基于电流刺激法的土石堤坝渗漏进口探测试验研究

基于电流刺激法的土石堤坝渗漏进口探测试验研究

邱古格,刘海峰,赵如阳

中国安能集团第三工程局成都分公司

摘要：堤坝渗漏与水库大坝病险隐患具有较大的相关关系，针对渗漏问题开展的相关研究涉及到堤坝渗漏进口及渗漏通道探测等。本文根据金沙江上游巴塘水电站上游围堰渗漏问题开展研究，采用电流刺激法进行渗漏入水口探测，结果表明电流刺激法适用于渗漏探测现场试验，而巴塘水电站上游围堰渗漏主要为河床绕渗。

关键字:土石坝;渗漏探测;电流刺激法

中图分类号:P631.4   文献标志码:A

Experimental study on leakage inlet detection of earth rock dam based on current stimulation method

Abstract: there is a great correlation between dam leakage and hidden danger of reservoir dam. The relevant research on leakage involves the detection of dam leakage inlet and leakage channel. In this paper, the leakage problem of the upstream cofferdam of Batang hydropower station in the upper reaches of Jinsha River is studied. The current stimulation method is used to detect the leakage inlet. The results show that the current stimulation method is suitable for the field test of leakage detection, and the leakage of the upstream cofferdam of Batang hydropower station is mainly around the riverbed.

Key words: earth rock dam; Leakage detection; Current stimulation method

1.引言

据统计，在我国现有的85000多座水库大坝中，有30%存在不同程度的病险隐患，这些病险隐患在不同程度上都与渗漏有关[1]。因此，研究解决堤坝渗漏问题的方法技术对堤坝安全具有十分重要的意义。而要想治理渗漏，首先则需要能够确定渗漏的区域和路径。近年来，渗漏探测多采用无损的物探技术，如高密度电法，瞬变电磁法，地质雷达法等。伪随机流场法是何继善院士提出的采用恒定电流场拟合渗漏水流场的渗漏入水口探查方法，该方法通过测量电流场的分布来确定水流场的分布，在对面板坝迎水面、防渗墙等的检测中，效果良好[2-5]。本试验基于伪随机流场法，研究电流刺激法采用恒定电压场进行水流场拟合，实现了测量面积大，水下构造复杂条件下的渗漏探测。

巴塘水电站位于四川省巴塘县，是金上十三级开发的第九级电站，上下游分别为拉哇电站和苏洼龙电站。巴塘电站坝址区段河谷相对较窄，现代主河床位于右侧，两岸山体左低右高，右岸岸坡小冲沟较发育，地形总体完整性较差；左岸山体三面临空，坡面相对完整，横河断面呈左缓右陡的不对称“V”字形。上游围堰位于坝轴线上游200m处，沿围堰轴线，左岸基岩岩性为黑云母石英片岩，强、弱风化水平深度分别为50m和120m左右，卸荷带水平深度70m 左右，浅表部岩体倾倒堆积，结构呈碎裂-散体状，围堰地基为25-35m土质混合地基，结构松散，透水性强；河床段覆盖层厚25m-55.5m，物质组成以砂卵砾石为主，局部夹砂层透镜体，结构中密～密实，属强～极强透水性；右岸基岩下盘为黑云母石英片岩，上盘为角闪岩，岩体强、弱风化深度分别为80m和130m左右，卸荷带水平深度70m 左右；左、右岸边坡覆盖厚度为25m的崩坡积碎石土，挡水建筑物采用沥青混凝土心墙堆石坝。上游围堰现存在明显渗漏安全隐患，造成基坑施工不利。因此，采用电流刺激法对上游围堰渗漏入水口进行探测，对后续解决上游围堰渗漏问题至关重要。

2.现场探测试验

该方法在下游渗漏出口处放置放电电极，并在上游迎水面测量基于下游放电点的上游电压，由于电流方程与水流方程的相似性，可以通过电压的分布值，并结合定位系统检测出渗漏入口位置。

2.1探测装置

图2.1为水下探测装置构造图，该装置由缆绳，测线，浮筒以及探测电极4个部分组成。由于不确定上游河底构造，因此数据传输采用柔性20芯电缆，并将头部电线拧成圆形探测头，避免在拖动过程中探头被卡住；针对不同河底深度，以泡沫浮筒为主体留有多圈电缆，根据需求可以调整探测头入水深度，保证探测头触及不同深度和构造的河底。探测过程中，通过缆绳来回拉动浮筒，实现各个断面数据的采集。

图2.1 探测浮筒构造示意图

在上游围堰背水面寻找到具有代表性且渗漏量较大的3个渗漏点作为典型渗漏出口布设放电电极，并设置安全警示牌，如图2.2所示。放电电极选用导电效果良好的铜质电极并完全插入土中。无穷远极布设于上游距围堰700m处河底，提供相对零势点。

（a）

（b）                             （c）

图2.2 （a）典型渗漏出口布置示意图（b）电极布置图（c）警示牌布置图

图2.3为仪器主机示意图，用于控制放电方式以及放电时间，并对测量数据进行收集。数据传输电线由缆绳牵引至主机附近，并通过转换口连接在M极。放电电极则通过地下埋线的方式从下游出水口牵引到上游主机位置，同理无穷远极通过上游边坡牵引至主机位置。

图2.3 仪器主机示意图

2.2试验设计

通过现场勘查，拟定上游左右两岸各设置46个测线控制点，用红色喷漆标记后使用RTK进行控制点标定，共布设46个探测剖面，探测范围为水位2503.525m的上游马道漏出处向上游推进112.5m左右，如图2.4所示。其中红色框线为两岸测线布置区域，蓝色框线为实际测量区域，红色细线为每条测线布置区域，测线间隔为2.5m，共计46条测线，共计获得2854个电势数据，探测面积约为19039m2。

图2.4 探测区域及测线分布

2.3现场试验

仪器组装连接完成后，启动仪器并通过电池箱进行放电，待仪器读数趋于稳定后，采取人工匀速手拉缆绳的方式进行每一条测线的探测，并记录时间T以及测点总数N。在每一条测线测量结束后，使用万用表读取电池所剩电压，并及时更换低电量电池，防止电压过低对放电效果产生影响。现场测量后对收集到的数据进行进一步处理，通过测量时间T以及测量点数N以及两点之间的间距即可推算出每一个探测数据的坐标。并绘制与坐标相关的电信号云图。

3.试验结果分析

各点探测结果云图如下图2.5所示。通过一二号点探测结果可知，最大值41000mv， 最小值37000mv，整体差距不大，且都在离围堰95-100m处存在较高电压，因此可以判断河床区域比围堰区域具有跟基坑较好的连通性即大部分的基坑渗流组成为河床的绕渗。其电压分布较为均匀，可以判断出其大致属于河床均匀的绕渗。一二号点探测结果十分相似，这意味着一二号渗漏点具有相同或相似的水源来源，从现场分析来看，一二号点均位于左岸，且彼此相距较远，因此可以认为是水流绕渗，在左岸进行大区域的面渗漏。

三号点位于围堰的右岸，其探测结果与一二号点相比有较大的不同，图中绘制了一条红线表示上游围堰的堰脚线所在，可以看到，只有在堰脚线内右侧区域存在一个高电压值的点位，在现场对该点位进行了复核，发现该区域存在冒泡情况。然而，对比三图可以发现，三号点的探测最大值为41000mv，而一二号点探测的最大值为47000mv，且电压分布图具有很大的不同。因此可以判定，围堰左、右岸来水方式具有一定的区别，且左岸的连通性要大于右岸的连通性。

综合一二三测点结果图可知，整体区域的探测电压比较相近，并无明显的差距。因此可以认为上游围堰整体渗漏处于均匀入渗状态。

（a）                                      （b）

（c）

图2.5（a）一号点探测电压分布图（b）二号点探测电压分布图（c）三号点探测电压分布图

图2.6为以上游围堰马道出水处为原点，绘制的断面平均电压折线图，其中虚线为堰脚线所在位置，体现了断面平均电压与围堰距离相关关系，可以定量的看出三个探测点之间的区别。图中高电压代表高连通性，低电压代表低连通性。从图中可以看出，围堰部分的连通性没有河床高，但是围堰处依旧存在几处疑似渗漏位置，导致在围堰上部的连通性高于下部。同时1、2号点同为左岸，具有相似的变化规律，3号点代表右岸，证明了右岸的连通性低于左岸。

图2.6 断面均值计算结果

4.结论

1）一二号点代表的是围堰左岸的连通特性，三号点代表的是右岸的连通特性。由分析可知，一二号点的连通性十分相似且一号点略高于二号点，因此围堰左岸连通性相似，且一号点的渗漏路径更短。

2）右岸的连通性与左岸有明显的不同，右岸的连通性低于左岸。

3）从整体上看，没有明显渗透通道存在的痕迹，渗漏水流的主要来源为河床绕渗。从水平垂直于围堰方向看，整体连通性沿着水流方向变化较少，说明在河床绕渗方面属于覆盖层的整体绕渗。

4）从整体上看暂时无法确定是否存在明显的集中渗漏区域，需要等待进一步的精细探测。

参考文献

[1]范敏.根据历史数据分析土石坝的事故概率[J].水利水电快报,2003,24（18）:5-7,18.

[2]董延朋,徐方全,万海,等.“伪随机流场法”在堤坝渗漏隐患探测中的应用[J].地质装备,2006,7(5):19-21.

[3]祁增云,吴克凡,尚景红,等.伪随机流场法在渗漏入水口探测中的运用[J].勘察科学技术,2018(1):54-60.

[4]孙红亮,胡青龙,舒连刚,等.伪随机流场法在堤坝渗漏探测中的应用与研究[J].水利水电技术,2017,48(9):199-207.

[5]舒连刚.伪随机流场法在水库基础防渗系统处理渗漏检测中的应用[J].广西水利水电,2017(3):1-7.