大坝及坝基渗流监测技术

大坝及坝基渗流监测技术

[摘要] 文中简要叙述了大坝及坝基渗流监测的传统监测方法，重点介绍了渗流监测中的热监测和CT监测新技术，并列举了这些新技术在工程中的应用，结果说明这些新技术为有效监测大坝及坝基的渗流提供了保证。

[关键词] 大坝坝基渗流监测 CT技术

一、概述

水库建成蓄水后，在上、下游水位作用下，坝体和坝基均会出现渗流现象。渗流对坝体和坝基稳定有重要影响。由于人们对客观规律认识的局限性，渗流计算和所考虑的防渗导渗措施往往不可能十分完善，在实际工程中，常发生超出设计预计的异常渗流现象，据国内外统计，由于渗流问题而失事的大坝，约占大坝总事故的40%左右。由此可见，对渗流问题必须予以高度重视，决不可掉以轻心。大坝在施工和建成后，为了确保大坝安全和水库蓄水效益，必须进行渗流监测，以确切掌握坝体及基础内部的渗流变化规律性，例如基础内各处的渗流强度、来源、流向及其变化；有无比较严重的集中渗流带；大坝蓄水后有无不利于基础安全的趋势性变化等，作为判断大坝稳定程度以及维修加固措施的重要依据。

二、传统的渗流监测方法

坝体渗流压力的测点应根据水库的重要性和规模大小、坝型、断面尺寸、坝基地质情况以及防渗、排水结构等进行布置。一般应选择最重要、最有代有性，而且能控制主要渗流情况以及预计有可能出现异常渗流的横断面，作为坝体渗流压力观测断面布置孔隙水压力计或测压管。例如选择最大坝高、老河床、合龙段以及地质情况复杂处，设计时进行稳定和应力计算的断面。

对于混凝土坝坝基渗流观测，通常沿着坝轴线方向选择一个纵断面和垂直于坝轴线方向选择若干个横断面布置测压管或孔隙水压力计。

对于土石坝通常也在坝基内埋没孔隙水压力计或测压管来进行观测。

孔隙水压力计的品种多样，目前在国内使用较多的是差动电阻式和振弦式等。

差动电阻式孔隙水压力计根据传感器内的两电阻之间的比值变化，计算测点处的渗流压力，其计算公式为：

T

?

=（1）

P?

-

f

b

Z

式中：P——测点处渗流压力；

f——仪器灵敏度；

b——温度修正系数；

△Z——观测电阻比相对基准值变化量；

△T——观测温度相对基准值变化量。

振弦式水压力计是利用钢弦自振频率的变化来反映测点处渗流压力的，其计算公式为：

+

=2（2）

P?

?

A

T

b

f

式中：△A——观测之钢弦频率相对于基准值的变化量，其余符号意义见式（1）。

根据观测值求得各测点处渗流压力后，可求得各测点处的渗压水头。

测压管由压力表、测绳、水位计等测得管内渗流水位。

坝体和坝基渗流量监测，对于单孔渗流量仍然普遍采用量杯和秒表，集中后的渗流量使用量水堰法和测速法。

三、渗流监测的新技术

上述的传统渗流监测方法无疑是非常重要的，也是最基本的方法，大多数工程均采用这些方法进行渗流观测。对渗流观测资料大多采用统计分析方法，以库水位或坝址降雨、气温和时效作为自变量，建立与渗流之间的关系，对坝体和坝基渗流状态作分析和预报。这些远不能满足工程的实际需要，原因其一，由于坝体材料和坝基岩石的不均匀性，所建立的统计回归方程有时不能较准确反映出坝体及坝基内在情况，为了掌握其变化规律和作出预报，还需做大量复杂的分析工作和寻找更多的第一手资料作为依据。其二，传统方法不能有效确定坝体或坝基内各处的渗流强度、来源及流向，工程一旦出现渗流异常需补做防渗措施时，给加固设计带来一定困难。因此，近年来，国内外发展了渗流监测新技术，如渗流热监测技术，渗流CT监测技术。

1、渗流热监测技术

（1）基本思路

对坝体或坝基渗流状态作分析时，过去常将温度这个物理量作为一个自变量来看待，但它本身实际上也是坝体和坝基内部渗流这个函数的因变量。其原理是由于库底水温较低，受外界气温影响小，年变幅小，在库水通过的地方其温度应不同于基础内其他部位的温度。由于坝体和坝基各处渗透系数不同则各处渗流速度也不同，渗流温度变化较之库水和地表集水的温度存在不同程度的差异。通过研究这些差异，帮助我们认识和了解各处渗流的实际情况。

实现渗流热监测技术并非困难，由于多数工程均设置了范围广泛的扬压力孔、排水孔、绕坝渗流孔、土坝浸浸线观测孔等，若能在观测孔内水位的同时

结合观测孔内水温、基础温度、库水温度和地表温度，就可对坝体和坝基的渗流状况进行更有效地分析。

渗流热监测作为一种行之有效地具有发展前途的渗漏探测方法，它是从勘探地下水所进行的地温研究得到启发而开始的。从1958年到1961年，美国Occidental 大学在室内做了大量试验，以测试是否可根据地温变化寻找矿藏和沙漠区中的地下水。为了验证试验结果的正确性，1961年10月31日对加利福尼亚洲的Johnson 流域（一小块沙漠区域）作全面的地温测试，获得了比较满意的结果，以后地温技术被广泛应用于其它许多不同的地质和气象环境部门，该技术于1965年由其发明者约西·伯曼（Joseph ·H ·Birman ）申请了专利并转让给加洲地热测量公司。

美国于1965年开始将渗流热监测技术用于大坝渗流监测，原苏联在这个领域相继开展了大量的研究工作，瑞典也进行了类似研究。我国于二十世纪八十年代中期开始利用温度监测资料分析大坝的渗流状况并取得了一定成效。

（2）工程实例

实例1 美国于1965年5月开始，在加利福尼亚洲南部的Seminole 土坝上进行一项为期三年的温度研究。该坝坝高8m ，坝长183m ，坝基为砾岩侵入砂岩。1965年初发现南坝肩与坝基结合面和坝肩基岩渗漏严重，漏水量很大且淹没整个下游护坦。为了查清该区域内的渗流情况，1965年5月开始，沿坝轴线间隔

6.7m 钻一孔，孔深2.3m ，在孔内放置温度计后回填，坝顶以下2.3m 处共布置30支温度计，下游护坦处也布置了温度计网，约一个月测量一次。除此之外，坝顶布置了7支渗压计以观测坝内渗压水位的变化。

通过3年观测，获得了以下成果：

①通过温度观测发现，温度计6月份测出的低温区正是南坝端下游坝面渗流量较大区，低温与大量渗漏存在密切联系，由此可以认为，温度分布图像可以寻找渗漏区域。

②通过对坝上7支渗压计处的钻孔进行抽、注水试验，南坝肩渗漏量观测，坝内渗压水位观测，对库水温和坝温进行研究，得出渗透性与坝温的关系式为：

142+-=LogP T

式中：T ——为坝面以下2.3m 处的温度；

P ——渗透系数。

通过研究，获得了渗流量与坝温之间的近似关系式：

C C T W 25/)5.19(-=

式中：W ——沿大坝单宽渗流量。

实例2 原苏联明盖恰乌尔冲填式土坝，该坝高80m ，为亚粘土——亚砂土心墙坝，在河床部位坝体与坝基接合处有一混凝土管道和引水廊道穿过坝体，该坝1953年投入运行。经过几年运行观测发现测压管水头有反常变化，认为心

墙下游面测压管内水位的异常升高，是由心墙上游部分透水区各段的渗流或沿混凝土建筑物的渗流增强所引起，为了揭示被观测过程的实质，评估建筑物的现行性态，验证上述假设，1980年开始在测压管、排水井和地面进水口处布置了MT-54型热敏电阻温度计，对坝内渗流水温进行观测。通过温度观测发现，其一，若坝内温度值自6月到10月前增加，1月前转而冷却，在此期间内温度值呈单调升高，这一变化规律对应于强透水性区段；其二，若温度值自6月到10月前减小，而后在1月前升高，在此期间内温度值呈单调减小，这一变化规律对应于弱透水区段。根据坝内温度变化规律确定了坝的强透水区域，并且证实了测压管水位反常并非在坝体与混凝土接合处产生集中渗漏通道，而是测压管老化失灵所致，这一结论为以后重新安装的测压管所证实。

综上所述，通过渗流热监测，确实能够确定坝体或坝基渗流区域，渗流来源以及渗流强度等。

2、渗流CT 监测技术

所谓CT （Computerized Tomography ）技术就是在不切开物体的情况下对其内部结构进行逐层剖析成像，达到了解物体的内部结构。常用的办法是用波穿透物体，让波带出关于物体内部的信息。波动现象分为电磁波和机械波两大系列，目前对大坝或坝基渗流多采用电磁波方法进行监测。

（1）基本原理

理论研究与试验证明，电磁波在物体或介质中的传播速度V 与介质的相对介电常数r ε有如下关系：

r C V ε/= （3）

式中：C ——真空中的电磁波传播速度，一般C=0.3m/s 。

介质的介电常数r ε不仅与介质本身性质有关，而且与介质中含水率n 有如下近似关系：

o wr mr r n n εφεεφε)()1(-+?+-= （4）

式中：mr ε——介质中相对介电常数；

wr ε——水的相对介电常数；

o ε——空气相对介电常数，o ε=1；

φ——介质的总孔隙度。

一般而言，对砼相对介电常数mr ε≈4～11，土料mr ε≈2.5～19，岩石坝基mr ε=5～12，而水wr ε=81。由式（4）可见，介质中含水率n 的较小变化会引起介质r ε值的较大变化，介质中含水率增加，r ε值增大，则电磁波在介质中的传播速度下降。

根据波动理论中波速V 、波长λ、频率f 三者的关系：

λ=V /f （5）

当电磁波频率一定时，随介质速度的增加，所接收到的反射波波长加大，波速增加意味着介质中含水率减小；反之，介质波速降低，介质中含水率增加，而反射波的波长变小。由此可见，电磁波对水的反映甚为敏感。

利用电磁波在物体中的传播规律，根据探测的目标体与周围介质的电性差异，可准确的确定大坝或坝基的渗漏部位、程度、状态与轮廓。

（2）工程实例

实例1 位于黑龙江省境内的幺别拉河中游的西沟水库，水库的大坝为渣油沥青砼心墙堆石坝，存在较严重的渗漏问题。为搞清楚渗漏的部位，长春科技大学与黑龙江水利勘测设计研究院联合采用地质雷达方法和自然电位相结合的方法，对西沟水库的大坝进行了探测，准确地搞清了大坝共有6处存在渗漏，为工程处理和安全评价提供依据。

实例2 河南省灵宝市某水库，建于60年代。该水库自建成以来，虽经多次治漏处理但效果不佳。主要原因是渗漏位置摸不清，治理方案不当。中南大学采用探地雷达进行了探测，主要工作在水面进行。探测数据非常清晰地显示了水库库底地形以及三套泥质细砂和砂卵砾石互层，结果表明，水库库底存在古河床的砂卵砾石层且有明显的断层特征，这是该水库渗漏的主要原因。

实例3 黄山民用机场跑道始建于1959年，跑道规模为600（长）×40m（宽），跑道道面为泥浆碎石。跑道后经多次扩建，最终使跑道规模成为2200m×50m，道面加铺砼层，可供波音737等大型飞机起降。黄山民用机场跑道的结构自上而下为：面层砼、石屑找平层、碎石嵌缝、石块基础或原道基础，总厚度为0.6m 左右，其下为土基。该机场跑道自最后一次扩建使用后，发现在每年4～6月的雨季，跑道靠道肩两侧5～10m地段，有积水沿砼块板缝上冒，且随降雨量的大小而变化。尤其是1997年遇特大洪水，跑道被淹。洪水退后，道面板缝冒水更加严重，水头高，水量大，时间长，已逐渐影响到飞机的正常飞行。

北京华能集团公司采用探地雷达，选用900MHZ和500MHZ无线，沿跑道道长10条砼板布测线10条，重点区段加密布置横测线。通过对探地雷达数据进行详细的处理与图像的综合判读，对水分的积存程度以及雷达波速、波谱进行了研究分析，并用体积模型估算了水的相对含量，将跑道基础层内的积水现状划分为未积水、积水和严重积水三种类型，摸清了道内积水的现状和位置，为治理道基积水提供可供使用的详尽资料。