江晓益，谭 磊，俞炯奇
（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院），浙江 杭州 310017；
2.浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 310020）
大坝的渗流安全监测一般选择大坝横断面布置测压管或渗压计进行渗流压力观测。该监测方法是一贯做法，极具代表性。但该方法不能有效确定坝体或坝基内各处的渗流强度，经常存在大坝下游出现过大渗漏而渗流压力仍正常的现象。水库大坝渗漏与坝体损伤密切相关，大坝内部持续不断的渗漏极易形成渗漏通道，从而对大坝渗透稳定产生威胁，量变与质变不断累积可能诱发水库溃坝安全事故。当前，水库大坝隐患探测主要集中于对已暴露病害的单次诊断，但在工程实践中受隐患体规模、埋深、组合关系以及相互之间的物性差异等条件制约，单次物探成果实现精准诊断难度相当高。因此，为提高渗漏隐患诊断的可靠性及治未病的时效性，改变传统事后被动应急方式，向事前预判、事中防控方式转变，长期全过程监测隐患部位的孕育、发展、恶化等是保障水库安全运行的重要手段。近年来，随着信息化技术发展，时移电法在工程领域应用越来越受到重视，特别是在滑坡、垃圾填埋场渗滤液监测以及堤防工程的渗漏隐患探测方面应用较为普遍[1-3]。因水库大坝相对堤防工程结构较为复杂，特别是两坝肩存在高阻体，时移电法应用相对较少。
土石坝在库水位动静水压力的作用下，水体在大坝坝体内部形成自由水位面，但不同部位受填筑材料、填筑质量以及接触耦合的影响，大坝内部的正常渗流性态有可能劣化成异常渗流问题，导致大坝或坝基出现散浸、流土、管涌及集中渗漏现象，具体表现为隐患区域与周围介质之间出现明显的地电场差异，为电法动态监测提供地球物理基础。大坝渗透过程中，当坝体或坝基局部出现隐患时，沿渗漏通道一定体积范围内岩土体电阻率不断减小，电阻率结果剖面中表现为低阻区范围的增大和低阻区电阻率值的减小。
时移电法监测系统面向“远程采集、云端存储、时变处理、动态预警”的数字水库建设需求，通过现场定时、激励条件以及自定义模式采集并行电法数据，利用移动通讯技术实时把数据信息远程传输到云端，并通过专业软件自动处理成时变数据进行可视化展示，结合水雨情、地质、运维、加固以及监测资料，同时与传统的渗流监测断面成果进行互相比证，可实现对大坝渗流场的全覆盖全天候观测，为大坝的渗透变形分析、安全评价、数字水库建设及灾害预警提供技术支撑[4]。
时移电法监测系统采用分布式并行智能电极电位差信号采集方法[5]，解决了阵列电法的并行采集方式问题，并研发远程操控、实时监测功能，能够同时完成电阻率仪、激电仪、自然电场仪等多种仪器勘探，提高了噪声比和电阻率采集的时间分辨率，实现四维电法勘探功能。并行采集技术是目前世界上采集速度最快、采集参数最多的电法数据采集方法，可以在几分钟内完成人工场的电法数据采集，捕捉到瞬间的地电场变化。大坝时移电法监测系统示意图见图1。
图1 大坝时移电法监测系统示意图
海量的地电场信息为水库大坝灾害识别提供了数据基础，但在实际探测时，技术专家主要关注特殊时期、特殊场景以及特殊数据体的动态变化特征，基于多种触发条件相互作用下的自动采集模式是实现科学采集的关键，一定程度上将提高数据利用率。
监测系统数据传输方法采用基于物联网技术的远程控制技术。监测系统硬件由模块集成的数据采集机箱及大线传感器组成，现场安装方便，只需将线缆埋入坝体表面并连接采集机箱即可，数据可采用4G/5G和光纤等多种模式进行传输，只需对设备进行供电即可。
监测系统将采集到的数据通过网络上传云端，在云端进行自动处理，处理方式包括自然电位的数据对比，视电阻率自动成图、差值和比值处理及视极化率的自动成图、差值和比值处理等，可捕捉坝体内渗流异常导致的介质电性变化，从而实现大坝渗流隐患区的动态监测及健康诊断。
3.1 水库概况及大坝渗漏
以天子岗水库为例，该水库始建于1956年，总库容1 801万m3，是一座以防洪、供水、发电功能为主的中型水库。水库大坝为均质坝，坝顶长度1 150.00 m，坝顶宽5.50 m，坝顶高程27.80 m，正常蓄水位23.16 m，最大坝高13.75 m。该水库由于超龄服役，大坝进行了多次除险加固处理。
现场踏勘发现大坝桩号k0+860 m附近下游坝坡高水位时存在坝坡散渗，坝脚排水棱体存在明显渗漏现象（见图2）。根据2019年水库安全鉴定成果[6]：大坝坝体由褐黄色粉质黏土组成，局部含全风化砂砾岩，坝基由粉质黏土夹粉土、粉质黏土组成，厚度5.00～7.00 m。根据大坝k0+924 m工程地质横断面（见图3）可知：坝体填土为粉质黏土，厚度11.00 m左右，坝基为粉质黏土夹粉土，坝体注水试验渗透系数为1.2×10-5～3.3×10-3cm/s，坝体7.00 m以上呈中等透水，存在渗流隐患，坝体7.00 m以下及坝基为弱透水。
图2 大坝k0+860 m下游坝坡散渗及坝脚渗漏现象图
图3 大坝k0+924 m工程地质横剖面图
根据地质勘察成果分析，大坝k0+860 m附近坝段存在渗漏可能与坝体局部填筑质量较差相关。由于大坝存在渗流隐患，为监测大坝渗流安全，采用时移电法对该段坝体进行渗流场监测试验研究。
3.2 时移电法观测系统设计
以大坝桩号k0+860 m为中心，在大坝段坝顶与下游坝坡交接处沿大坝纵向埋设电法测线1条，测线埋深0.30 m，共布置64道电极，电极间距1.00 m，测线总长度63.00 m，对应大坝桩号k0+828～k0+891 m段，其中1号测点位于大坝左侧，即桩号k0+828 m处。电缆线采用集中式，64道电极集中在1条测线上，电缆线内置低阻值铜丝，各电极测点抽头采用防水设计，测线电极埋设安装示意见图4，时移电法监测系统布置见图5。
图4 电极埋设示意图
图5 天子岗水库时移电法监测系统布置图
3.3 试验成果分析
大坝坝体的电阻率与大坝结构、填筑材料的性质、填筑质量、含水率等多种因素有关，时移电法监测中可以规避众多变量，主要研究电阻率对大坝内部渗流的响应特征。
天子岗水库时移电法观测系统自2021年3月上线以来，一直正常采集数据。由于汛期库水位较高且变动频繁，故本次选取汛期7组数据及非汛期1组数据进行大坝渗流场电阻率变化分析。
大坝经历一个汛期不同时间段监测得到的视电阻率图像见图6，库水位最大变动2.45 m，其中2021年7月11日达到最高水位即正常蓄水位。图中正常蓄水位以上基本呈条带状相对高阻，正常蓄水位以下为相对低阻区，其中存在3个明显的相对低阻圈闭区，核心位置位于测线15.00 m、28.00 m及42.00 m处，深度为5.00～12.00 m，相对低阻隐患区主要位于坝体段。随着库水位变化，坝体电阻率值呈动态变化，且随着库水位的升高，低阻区的范围有不断扩大的态势，高水位时大坝内部不同区域电阻率变化幅度存在一定差异，其中低阻圈闭区更加明显。
图6 大坝纵向断面电阻率随库水位的变化图
以2021年4月16日实测大坝电阻率数据作为初始值，其他时间点的电阻率值与之作比值得到的变化云图见图7，相对于视电阻率图像，电阻率比值图像更加清晰，从该组图发现以下规律：
图7 大坝断面电阻率比值随库水位的变化图
1）大坝浅表层电阻率变化幅度较大，可能与汛期降雨有关，由于浅层填筑材料透水性好，丰富的雨水促使表层岩土体导电性明显增强。
2）汛期随着库水位的升高，大坝整体电阻率值有所降低，电阻率降低的特征呈近水平层状分布，未见电阻率突变区。
3）随着库水位的下降，枯水期大坝电阻率值存在差异化升高现象，推测与大坝内部不同区域渗流滞后效应相关。
根据一个汛期大坝时移电法监测成果，天子岗水库大坝k0+828～k0+891 m段大坝渗漏隐患区渗流场基本稳定，未见明显局部渗流恶化区，目前渗漏应该与坝体渗透系数过大有关，大坝坝体未见明显渗漏通道。
大坝渗漏现象表现为隐患区域与周围岩土介质之间出现明显的地电场差异，为电法动态监测提供地球物理基础。通过天子岗水库渗漏隐患区时移电法监测试验，结果表明：
1）时移电法监测技术面向“远程采集、云端存储、时变处理、动态预警”的数字水库建设需求，实现对大坝渗流场的全覆盖全天候观测。
2）大坝渗漏隐患区时移电法监测，将大坝渗漏隐患从单一探测转换到对隐患的全生命周期监测，实现大坝渗流隐患区的动态监测及健康诊断。
3）由于时移电法监测技术在工程领域尚处于测试应用分析阶段，岩土介质电性变化与异常体性质判定及其累积效应还有待进一步研究，随着人工智能及信息技术的发展，如何实现隐患智能感知必将成为未来时移电法监测技术研发的方向。
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