电磁及温度场技术在病险水库大坝渗漏探测中的应用（蓝树猛,张毅,王志勇,毋光荣）

［摘 要］ 为了有效治理渗漏破坏中的堆石坝，必须确定渗漏发生的确切位置和集中渗漏通道的大小及强度。本文论述了渗流和渗漏情况下堤坝电磁、温度场特征及其探测的基本原理, 结合实际问题进行合理探测和推断解释，并对探测成果和实际结果进行了对比揭示：对于堆石坝坝体渗漏运用电磁、温度场法进行探测能取得较好的效果。

［关键词］ 电磁场 温度场 渗漏 堆石坝 探测

我国现有8万多座水库，数量居世界之首,其中大型水库400多座，中型水库2 800多座，小型水库8万多座。按《水库大坝安全鉴定办法》的评判标准,全国水利系统管理的水库中，共有病险水库30 413座,占水库总数的36.3%。

据调查分析，由于种种原因，我国病险水库的病险问题多种多样，有些问题的处理难度较大，综合来看，主要为以下几个方面。

(1) 水库防洪标准低。

(2) 抗震标准低。

(3) 大坝稳定性差。

(4) 坝体、坝基渗漏严重。

(5) 输、放水及泄洪建筑物老化、破坏较为普遍。

(6) 金属结构和机电设备不能正常运转。

(7) 管理设施、观测设备等不完善。

病险水库的几个特征中最难探测的是水库漏水、大坝的稳定性等问题，水库漏水会影响整个水库周围人民生命财产安全，因此对病险水库的漏水问题进行查漏是治理病险水库的基本前提。病险水库漏水主要有以下几个方面造成的：①白蚁等形成的洞穴。这种情况一般会出现渗漏集中的通道。②坝身遭到结构性的破坏。如由于土遭渗流破坏或土的强度没达到设计值,在洪水到来时被冲垮,而后重建时新老土层咬合不好而在界面处出现集中渗漏带。③两侧坝肩与围岩接触部位结合不够紧密。这种情况在山区水库大坝和河流的拦河坝中出现较多，容易出现散浸，有时也形成集中渗水通道。④坝体与其下面的基岩接触部位出现渗漏，这在混凝土坝中较常见，有两个原因:一是由于温度应力引起混凝土开裂，二是早期施工时接触面没处理好，这种情况可能出现多处集中渗水通道。⑤坝体基础不好，很多堤坝的基础为砂卵石层，这样容易出现散浸，长期以往，由于细砂容易被水带走，也会在一定部位出现较集中的渗水通道。

针对病险水库大坝渗漏形成的机理，如果能够寻找一种有效的的技术手段对渗漏位置进行准确的探测，那么对我国的水库建设与管理将具有重大意义。

1 病险水库大坝渗漏探测技术回顾

随着地球探测技术的发展，越来越多的新技术开始应用于病险水库大坝渗漏探测中来。目前国内探测病险水库大坝渗漏的方法技术很多,如电法、磁法、瞬变电磁法、同位素示踪探测、温度示踪探测、流场法等。湖南水文水资源勘测局曾经对江垭水库坝基渗水进行自然电场法进行了实验，取得了一定的效果。黄河勘测规划设计有限公司工程物探研究院于2007年1月对南水北调中线一期穿黄工程北岸竖井渗漏问题进行查漏试验，运用的方法主要是自然电场法、充电法，取得了较好的效果。中南工业大学曾采用CSAMT法、TEM法等地球物理方法在水库大坝选址和大坝渗漏及导水裂隙探测等方面做了大量的工作，曾多次进行过水库大坝隐蔽漏点的探测工作，并在多次堤坝隐患探测中取得成功，取得了一定的效果。美国J.斯瓦斯古德等人在美国弗水库大坝查漏中采用了AquaTrack磁法新技术，取得了较好的效果。另外，广东省水利厅也在长江下游北江大堤的左岸用同位素示踪查找渗漏通道，取得了一定的效果。中南大学何济善院士研究的流场法在病险水库大坝渗漏探测中也取得了较好的效果。黄委会基本建设工程质量检测中心引进了流场法的技术及相应设备，并在东平湖水库和小浪底水库进行试验，效果明显。

2 电磁及温度场探测技术原理及探测关键技术分析

2.1 电磁场法

2.1.1 瞬变电磁探测原理

利用不接地回线向地下发送脉冲电磁波，测量由该脉冲电磁场感应的地下涡流而产生的二次电磁场，探测地下介质特性的一种电法勘探方法。

2.1.2 EH4电磁法探测原理

地面电磁波发送到地下，电磁波在岩土中的传播遵循Maxwell方程。如果假设大多数地下岩土为无磁性物质，并且宏观上均匀导电，不存在电荷积累，那么Maxwell方程就可简化为：

▽2H+K2H=0 （1）

▽2E+K2E=0 （2）

（1）式和（2）式称为亥姆霍兹方程。

称作复波数或传播系数。这时可将K写成K=α+iβ。α称为相位系数，β称为吸收系数。在EH4测量的电磁波频率范围内（0.1Hz～100KHz），通常可以忽略位移电流，这时K进一步简化为：

由亥姆霍兹方程变化的磁场感生出变化的电场，我们有磁电关系：

表面阻抗Z定义为地表电场和磁场水平分量的比值。在均匀大地的情况下，此阻抗与入射场的极化无关，和地电阻率以及电磁场的频率有关：

式中f是频率，ρ是电阻率，μ是磁导率。上式可用于确定大地的电阻率：

对于水平分层大地，此表达式不再适用，但用它计算得到的电阻率将随频率改变而变化，因为大地的穿透深度或趋肤深度与频率有关。

式中δ的单位是m。此时由（7）式计算得到的电阻率称视电阻率。在一个宽频带上测量E和H，并由此计算出视电阻率和相位。

EH4又称Stratagem，可控源变频大地电磁测量，仪器用普通汽车电瓶供电，发射频率从500Hz到100kHz，反馈式高灵敏度低噪音磁棒和特制的电极，分别接收X、Y两个方向的磁场和电场。由18位高分辨率多通道全功能数据采集、处理一体机完成所有的数据合成。仪器数字采集60ms一次，分14次。每60ms又分为三段，20ms一帧作一次付氏变换。在野外实时获得的Hy、Ex、Hx、Ey振幅，ΦHy、ΦEx、ΦHx、ΦEy相位，通过式2-7，式2-8求得不同频率下不同深度的电阻率，并进行一维反演和二维电阻率反演成像。

2.2 温度场法

温度场法又称热源法，热源是造成地层中温度分布的原因，而根据导热微分方程和定解条件，可以确定地层中的相应温度分布。反之，对于地层中一定的温度分布，也必定有与之相对应的热源。

堤坝在没有集中渗漏的状态下，孔隙水只发生渗流，流动速度缓慢而稳定，土水间有充足的时间和充分的接触空间进行热交换。而其温度和土体（土体受地温影响）一致，此时形成的温度场称为背景温度场，所以渗流补给源水温往往和背景场中的水温有着截然不同的温度。当有渗漏发生时，渗漏通道中的水流速度很快，远大于背景渗流场中水的渗流速度，渗漏水和土体间热量来不及充分交换，仅仅在通道边缘与周围土体进行部分热量交换，然后热量交换依次向周围推进。背景温度场就会在通道和周围改变很大，越远离渗漏通道温度改变越小。以上这就是温度场探测的基本原理。

2.3 探测关键技术分析

电磁场法探测病险水库大坝渗漏时，应首先了解坝的类型、成坝机理及渗漏出水点位置，然后选择最佳测线布置方案，尽可能将测线布置在能够探测各个方位渗漏可能的位置上。温度场探测时，应按照先定性后定量的原则，在大坝渗漏区域内先粗略的选择几个钻孔进行温度场测试，分析确定渗漏的可能区域，然后再渗漏区域内再按照要求详细的进行温度场测试。

3 工程实例分析

3.1 工程基本情况及测线布置

某水库大坝采用土石坝，坝长约2 600m，坝顶高程139.0m，最大坝高21.0m。坝上游设截渗墙与土工布相连进行防渗。该水库建成后从2007年6月初开始蓄水，随着库水位逐步上升，近坝区地下水位也随之逐步上升。2007年10月初，蓄水位从131m上升到133.2m左右。随着地下水位的上升，大坝左岸坝体背面桩号D0+157m、D0+159m、D0+200m处，在126.7m高程出现明显的渗水点。为了查明渗水通道的位置，分析渗漏产生的原因，在现场开展了瞬变电磁法和部分自然电位法及EH4电磁法测试工作，并在大坝坝轴线上进行了温度场测试，测线布置见图1。

3.2 探测成果及分析

A-A’测线：该测线位于坝前迎水面的斜坡上，由电阻率拟断面图可以看出，在高程127m以下，整个坝体出现低阻异常。电阻率等值线断面图见图2。

B-B’测线：该测线位于坝顶上，由电阻率拟断面图可以看出，在高程126～127m之间，存在一低阻异常带，推断为含水砂壤土。在桩号D0+070m、D0+085m、D0+096m、D0+107m、D0+120m、D0+130m、D0+150～160m之间，电阻率较低。电阻率等值线断面图见图3。

B-B’测线上桩号D0-005～D0+215之间进行EH4大地电磁法测试，成果图见图4。

由图可以看出在桩号D0+40～D0+100处，电阻率低阻界限在126m高程，在桩号D0+100～D0+120之间，电阻率低阻界限高程在128m左右，推断在桩号D0+110附近水位最高。

C-C’测线：该测线位于坝后斜坡上，由电阻率拟断面图可以看出，在高程125～127m之间，存在一低阻异常带。在水平桩号D0+130～D0+140m之间有一明显异常，电阻率稍高，分析可能为渗水点的渗漏通道。电阻率等值线断面图见图5。

温度场探测成果见图6。由图可以看出，在ZZ6号钻孔位置前后出现温度异常，根据以前的理论分析推断，在ZZ6号钻孔前存在着较大的渗漏通道，其桩号位置D0+110号附近。

3.3 探测结论

综合以上探测成果，该坝渗漏主要集中在桩号D0+100～D0+110之间，渗漏类型为库区水通过防渗墙底部，绕过防渗墙向上及周围渗漏，推断结论基本上与后来开挖后实际情况相符。

4 结束语

运用电磁技术探测病险水库坝体渗漏时具有速度快，效率高的特点，另外结合温度场等示踪技术可以准确的探测渗漏通道位置及渗漏类型。在运用电磁技术时，注意对异常位置的判断、分析结合地质特点才能有效的分析正确的结论。电磁及温度场探测技术能够探测堆石坝的渗漏通道及其他隐患，能够为病险水库的除险加固提供必要的基础资料，因此具有广阔的应用前景和价值。