胡 江，王春红，马福恒
(1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；
2.南京瑞迪水利信息科技有限公司，江苏 南京 210029)
为穿越河渠、道路和障碍物，调水工程中多设置渡槽、倒虹吸和隧洞等输水交叉建筑物连接上下游渠道。当穿越河道时，建筑物进出口渐变段和闸室一般布置于河道两岸岸坡上，并采用防护措施（裹头）保护。由于天然地质缺陷、施工质量不佳、生物破坏等因素影响，进出口渐变段常是输水交叉建筑物的薄弱环节[1-2]。如某输水交叉建筑物渐变段施工质量控制不佳，通水运行后相邻挡墙沉降差较大，造成两节间止水拉裂，裹头渗水，危及工程长期渗流和结构安全，严重影响工程运行[3]。此类输水交叉建筑物渐变段渗流安全问题具有普遍性，不利于长距离调水工程的长效安全运行，值得关注[4]。
对渗漏成因的科学分析可为合理采取处置措施提供依据，然而，由于水工建筑物渗流问题的复杂性，采用单一方法很难准确辨识渗流的异常成因，为此，多采用综合分析方法。盛金保等[5]根据设计、施工和现场检测资料，分析了株树桥水库面板坝渗漏的原因；
包腾飞等[6]针对李家峡大坝6 号坝段坝基扬压力异常现象，基于坝基扬压力、工程区地下水位等实测资料，建立了工程区水文地质模型，结合坝基钻孔取芯、水质分析等试验成果，揭示了扬压力异常成因；
刘建刚等[7]综合漏水量、温度、电导率和pH 值等数据，得到了丰满大坝坝体渗漏模式；
宋汉周等[8]从工程和水文地质条件、扬压力定性和定量分析、现场试验（包括涌水试验、封孔试验）及水质分析等多个方面，探讨了水东水电站Up07 孔位扬压力异常的起因、演变及影响范围等；
Hu 等[9-10]通过现场检测、钻孔压水试验、渗漏量统计模型和有限元反分析等多种手段，确定了某重力坝坝基扬压力骤升的成因，还通过隐患探测、析出物成分检测、渗漏量统计模型和有限元反分析等多种方法，揭示了某重力坝坝体渗漏量增大的原因。
本文以某调水工程跨河渡槽出口段为例，采用综合分析方法研究揭示裹头渗漏成因。采用统计模型分析出口闸和渐变段渗流的主要影响因素；
通过变形监测资料分析，并结合工程和水文地质条件，判断引起裹头渗漏的原因；
进而依据流场法、探地雷达和高密度电阻率法等地球物理探测方法判断渗漏入口和通道等，从而为采取防渗补强措施决策提供依据。
某渡槽双线两槽布置（图1），单槽顶部、底部均宽15 m，两槽间内壁间距5.0 m。出口段布置见图2，连接段长20 m（桩号15+016—15+036），闸室长15 m（桩号15+036—15+051），渐变段长70 m（桩号15+051—15+121），明渠长3.9 m（桩号15+121—15+125）。
图1 渡槽平面布置示意Fig.1 Schematic diagram of the structural layout of the aqueduct
图2 渡槽出口段平面布置与垂直位移测点分布Fig.2 Structural layout and distribution of vertical displacement measuring points of the outlet section of the aqueduct
渡槽工程区主要地貌形态有河床、漫滩、一级阶地、二级阶地及岗地等。地层主要有上第三系（N）和第四系（Q），新老地层呈不整合接触。依据赋存特征，工程区地下水分第四系孔隙含水层和上第三系孔隙、裂隙含水层，其中第四系孔隙含水层由全新统砾砂含水层和上更新统砾砂含水层组成。如图3 所示，出口连接段、闸室段、渐变段和渠道段均位于左岸二级阶地，地面高程约131 m，渠道水位146.49 m。出口连接段与闸室段建基面高程138.14 m，地层主要为Q3粉质黏土、砾砂。渐变段、渠道段地层主要为Q3粉质黏土，渠底高程138.49 m。粉质黏土可塑-硬塑状，具中等压缩性，弱膨胀性。粉质黏土承载力标准值170～200 kPa，强度不能满足基底应力284 kPa 要求，施工时进行了振动碎石桩加固处理。砾砂承载力标准值300～350 kPa。
图3 出口段的工程地质与处置建议示意(单位: m)Fig.3 Engineering geology and proposed rehabilitation measure for the outlet section (unit: m)
考虑到上述地质条件，工程通水验收时曾提出对渡槽出口段采用静压注浆的方式加强防渗，以防止渐变段通过下部砂砾石填筑地基往上游裹头侧渗漏。但因该调水工程不能中断输水，此防渗措施已不具备实施条件而一直未实施。
渡槽出口连接段和闸室段、渐变段和渠道表面垂直位移测点（BM）分别见图4（a）和图2，出口段两侧测压管（BV）和闸室底板渗压计（P）布置见图4（b）。渗压计P11、P12、P13 分别位于闸室上游侧齿槽、底板中部和下游侧齿槽内，其中P13 测点已失效。除BV15 测压管位于弱膨胀土内，其余测压管和渗压计均安装在砂砾石基础内。
2016年5月11日，巡查发现渡槽出口连接段左右槽墩交接部位对应裹头处渗漏（图4（b）），渗漏量约7 L/min，对该部位渗水进行了临时引排处理，并定期测量渗漏量，渗漏量过程线见图5。
图4 出口段垂直位移和渗流安全监测测点平面布置Fig.4 Layout of monitoring points for vertical displacement and seepage of the outlet section
图5 出口裹头渗漏量与渠道水位过程线Fig.5 Records of leakage flow and cannel water level of the protection structure of the outlet section
2017年3月18日，检测到渗漏量为20 L/min。2017年3月10—18日，通过闸门调度，在静水条件下对左右联出口连接段上下游各2 条结构缝进行水下检查。2017年4月5—20日和2017年5月1—12日，分别完成右联和左联结构缝鼓包处理。2017年8月9日—11月16日，未出现渗水。但2017年11月17—28日，随温度降低，裹头再次出现渗漏，期间最大渗漏量为5.4 L/min（2017年11月24日），说明渗漏不是由出口连接段结构缝引起的。
2019年1月中旬大雪降临后又出现渗水，至3月6日结束，此次最大渗漏量约12 L/min（2019年1月29日）。2019年3月7日—11月20日，温度较高，无渗水。2019年11月21日再次渗水，且渗漏量显著增大，11月23日、12月30日渗漏量分别为38.0、42.4 L/min。2020年1月31日、2月29日、3月28日、4月30日和5月25日渗漏量分别为31、16、60、74和110 L/min。
为分析出口段渗透压力和闸室底板扬压力与渠道水位、气温、降雨量等环境因素的关系，构建统计模型，确定出口段渗流的主要影响因素。
3.1 渗流安全监测数据
渠道水位、测压管BV09—BV16 及渗压计P11、P12 的观测时段分别为2014-12-12—2020-09-20、2017-08-19—2020-09-20 和2013-02-01—2020-09-20。有效测压管、裹头渗水点附近及关注处的渗压计与渠道水位的测值变化过程线见图6。
3.2 渗流安全监测数据定性分析
自2018年年底开始，裹头渗漏量与闸室底板渗压计、部分测压管水位变化过程呈现一定的相关性。由图6 可见，2019年1—3月、2019年11月—2020年7月测压管BV03、BV09、BV12、BV16 及渗压计P11、P12 的水头较高，其间裹头渗漏量也较大，2019年4—10月，上述渗压计、测压管的水头较低，裹头未渗漏。相比而言，测压管BV15 水头整体偏低。推测测点水头与所埋设地层有关，砂砾石基础透水、渗透系数大，测点水头较高；
弱膨胀土渗透系数小，BV15 测点水头较低。
图6 出口段测压管和渗压计测值变化过程线Fig.6 Records of installed piezometers in the outlet section
2019-11-27—2020-07-27 期间， 渗压计P11、P12 的扬压力值高于设计值138.1 m，最大值分别为139.47 和139.12 m（2019年12月4日）。
3.3 渗流安全监测数据定量分析
采用灰色关联度度量渗透压力、扬压力等渗流变量与渠道水位间的相关性，灰色关联度计算方法和评判标准等详见参考文献[11]，计算结果见表1。渗流变量间的灰色关联度均超过了0.6，但与渠道水位之间的相关性不显著，均小于0.6。
表1 测压管和渗压计与渠道水位间的灰色关联度Tab.1 Grey correlation degrees between piezometers and cannel water level
考虑到渗流受渠道水位、气温、降雨量和时效等影响，参照参考文献[12]中土石坝渗流压力模型，构建测压管和渗压计测点测值的回归分析模型。选择5 个测压管（BV03、BV09、BV12、BV15 和BV16）和2 个渗压计（P11 和P12）实测数据，通过试算确定气温和渠道水位滞后天数分别取为11 和7 d，构建回归分析模型。考虑到数据完整性，统计模型时间序列为2018-01-01—2020-09-20，拟合精度、各变量影响大小列于表2，拟合效果见图7。其中，BV09、BV12 两个测点模型复相关系数均小于0.8，拟合精度较低，未在此列出。
图7 各测压管和渗压计测点实测值和拟合值对比Fig.7 Comparison of measured and fitted values of piezometers
表2 各渗流测点统计模型的复相关系数及变量的相对影响Tab.2 Multiple correlation coefficients of statistical models of piezometers and relative influences of variables
从表2 可见，渐变段基础渗透压力和闸室底板扬压力主要受温度影响，且与温度呈负相关关系，温度越高，测值越小，反之亦然；
相比而言，受渠道水位影响较小。这与前述渗漏的定性分析是一致的，低温时段，裹头渗水，渐变段基础渗透压力和闸室底板扬压力增大，而随着气温升高渗漏消失、渗透压力和扬压力减小。该调水工程渠道水位年变幅较小，除2020年4月29日至6月20日因加大流量输水期间水位略升高外，其余年份渠道水位年变幅小于1 m；
渠道水位对渗流影响较小。此外，渗流呈现一定趋势变化，故时效较显著。
4.1 变形安全监测资料分析
变形安全监测时间序列为2014-04-03—2020-06-03。出口段两侧沉降变形纵向分布和沉降差分别见图8 和图9。渡槽出口段存在沉降变形，且沉降尚未收敛，仍在发展。出口段两侧累计沉降量分布规律基本一致，渐变段累计沉降量相对较小，闸室和下游高填方渠道相对较大。这是因为在通水运行过程中，出口连接段、闸室段、渐变段及渠道段的基础结构型式不同，上层建筑物结构重量不同，以至于相邻结构产生的沉降量不一致。部分结构缝两侧结构沉降差较大，如连接段下游与闸室上游右侧的沉降差为18.50 mm，闸室与渐变段连接处左、右侧的沉降差分别为19.32、20.07 mm，渐变段左、右侧4#、5#挡墙的沉降差分别为29.59、15.60 mm。可见，连接段与闸室段、闸室段与渐变段、渐变段的挡墙之间存在不均匀沉降。
图8 出口段左右两侧沿纵向各测点累计沉降量Fig.8 Cumulative settlements of the two sides of the outlet section along the longitudinal direction
图9 出口闸、出口渐变段结构缝两侧沉降及沉降差（单位：mm）Fig.9 Settlements and their differences on both sides of the outlet section (unit: mm)
土质地基允许最大沉降差应以保证建筑物安全和正常使用为原则。该工程沉降差的设计参考值30 mm，出口渐变段左侧4#、5#挡墙的沉降差已接近该参考值。
4.2 水文和工程地质资料分析
结构缝两侧出现较大沉降差时止水拉裂破损，渠道内水通过结构缝向基础内部渗漏。推测闸室段与渐变段及渐变段4#、5#挡墙间的结构缝为可能渗漏点，连接段下部、闸室段和渐变段底板基础均为砂砾石填筑，透水性强；
渐变段挡墙两侧及下游渠道基础为弱膨胀土，透水性差，即图3 中的I-I 断面处形成不透水层，当渐变段因不均匀沉降导致止水破损引起渗漏时，渗水主要向上游裹头方向渗透。
渡槽出口裹头为高填方，且基础为砂砾石填筑，渗透性强，测压管水位总体上比渠道水位低5～6 m，渗水能够迅速排出裹头。比较左侧（BV09—BV11）和右侧（BV12—BV14）测压管水位发现，右侧测压管水位整体比左侧高约2 m，左侧渗漏通道较右侧更大，右侧测压管水平较左侧高，渗水主要向左侧上游渗透。
结构缝止水破损处的开合度受环境温度影响大，环境温度高时，破损处收缩，反之张开。因此，在2017—2019年期间，夏季环境温度较高时，出口裹头未出现渗漏，冬季温度较低时，渗漏量增大，且2019年底至2020年初渗漏量显著增加，这说明出口渗水在出口段（渐变段、闸室段及连接段）底板连通的可能性非常大。入渗会使建筑物基础土体进一步软化，导致建筑物下沉，引起沉降不收敛现象。
4.3 隐患探测分析
渗漏入口的探测方法主要有伪随机流场法、直流充电法和人工交流电场源磁测法等；
渗漏通道的探测方法主要有高密度电法、探地雷达法、瞬变电磁法、面波法等，各类探测方法原理详见文献[13]。
(1)渗漏入口。伪随机流场法和直流充电法测线布置见图10[14]。检测结果表明：渗漏主要来源于渐变段中5#、6#结构缝（4#、5#挡墙间及渐变段与渠道间）的渗漏异常区，即图10 中Ⅰ#、Ⅱ#异常区。其中Ⅰ#异常区为以水面左边线为起点，分别沿5#、6#结构缝向渠中心2.3～15.5 m、2.6～19.5 m 范围，及5#、6#结构缝挡墙与底板结构缝圈定的区域；
Ⅱ#异常区为以水面右边线为起点，分别沿5#、6#结构缝向渠中心2.6～14.0 m、2.4～22.2 m 范围，及5#、6#结构缝挡墙与底板结构缝圈定的区域。
图10 伪随机流场法和直流充电法检测到的渗流异常区域Fig.10 Abnormal seepage areas detected by the flow field and the charging methods
(2)渗漏通道。渗漏通道探测采用探地雷达和高密度电阻率法，布线见图11。前者采用SIR-3000 型地质雷达，及100 MHz 和低频组合一体式天线；
后者采用WGMD-6 高密度测量系统。其中，探地雷达探测法布置A～I共9 条测线，测线A、B分别沿渐变段左、右岸布置，长分别为68、60 m；
测线C沿左岸道路路面、闸室交通桥、右岸道路路面布置，长150 m；
测线D沿裹头外部顺渠道方向布置，长60 m；
测线E沿裹头外部左岸垂直渠道方向布置，长48 m；
测线F沿裹头外部左岸竖直方向布置，长8 m；
测线G～I与左岸对称布置。高密度电阻率法沿渐变段左、右侧纵向各布置1 条测线，各长144 m。
图11 出口段的高密度电阻率法和探地雷达法测线布置Fig.11 Survey line layouts of the high-density resistivity and the ground penetrating radar method for the outlet section
探地雷达测线A～C的成果见图12。由图12（a）、（b）及图12（c）、（d）可知，渐变段左侧距交通桥63.2～67.0 m、深0.5～14.0 m ，及右侧距交通桥54.2～60.6 m、深0.5～7.5 m 范围内，地质雷达出现不规则散射波，垂直截面断面波存在异常，两个区域雷达反射波表现为波形起伏特性，推断为高含水异常区域。
图12 探地雷达探测成果Fig.12 Detection result maps obtained by the ground penetrating radar method
渐变段左、右侧（探测长度均为144 m）的高密度电阻率法检测结果见图13。可见，视电阻率在左侧测线58～69 m、深5.5～13.4 m 范围，及右侧54.1～66.3 m、深6.0～15.6 m 范围内，分别呈现单个低阻闭合区，推测这两个区域土层含水率较高、土体相对偏软，为渗漏通道。结合工程地质条件可知，探测得到的高含水区域主要位于渗漏入口附近的砂砾石基础。
图13 渐变段左右两侧反演视电阻率分布Fig.13 Inverted apparent resistivity distribution maps on both sides of the transition section
4.4 综合分析
通水运行过程中，出口连接段、闸室段、渐变段及渠道段的基础结构型式不同，上层建筑物结构重量也不同，使得相邻结构产生了沉降差。闸室段与渐变段、渐变段与下游渠道段之间存在较大不均匀沉降，导致结构缝止水受损。
渐变段5#、6#结构缝为主要渗漏点，连接段下部、闸室段和渐变段底板基础均为砂砾石填筑，透水性强，渐变段挡墙两侧及下游渠道基础为弱膨胀土，透水性差，渗水主要向上游裹头方向渗透。渗透压力和底板扬压力主要受气温和时效影响，受渠道水位影响较小。
探测成果进一步证实，渐变段5#、6#结构缝及其与底板结构缝圈定的区域为渗漏入口，渗漏流向砂砾石基础。
4.5 处置措施建议
由于该调水工程常年运行，难以对工程进行停水检修，若通过在渐变段挡墙结构缝下部打斜管灌浆，难以保证截住下部砂砾石基础层的渗漏通道；
同样，缺陷位置水下修复效果也不理想。考虑到两侧边坡及出口渠段的填筑料均为弱膨胀土，渗透性较小，可在基础周围形成防渗体，而渐变段底板、闸室段和连接段下部基础填筑料为砂砾石填筑，渗透系数较大，可通过截断砂砾石料填筑层的渗流通道实现减小渗漏的目的。因此，可采用在闸室段增加帷幕截断渗漏通道的处置方案（图3）。
本文采用渗流和变形安全监测资料分析、水文和工程地质条件分析、渗漏入口和通道地球物理探测等多种方法探讨了某调水工程一渡槽出口段裹头渗漏的成因。结果表明，渐变段末端结构缝止水受两侧沉降差影响拉裂破损，为主要渗漏点，渗水通过渐变段、闸室段和连接段砂砾石基础，最终从裹头侧流出。结构缝止水破损受气温影响显著，温度较低的冬春季，渗漏增大，渐变段基础渗透压力和闸室底板扬压力升高；
反之亦然。渗流还呈一定发展趋势，时效显著，亟需加固处置。考虑到该调水工程常年运行，渡槽难以停水检修，对渐变段挡墙结构缝下部打斜管灌浆和对缺陷位置水下修复效果不理想，建议采取出口闸段增加帷幕截断渗漏通道的处置方案。
输水交叉建筑物渗漏成因复杂，采用多种方法分析其形成机理，有助于排除可能存在的不确定性，从而为采取科学合理的加固处理措施提供依据。
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