挥出应有工程效益。
大坝异常渗流演变成安全管理最为棘手硬骨头,归根结底根源于对隐患的病根认识不清,未能明确渗漏薄弱区的位置及空间展布,不能提出针对性的具体化防渗处理措施,往往采用“脚痛医脚,头疼医头”的片面化应付,亦或者停留在对全大坝盲目采取不计代价地初级层次的除险设计措施之上,失当或过当的浪费方案都不能真正意义上最优化地解决大坝的根本性渗漏问题6-8,只有查明大坝渗漏原因才是有效控制渗漏的前提。物探技术是以岩土介质以及薄弱带之间的物性差异为基础,利用可视化解译手段对大坝进行全断面、多角度、可透视的无损化扫描测量,高效、及时地准确判断出大坝隐患的具体分布特征。探地雷达法、孔间CT技术9、高密度电法、示踪试验、弹性波法和孔内数字成像等手段在大坝渗漏探测中应用较为广泛,为水库大坝隐患的排查提供了靶区10。但每种探测方法具有本身的局限性和适用条件,同时大坝渗漏隐患的成因及路径也比较复杂,采用单一的物探方法显然不能全面、精准地给出隐患的空间位置信息。为此,本文为查明某水库大坝的渗漏隐患,采用无人机对水库进行平面摄影的基础之上,综合并行电法与瞬变电磁技术对大坝进行探测,再对可疑隐患部位采取钻孔验证,最后利用电导率建立起钻孔、塌陷区与出水点之间的水力联系,从而确定出渗漏隐患的空间展布及形成原因,为除险加固提供技术支撑。

1 工程概况

某水库大坝坝型为黏土心墙防渗的土石混合坝,坝址以上集雨面积为2.88 km2,水库总库容为99.8 万m3,是一座以灌溉为主的小(2)型水库。当前,大坝坝顶长133.8 m,坝顶宽度4.5~8.5 m,最大坝高22 m,其中坝顶高程为129.77 m,正常蓄水位126.77 m。溢洪道位于大坝右岸,放水隧洞位于右岸山体,洞内埋设钢筋混凝土涵管。
水库始建于1959年底,至1965年5月坝体高17 m,库容48 万m3,在长达15年的建设期里坝体间断性地进行加高施工,并且在施工初期已暴露质量隐患。1965年5月,因前期施工过程中在左坝肩上游侧山体过量挖取土料,致使左坝肩下游出现严重的渗漏,同年采用黄泥及水泥浆液进行灌浆处理,稍有好转,但仍有渗漏现象。1973年底,因坝体加高需要,又对存在渗漏的左坝肩上游坝坡采用黏土斜墙进行防渗处理,渗漏现象略有好转。2000年1-3月,左坝肩进行灌浆处理,灌浆后有明显好转。2006年10月,大坝右坝肩临近溢洪道进口附近的上游坝面出现局部塌陷,形成一个直径约1 m的坑,经紧急处理,在迎水坡采用黏土覆盖压实,覆盖厚度约1.2 m,覆盖面积约400 m2
当库水位上升到高程120.7 m时,大坝下游左坝脚存在严重渗漏问题,为尽早排查出大坝渗漏的原因以期保障水库的安全运行,现场采用多重勘测手段进行综合分析。
图1 大坝平面及工程布置图

Fig.1 Dam plan and engineering layout

Full size|PPT slide

2 无损探测方法及成果分析

2.1 大坝无人机低空航拍摄影

无人机低空摄影技术是以无人机作为飞行平台,结合高清摄像、图像处理为一体的现代化测量技术,具有轻便灵活、高效便捷、低成本、高精度的特点11。近年来,小型无人机摄影技术在铁路勘察12、灾害调查13、环境勘查14、植被监测15以及大坝检测16等领域得到广泛应用,为近距离、高分辨、多视角的安全高效测量工作提供了便利。
现场采用多旋翼准专业级大疆精灵Phantom 4Pro无人机进行拍摄,水库大坝的航拍影像如图2所示。在图2(a)上,航拍影像能清晰展现出大坝的整体轮廓、公路、建筑物及周边的植被情况,同时在大坝左岸山体上可以看到堆积体,并且延伸到水库库区及坝脚,整体形态呈现出滑坡体的形态,结合水库的加固历史、实地调查的坝脚渗漏区及迎水坡塌陷区的位置,可以推断出当前水库隐患部位主要集中在大坝的左坝段(即分界线的左侧),明确了后续物探工作的靶区。
图2 无人机航拍影像和现场调查

Fig.2 Uav aerial image and reservoir survey

Full size|PPT slide

2.2 渗漏量与库水位的关系

工程实践表明,水库渗漏量与库水位具有紧密的关系,通过监测渗漏量、库水位的变化以及建立一定的数学模型对判断入渗点的高程、类型以及选择诊治措施具有重要意义。
表1给出了10组库水位与渗漏量的监测数据,在库水位高程为123.71 m时,渗漏区的渗漏量为16.68 L/s,随着库水位的不断降低,渗漏量也随之减少,当库水位下降到与坝顶的高差为8.8 m时,坝脚渗漏消失。根据渗漏量与库水位正向关函数,大坝渗漏与水库水体具有水力联系,并且渗漏入水点的高程在高程120.97 m以上。
表1 库水位与渗漏点流量的记录表

Tab.1 Records of reservoir water level and leakage point flow

日期 库水位高程/m 与坝顶高差/m 渗漏量/(L·s-1 天气
2020-08-03 123.71 6.0 16.68
2020-08-04 123.43 6.3 14.11
2020-08-05 123.29 6.4 14.00
2020-08-06 123.10 6.6 13.89
2020-08-07 122.94 6.8 12.20
2020-08-10 122.40 7.3 8.53
2020-08-11 122.28 7.4 6.98
2020-08-13 122.00 7.7 4.32
2020-08-17 120.99 8.7 0.22
2020-08-18 120.97 8.8 0

2.3 并行电法探测成果

并行电法是基于水库大坝内部的隐患电阻率与周围介质之间的导电性差异,根据电阻率异常区的规模、形态分布以及埋深等信息,并结合水库大坝的加固历史、病症特点及运维信息从而判断出渗漏病患的成因及连通性。并行电法成为继高密度电法之后,电阻率勘探在工作效率、数据量又一次飞跃,大大缩短了探测时间,为水库大坝的应急抢险及巡测提供了技术支撑。在水库大坝探测时,AM法成为首选的采集模式17图3),具体是以测线上的任一电极作为供电电极,另一电极被置于无穷远处,供电时,测线上剩余的电极全部采集自然场、一次场以及二次场电位数据,依次类推,当测线上所有电极都作为供电电极,则采样结束,从而获得多装置的全场地电数据体,为水库大坝隐患的精准探测提供了丰富的信息。
图3 AM法工作方式原理图

Fig.3 Schematic diagram of AM method working method

Full size|PPT slide

现场探测时,测线位于大坝的中轴线上,起始电极位于水库的左坝头,电极间距为2.5 m,总计布设61道电极,图4是经处理后得到的并行电法电阻率剖面图,从图上可以看出整体电阻率值较高,尤其在测线上15~50 m段存在孤立的高阻闭合异常,异常区的电阻率值介于600~850 Ω·m,而在测线上60~80 m段、深度20 m以下存在低阻的半闭合异常,推测在水库大坝基础部位存在渗流薄弱区,根据水库最大坝高为22 m,并且表1给出了库水位与渗漏量的关系,推断该部位不应该是当前坝脚渗漏的病灶。考虑到探测时库水位低于坝顶约5.3 m,均质大坝处于正常渗流状态下左坝段出现高阻区的概率较小,结合图2中的调查结果,该高阻区可能为主要的渗漏破坏隐患点,引起高阻区的原因可能是填筑体内含有较多块石,并且块石处于不饱和状态。此外,根据遥感影像和地质调查,虽目前大坝渗漏原因与右坝段无关,但斜条带低阻区也应引起关注。
图4 坝顶测线的视电阻率图

Fig.4 Apparent resistivity result for dam top

Full size|PPT slide

2.4 瞬变电磁法探测成果

瞬变电磁法属于时间域电磁勘探技术,是通过分析不同测点的电磁感应信号与时间之间的关系,从而得到探测区域内电阻率的空间分布。如图5所示,不同介质反映出的二次场瞬间的快慢存在差异,不同时刻变化的斜率也具有不同的特性,利用这种差异性即可推断出地下地质体的分布。瞬变电磁法在水利工程探测中具有独特的优势,通过拖曳式测量有效规避了高密度电法布设电极的不便,并且单点指向性测量大大提高横向分辨率,在堤防大坝快速巡测行业具有广阔的应用空间18
图5 二次场衰减曲线

Fig.5 Second field attenuation voltage curves

Full size|PPT slide

现场仪器采用HTEM型瞬变电磁仪,发射频率为6.25 Hz,叠加次数256次,收发线圈边长1.8 m,发射线圈为10匝,接收线圈为67匝,测道数为100道。把多道不同视窗的感应电压进行计算,得到如图6的视电阻率云图。从图6中可以看出,大坝存在3处低阻异常区,其中测线10~50 m段低阻异常相对强烈,经调查在测线20 m位置处有金属,可能由于强导电金属干扰的存在造成二次场衰减速度减少;测线上70~80 m段、135~142 m段低阻区与并行电法探测结果基本吻合(图4),表明大坝可能存在多处隐患,进一步需要钻探进行验证。
图6 瞬变电磁探测成果图

Fig.6 Results of Transient Electromagnetic Detection

Full size|PPT slide

3 钻探及示踪试验

3.1 钻探成果分析

根据物探成果,在大坝的左坝段布置验证钻孔,钻孔剖面平面布置如图1所示。图7是大坝地质横剖面,从各钻孔揭露的地层可知,本次钻探发现大坝自浅层及深分布地层主要为含砂砾粉质黏土、块石、碎石土以及坝基粉砂岩。其中块石层在左坝肩山体均有揭露,揭露厚度3.5~14.0 m,根据左岸地形特征判断该层为原山坡崩塌体堆积层,块石层的渗透系数K=1.2×10-2~2.4×10-1 cm/s,平均渗透系数K=9.8×10-2 cm/s,呈强透水性。
图7 大坝地层横剖面

Fig.7 Horizontal section of dam stratum

Full size|PPT slide

需要指出的是,据水库除险加固资料记载,左坝肩迎水坡曾采用填筑黏土斜墙防渗处理,但钻孔ZK103(孔口高程124.30 m)并未揭露到斜墙黏土层,并且观测到在钻进块石层(深度0~10 m)过程中发现坝脚渗漏点出现浑水现象(图8),结合当前迎水坡存在多个塌陷区,大坝左坝段坝基块石层在横向上具有连续性且未有阻断措施从而形成渗漏通道。
图8 钻孔岩心及出水点

Fig.8 Drilling core and outlet point

Full size|PPT slide

3.2 钻孔示踪试验

在钻进中,根据示踪连通试验原理,分别在迎水坡塌陷区进水洞、钻孔ZK103一次性投放30L饱和NaCl溶液,利用美国Jenco公司型号3250的电导率仪测量不同时刻渗漏点的温度及电导率值,通过监测数值的时序变化判断出渗漏点与投放点的水力联系。
塌陷区进水洞投放点的高程为124.08 m,对应大坝桩号K0+010,投放前渗漏点的初始水温26.6 ℃,电导率值为78.1 μS/cm。从图9中可以看出,在整个监测过程中,水温基本保持不变,最大波动值为0.2 ℃;历时30 min时,电导率值为78.6 μS/cm,相对于初始值变化较小,但在投放时间为60 min时,电导率达到最大值135.2 μS/cm,相对初始值增幅达到73.1%,其后,电导率随投放时间的延长而逐渐回落。钻孔ZK103投放段为0~10 m,在全监测过程中,测量水的温度及电导率总计有8组,水温基本上在29 ℃波动,变化幅度较小;在投放NaCl溶液70 min时刻,水的电导率达到333.4 μS/cm,相对于初始值增加了244.93 μS/cm,其后渗漏水的电导率值在不断降低,经260 min后电导率值逐渐接近初始值。
图9 渗漏水的电导率、温度随时间的变化

Fig.9 The change of electrical conductivity and temperature of leakage water with time

Full size|PPT slide

根据示踪剂试验,塌陷区进水洞、钻孔ZK103与下游出水点具有一定的水力联系,并且由于钻孔ZK103空间较为狭窄,NaCl溶液达到渗漏点的时间更短,电导率变化的幅度更大。

3.3 渗漏原因分析

从测量、物探、钻探以及示踪试验结果上来看,大坝的渗漏问题主要集中在左坝肩,具体范围为桩号K0-005~0+040段、深度在8.8 m以上;根据钻孔ZK103、ZK109、ZK101以及ZK111揭露出区段为块石层,结合区域地质及相关资料,该区域可能为崩塌体,具备了形成渗漏通道的客观条件。水库在建设时,大坝左坝肩整体坐落在块石基础之上,受当时的经济技术条件的限制,并未从根本上解决渗漏隐患问题,后期虽进行斜墙防渗处理,但本次钻孔ZK103并未揭露防渗体,故水库大坝渗漏原因可归结于大坝斜墙防渗体的破坏,建议下一步采用定向处理的方法从根本上消除大坝的病灶19

4 结 论

(1)水库大坝成因复杂,无人机低空摄影能宏观判断出隐患的大致区域,渗漏点与库水位的关系有效确定出渗漏点的深度范围,结合并行电法和瞬变电磁能无损直观勾勒出渗漏异常,钻孔取样、示踪试验直观验证结果的可靠性,综合采用多重勘察手段有助于提高对渗漏隐患的诊断水平,同时应优化测量、物探、钻探及示踪试验等方法从而有效降低探测的成本及工期;
(2)探测结果表明,水库大坝渗漏隐患主要与左坝肩K0-005~0+040段、深度在8.8m以上的坝基块石层有关,建议对此区域进行防渗处理;
(3)从物探成果上来看,大坝内部存在多处物性异常,如何对引起渗漏的主要异常进行甄别是重要的研究课题,同时还需要监控非渗漏异常的时空演变规律,及时作出预报预警。

参考文献

1
陈生水.土石坝试验新技术研究与应用[J].岩土工程学报201537(1):1-28.
2
钮新强.水库病害特点及除险加固技术[J].岩土工程学报201032(1):153-157.
3
朱德兵,杨益成,田忠涵.走航式电法快速探测技术[J].地球物理学进展201429(3):1 377-1 383.
4
张建锋,李国敏,张元,等.塔河下游间歇性输水河道附近地下水位动态响应[J].地球物理学报2012555(2):620-630.
5
杨启贵.病险水库安全诊断与除险加固新技术[J].人民长江201546(19):30-34.
6
钮新强.大坝安全诊断与加固技术[J].水利学报2007(增1):60-64.
7
刘计山.水工防渗帷幕方案论证及后评价技术[J].岩土力学201031(增2):360-365.
8
陈建生,高彬,厉焘,等.冲击试验在堤坝渗漏通道探测中的应用研究[J].岩石力学与工程学报201332(5):994-1000.
9
余志雄,薛桂玉,周洪波,等.大坝CT技术研究概况与进展[J].岩石力学与工程学报200423(8):1 394-1 397.
10
赵明阶,邹颖,张欣.含隐患土石堤坝的三维波场数值模拟及其特征分析[J].水利学报201647(5):599-607.
11
王昆,杨鹏,吕文生,等.无人机遥感在矿业领域应用现状及发展态势[J].工程科学学报202042(9):1 085-1 095.
12
李嘉雨,李欣,樊金,等.Ⅰ类轻型无人机在铁路地质勘察中的应用与展望[J].铁道勘察202046(4):28-31.
13
郑光,许强,刘秀伟,等.2019年7月23日贵州水城县鸡场镇滑坡-碎屑流特征与成因机理研究[J].工程地质学报202028(3):541-556.
14
王姝.多旋翼无人机航拍在饮用水源保护区环境勘查中的应用-以辽宁省大伙房水库为例[J].辽宁大学学报(哲学社会科学版)201644(5):57-62.
15
王美琪,杨建英,孙永康,等.废弃矿山植被覆盖度无人机遥感快速提取技术[J].中国水土保持科学202018(2):130-139.
16
徐陈勇,李云帆,王喜春.基于低空无人机的大坝渗漏安全检测技术研究[J].电子测量技术201841(9):84-86.
17
胡雄武,张平松,江晓益.并行电法在快速检测水坝渗漏通道中的应用[J].水利水电技术201243(11):51-54.
18
赵汉金,江晓益,韩君良,等.综合物探方法在土石坝渗漏联合诊断中的试验研究[J].地球物理学进展202136(3):1341-1348.
19
谭磊,江晓益,李红文,等.蛟坞水库大坝渗漏探测及定向处理技术及应用[J].水电能源科学201937(3):63-66. (上接第81页)
20
吴鹏飞,郭志伟,钱忠东,等.进水池表面涡数值模拟与试验[J].农业机械学报201849(2):120-125.
21
冯建刚,孟湘云,钱尚拓,分侧式闸站枢纽下游底坎整流特性 [J]. 水利水电科技进展201939(6):62-67.
22
严忠民,周春天,阎文立,等. 平原闸站枢纽布置与整流措施研究[J]. 河海大学学报(自然科学版)200028(2):50-53.
23
冯建刚,李志祥,钱尚拓 .泵闸工程闸下双底坎整流的水力特性[J].水利水电科技进展202040(1):25-31.
24
罗灿,钱均,刘超,等 .非对称式闸站结合式泵站前池导流墩整流模拟及试验验证[J].农业工程学报201531(7):100-108.
25
严忠民,周春天,阎立文.平原水闸泵站枢纽布置与整流措施研究[J].河海大学学报( 自然科学版)200028(2):50-53.
26
王法猛,傅宗甫,吕家才,等 .闸站合建枢纽对河口通航影响的模型试验[J].水利水电科技进展201232(5):29-31.
27
曾昊,陈毓陵,潭琳露,等.闸站枢纽闸下的底坎整流措施[J].江苏农业科学201442(5):347-349.
28
中交上海航道勘察设计院有限公司、上海市水利工程设计研究院有限公司.横沙东滩圈围(八期)工程初步设计[R].2016.
PDF(1537 KB)

访问

引用

详细情况

段落导航
相关文章

/