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1、WORD.水电站水库大坝堤防渗漏检测技术应用房纯纲成林 贾永梅 邓中俊（中国水利水电科学研究院,中水科技，100038）摘要1998年8月大洪水后，国外对于堤防渗漏隐患探测技术与仪器的研究与开发普遍重视。由于堤防和土坝结构与其渗漏隐患复杂多变，决定了堤防渗漏隐患探测技术的困难很大和对探测仪器标准要求很高。本文在介绍我国堤坝构造特点后，分析了堤坝渗漏隐患种类与特点、堤坝出险形式和可用于隐患探测的堤坝的物理参数。在此基础上，提出了对探测仪器的要求。根据使用环境的不同特点和对仪器的特殊要求，作者将国外已经实际应用的堤坝渗漏隐患探测仪器，分为枯水期堤坝隐患（缺陷）探测仪器和洪水期堤防渗漏探测仪器两类分
2、别进行介绍。本文还介绍了现场检测堤防、心墙、混凝土防渗墙的隐患和基础裂缝的实例。最后，对堤坝隐患探测技术应用与发展的有关问题进行探讨。关键词堤坝 渗漏 隐患 探测 技术 仪器1概述1我国大江大河大湖的堤防多数建在冲积平原上，地层一般为二元结构，表面覆盖层较薄，下层为较厚的饱和粉细砂与砂砾石层，堤基极易产生渗漏，严重时出现管涌险情。此外，堤防经历次填筑而成，填土不匀，堤身不密实且存在生物洞穴与其他隐患，每到汛期遇高洪水位，堤脚堤身容易产生管涌、散浸等渗漏险情。与时探明险情，确定渗漏位置，解决人工“拉网式”查管涌的落后方法，对于堤防的除险加固将起到十分重要的作用。洪水退后，加固沿江堤防，防止以后洪
3、水再度肆掠，是全国和沿江地区的重要任务。在除险加固以前，首先应查明险工险段。一些水毁工程，经由人工查看可以发现；而大量隐藏在堤身和堤基的隐患，人工巡查不可能发现，只有采用专门研制的仪器设备，精心探测才能发现。查明隐患的位置，有针对性地对重点堤段采取加固除险措施，保证将有限的人力、物力和财力用在最需要的地方，对于提高防洪减灾效果，保证安全度汛是十分重要的。我国有大坝86000多座，其部分是上世纪5060年代修建的中小型土坝。由于当时施工条件的限制和建成时间久远，这些大坝病险严重，许多成为三类坝。从2007年开始，三年时间，国家投入巨资，对6240座病险坝进行除险加固，消除病害，保证大坝安全运行。
4、对于病险坝部存在的裂缝、松散区、不均匀区、渗漏通道等各种隐患，只有采用专用仪器设备才能探测清楚。为除险加固工程设计提供可靠依据。 然而，总的来说，目前国外尚无探测堤防和大坝渗漏隐患的成熟技术和行之有效的仪器1。近年来，特别是在1998年洪水后，国有关部门与一些单位对于堤防隐患探测技术给予高度重视，积极开展了有关技术研究与专用仪器研制，计有：瞬变电磁法、频率域电磁法4、高密度电法、探地雷达、表面波法、浅层反射地震法、放射性同位素法等。这些方法在许多大坝和长江、黄河、北江、永定河和洞庭湖、鄱阳湖等堤防上均有一些成功应用的例子。 本文以堤防隐患探测为例进行介绍，其中许多容也适用于大坝。2 我国堤防构
5、造的特点我国堤防长度很长，总长度达26万km，仅长江干堤长度已达3600km。这样长的堤防，无论在洪水期防洪抢险、枯水期除险加固方面，还是渗漏和隐患探测方面，均存在相当大的困难，在世界上也是十分罕见的。我国堤防修筑年代久远，有的堤防从宋代起已经开始修筑，至今已有800多年历史。堤身经历次填筑，土料就地取材，填土不匀，结构复杂，常有树根、秫秸等物埋入堤，天长地久，腐烂成隐患。此外，我国堤防绝大多数由人工填筑，有的经人工夯实，有的甚至未经夯实，堤身密实度低，普遍存在缺陷，病害种类繁多。堤防修筑前未作基础处理，基础薄弱。堤防基础一般为二元结构，即上层为几米到十几米厚不透水的覆盖层；下层为十几米到几十
6、米厚透水的沙砾石层和细沙层。堤防建在覆盖层上，二者成为一体，像是一座挡水墙浮在透水的沙砾石上。3 堤防隐患（缺陷）分类由于堤防修筑质量差、堤身高度不够、经多年水力冲刷带走细颗粒土、基础塌陷造成不均匀沉降和生物侵害等原因，造成堤防存在多种缺陷，或称为隐患。有的隐患存在于堤身，也有的存在于覆盖层和浅层基础。当这些隐患发展严重时，遇高洪水位，堤防发生渗漏。通俗地讲，归纳起来，堤防的隐患有3类：（1）洞：蚁穴、鼠洞、烂树根、塌陷产生的空洞以与浅层基础细颗粒土被冲走形成的孔洞等；（2）缝：纵缝、横缝、斜缝、隐蔽缝、开口缝等；（3）松：密实度低（孔隙率大）或填料为沙土等。4 堤防出险的表现形式 由于不同堤
7、段存在的隐患类型不同，高洪水位时，堤防出险有多种表现形式。在此，本文列举常见的几种形式：（1）漫顶：当洪水位高于堤顶时，发生漫顶。为防止漫顶发生，修筑子堤挡水；（2）管涌：常发生在堤脚和基础处，由于水流冲刷带走细颗粒土，留下砾石形成渗漏通道，或在堤挖鱼塘、种水稻等破坏了覆盖层，使地下高压水上冒，形成管涌。管涌较少发生在堤身处，有时生物洞穴造成堤身管涌。（3）散浸：由于堤身为沙土，密实度小，渗透系数大，高洪水位时，堤身浸润线抬高，水由堤坡渗出，形成散浸。（4）滑坡：有基础的原因，也有堤身的原因。基础的细颗粒土被水冲走或黏土基础经水长期浸泡，强度减弱，承受不住堤身压力，产生滑坡。堤身存在裂缝或经水
8、长期浸泡，摩擦力降低，也可能出现滑坡。（5）崩岸：形成崩岸的原因复杂，因出险堤段不同而异，目前对崩岸原因有不同解释。洪水期，出现水下顶冲崩岸，有可能掏空堤基，十分危险。近年来，洪水退后，出现多处严重崩岸，河滩后退，严重威胁堤防安全。（6）裂缝：基础不均匀沉降、滑坡等原因使堤身产生裂缝。（7）塌陷：由于堤身存在大蚁穴等缺陷或基础沉降形成塌陷。5 堤防隐患的特点为了有效地探测堤身和堤基部缺陷，首先应该了解堤防隐患的特点。这样，才能有的放矢地研究探测方法，研制开发有效的探测仪器。堤防隐患的特点归纳如下：（1）我国堤防长，隐患分布围广，深浅不知，位置不定，在堤防表面难以发现。（2）隐患种类多。堤身可能
9、存在第3节所列多种形式缺陷。基础细颗粒土被冲走，形成渗漏通道；黏土基础经水长期浸泡强度降低。（3）与堤身的体积大小和埋深比较，缺陷的体积小，增加探测难度。（4）缺陷种类和性质未知。（5）缺陷部位的物理特性与周围的正常部位相差无几。（6）缺陷部位的某些物理参数值小于周围正常土体的物理参数值（如：电导率等），周围正常土体的物理特性掩盖了异常体，探测时，形成放射医学上称谓的“阴性扫描”。与异常部位特征强的“阳性扫描”或勘探对象性质与围岩不同的物探比较，堤防隐患探测的困难大很多。6 堤防隐患探测的特点上节所述堤防隐患的特点决定了探测工作的困难程度，对探测技术和探测仪器提出很高要求：（1）灵敏度高，能探
10、测到微弱信号。（2）分辨率高，能探测出体积小、埋深大的目标。（3）速度快。由于堤防很长且体积大，往往一段堤防需要探测几个剖面，隐患普查的工作量很大，探测速度快是很重要的指标。（4）重量轻，便于移动。（5）操作简便，一般技术人员经短期培训能独立操作。（6）探测结果出图快，图像容易识别。现有的堤防和大坝隐患探测仪器，大多借用物探仪器，不能满足堤防隐患探测需要。为了解决这一国家急需的技术难题，针对各种形式堤防渗漏和隐患的特点，很有必要研制新的专用仪器。7可用于隐患探测的堤防物理参数7.1 可利用的物理参数 在研究堤防隐患探测技术和研制探测仪器以前，首先应当研究考查由于存在缺陷，堤防的哪些物理量发生变
11、化，并可利用这些变化了的物理量探测出隐患之所在。（1）电和电磁：堤防存在缺陷和发生渗漏时，筑堤材料和/或基础的电导率（电阻率）发生较明显变化，采用电法和电磁法可探测出电导率异常。（2）声：堤防发生渗漏时，水流声和水与土体摩擦声，可用声发射法检测渗漏通道定位。（3）光：指可见光形成的图像和人工探查。（4）热：由于河水温度低于堤身、堤坡和堤地面的温度，发生渗漏时，这些部位的温度低于正常部位的温度，采用直接测温和红外线成像技术可与时发现渗漏部位。（5）振动波：堤防存在缺陷或发生渗漏时，其弹性模量和密实度等参数发生变化，弹性波在病变部位传播时，波速、波形发生改变。表面波和浅层反射地震波均可利用。（6）
12、水流：堤防存在渗漏通道时，利用放射性同位素示踪剂查找渗漏路径和渗漏入口，或者通过测量流场变化，探测渗漏入口。（7）磁：堤防存在孔洞缺陷时，局域磁力发生改变，利用磁力仪可测量这种变化。（8）重力：堤防存在较大缺陷时，密度减小，利用微重力仪可发现缺陷部位。最后两项是国外专家提出的方法，国尚未开展这方面工作。7.2 电法/电磁法的特点在大多数情况下，当堤防存在隐患和发生渗漏时，在诸多可利用于隐患和渗漏探测的物理参数中，其电导率（电阻率）变化最明显，且易于探测。这是目前广泛采用高密度电法和瞬变电磁法探测堤防隐患和渗漏的原因。已经被利用的电磁波频率围与其对应的探测方法如下：频率直流102Hz 103Hz
13、 104Hz107Hz 108Hz探测方法高密度电法瞬变（时间域）电磁法频率域电磁法探地雷达7.3 影响堤防填料电导率的因素5 影响堤身填料和堤基电导率变化的因素十分复杂。将其分类，可归纳为土的因素和水的因素。（1）土的因素包括：土质：土的组成成分，所含各种成分的比例，各种成分的电导率；各种成分填料的颗粒级配；填料的密度（孔隙率）。（2）水的因素包括：水质：水所含各种化学物质与其比例决定了水的电导率；含水量：堤身和浅覆盖层的含水量会发生变化，一般情况下，深覆盖层和层基础含饱和水；水的矿化度：水中化学物质与土所含物质进行化学反应和电化学反应以与土中部分物质溶解于水，都会引起水的矿化度改变，从而，
14、使电导率发生变化。 上述6种因素中的任意1种发生变化，都会影响堤防的电导率。反过来说，当探测到堤防的某处存在电导率异常，可能是上述6种因素中的任意1种或多种发生变化引起的，因而，难以断定确切的原因。这就是物探结果存在多解性的原因。为解决这一理论上存在的难题，物探界常采用联合物探的方法，即采用几种物探方法进行比测，以提高探测结果解释的准确度。在进行探测结果解释时，了解探测现场情况和专家的经验也是十分重要的。8探测仪器 依据工况和使用环境条件的不同，笔者将探测仪器分为两类：堤防隐患探测仪器和堤防渗漏险情探测仪器。前者主要用于枯水期堤防隐患探测，为堤防除险加固工程提供依据，此类仪器有的也可用于洪水期
15、渗漏通道探测、定位；后者主要用于洪水期堤防渗漏定位探测和险情探查，这类仪器只有在堤防有水条件下才能发挥作用。这些无损探测仪器大多数属于物探仪器。现将国外已经用于堤防渗漏隐患探测的仪器和有关的成熟技术简介如下：8.1 枯水期堤防缺陷、隐患探测仪器：（1）瞬变电磁法（TEM）堤防渗漏探测仪2、3 瞬变电磁法又称为时间域电磁法，在一个测站，利用不同时间探测不同深度地层的电导率，当某处电导率出现异常值，则认为该处存在缺陷。该仪器由发射机、发射线圈、接收线圈、接收机和微机信号采集处理系统组成，没有插入地下的部件，可由人工在堤顶迅速移动，也可安装在车上，进行普查。瞬变电磁法属于无损探测，具有高分辨率、高灵
16、敏度、操作简便和探测速度快等优点。国有的仪器在一个测站工作时间小于30s。沿堤轴的横向位置分辨率为15m（可任意设置测站间距），深向分辨率为24m。Palacky7等人在加拿大 Burkina Faso地区进行过瞬变电磁法与甚低频电磁法（VLFEM）和直流电阻率法探测地下水对比试验，试验结果表明：在探测速度、经费和准确度等指标方面，瞬变电磁法优于进行对比的其它方法。瞬变电磁法仪器既可用于枯水期隐患探测，也可用于洪水期管涌通道定位探测。（2）高密度电法堤防渗漏探测仪 由传统地电测量方法发展而来。通过插入地下的AB两个供电电极向地下供直流电，在地下一定围，形成一个电场。在AB两个供电电极之间，插入若干测量电极。通过检测测量电极之间的电压
