高密度電阻率法在東山門水庫(kù)堤壩隱患探測(cè)中的應(yīng)用

(1.江西省南昌縣水政監(jiān)察大隊(duì)，江西 南昌 330200; 2.江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌 330029)

1 概 述

堤壩隱患主要包括天然地質(zhì)缺陷、施工中的質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致的土體內(nèi)部孔洞和裂縫，以及松散軟弱體等。其顯著特征是與堤壩其他部位的物性截然不同[1]。如何快速探查堤壩隱患一直是水利工程質(zhì)量管理中重要的課題之一，查明其具體位置、分布以及形狀是對(duì)工程進(jìn)行除險(xiǎn)加固處理的重要依據(jù)。目前，國(guó)內(nèi)外主要采用地質(zhì)調(diào)查、工程鉆探以及地球物理等方法對(duì)隱患進(jìn)行探測(cè)。其中地球物理方法主要包括自然電場(chǎng)法、地震反射波法、地質(zhì)雷達(dá)以及鉆孔超聲波方法等[2-6]。

高密度電阻率法的出現(xiàn)一改傳統(tǒng)電法勘探的工作模式，通過(guò)同時(shí)布置幾十到幾百根電極形成電極陣列，然后利用程控電極轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和微機(jī)工程電測(cè)儀便可實(shí)現(xiàn)地下電阻率數(shù)據(jù)的快速和自動(dòng)采集，大大提高了工作效率。電極距可以視探測(cè)深度和探測(cè)目標(biāo)體的尺度設(shè)置到很小的距離，充分體現(xiàn)了高密度的特點(diǎn)。大量的數(shù)據(jù)為反演成像打下了良好的基礎(chǔ)，為高精度、小目標(biāo)的淺層勘探提供了可靠的保證[7-9]。

江西省南昌縣東山門水庫(kù)位于鄱陽(yáng)湖南部水域，受連續(xù)降雨影響，堤壩背水坡北壩頭、壩腳及局部堤段出現(xiàn)了滲漏情況，且隨水位升高滲水量增大。為查明滲漏原因、確定滲漏通道位置，筆者利用高密度電阻率法，通過(guò)改善電極接地條件、選擇有效裝置、采用合理資料處理技術(shù)，克服了該堤壩存在的高阻屏蔽、高壓供電系統(tǒng)干擾等現(xiàn)象，最終查明了堤壩滲漏情況。

2 工程現(xiàn)狀、地質(zhì)概況及地球物理參數(shù)

2.1 工程現(xiàn)狀

壩頂現(xiàn)狀高程為19.54m，壩頂寬度6m。壩身內(nèi)外坡比均為1∶3。壩內(nèi)最高控制水位(12.50m)以下采用塊石護(hù)坡，以上采用草皮護(hù)坡，外坡采用混凝土預(yù)制塊護(hù)坡，壩身長(zhǎng)度約1024m。

2.2 地質(zhì)概況

工區(qū)范圍內(nèi)土層為第四系湖泊沖積物，該堤壩就是在這類堆積物上用土石堆積起來(lái)的。壩身壩基防滲工程采用高噴法工藝營(yíng)造混凝土防滲墻，防滲墻設(shè)計(jì)范圍為整個(gè)堤線。按照設(shè)計(jì)方案，防滲墻布置于堤壩中軸線上，防滲墻頂高程18.54 m，底部要求深至基巖或堤基相對(duì)不透水層不小于1m。從防滲處理設(shè)計(jì)圖上得知，樁號(hào)0+110～1+287段高程10.17m以上為人工填土，以下為黏土，防滲墻底板高程為9.42m，防滲墻深度為9.12m。

2.3 地球物理參數(shù)

所檢測(cè)范圍內(nèi)主要介質(zhì)的電性參數(shù)見(jiàn)表1。地層的電性差異是高密度電阻率法探測(cè)的物理前提。堤壩在完好的條件下，由于防滲墻的隔離，堤壩背水向的物質(zhì)的視電阻率相對(duì)較高；若是防滲墻存在缺陷或堤壩本身存在滲漏通道，水會(huì)滲入壩后巖土體中，則會(huì)出現(xiàn)局部低視電阻率異常。

表1 堤身主要介質(zhì)典型電阻率值

3 工作方法及資料處理

3.1 高密度電阻率法原理

高密度電阻率法在工作時(shí)與常規(guī)電阻率方法在原理上是一樣的，通過(guò)給AB電極供電(電流為I)，利用MN測(cè)量電位差ΔV，巖層的電阻率按下式獲得：

式中ρ——地下介質(zhì)的電阻率，Ω·m；

ΔV——測(cè)量電極間的電位差，mV；

I——供電電流強(qiáng)度，mA；

K——裝置系數(shù)。

裝置系數(shù)K計(jì)算公式為

高密度電阻率法將常規(guī)電阻率法與計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)結(jié)合，采用預(yù)設(shè)排列裝置進(jìn)行二維地電斷面的測(cè)量，既能揭示地下某一深度水平巖性的變化，又能提供巖性沿縱向的變化情況[10]。

3.2 測(cè)線布置

根據(jù)任務(wù)要求、勘探方法工作特點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)施工條件，高密度電法的工作布置如下：在表面出水點(diǎn)附近，沿壩軸線方向，分別在壩頂、背水坡坡上、背水坡坡腳上布置三條高密度測(cè)線，三條測(cè)線分別長(zhǎng)140m、80m、60m。

此次工作利用DUK-4型分布式高密度電法儀，供電電壓為200V，電極距為1m，最大隔離系數(shù)為16層。由于堤身表層電阻率較高，電極接地條件差，因而在測(cè)量前對(duì)所有電極埋設(shè)點(diǎn)進(jìn)行填土、澆鹽水等，保證各電極接地電阻均小于3.0kΩ。在塊石護(hù)坡處采取鉆孔、孔內(nèi)填土、澆鹽水、堤面圍土等方法，保證接地電阻在4.0～7.0kΩ范圍內(nèi)。

電極接地電阻大，則供電電流小。為了保證測(cè)量的橫向和垂向分辨率，選用了溫納排列裝置。測(cè)量時(shí)，AM=MN=NB為一個(gè)電極間距，A、B、M、N 逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng)，得到第一條剖面線；接著增大一個(gè)電極間距，A、B、M、N逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng)，得到另一條剖面線；這樣不斷掃描測(cè)量下去，得到倒梯形斷面(見(jiàn)圖1)。

圖1 溫納裝置示意圖

3.3 資料處理

首先將異常數(shù)據(jù)點(diǎn)剔除, 由于堤壩地形較平坦， 無(wú)需進(jìn)行地形校正[11-12]，然后利用RES2DINV軟件進(jìn)行反演。

由于水庫(kù)堤壩配有變電器、監(jiān)控器等用電設(shè)備，且測(cè)線上方有高壓輸電線路經(jīng)過(guò)，這些因素對(duì)電阻率測(cè)量造成一定程度的影響。在資料處理時(shí)設(shè)置阻尼系數(shù)為0.3，用以壓制干擾。由于接地電阻率遠(yuǎn)大于下部地層電阻率，且接地電阻率變化較大，采用精細(xì)網(wǎng)格剖分方法，將模型子塊寬度設(shè)置為電極距的1/2，以保證視電阻率計(jì)算精度。反演時(shí)選擇使用“標(biāo)準(zhǔn)高斯-牛頓”最小二乘法，從而得到最精確結(jié)果。

4 成果分析

4.1 1號(hào)測(cè)線

該剖面位于壩頂，沿壩軸線布置，樁號(hào)約為1+300～1+440m。 從圖2可以看出， 該剖面成層性很好，從整體上看，呈現(xiàn)頂層視電阻率高、基底視電阻率低的特點(diǎn)。推測(cè)頂層為較干燥的壩身，基底為含水性較大的中砂層。 其中，頂層左段，樁號(hào)1+310～1+330m，視電阻率相對(duì)中段較低，但是沒(méi)有出現(xiàn)視電阻率突變，推測(cè)該段壩身可能筑堤材料有變化，或含土較多、含水性偏高，需要密切關(guān)注。樁號(hào)1+340～1+380m，在表層整體高阻背景下，出現(xiàn)了較明顯的低阻異常帶，需要對(duì)該段堤壩進(jìn)行復(fù)勘驗(yàn)證。由于高密度視電阻率剖面呈現(xiàn)倒梯形，左右兩側(cè)的探測(cè)深度受限，加上受到堤旁建筑物的影響，因此，右端的滲漏點(diǎn)下部情況沒(méi)能夠較好地觀測(cè)到。

圖2 測(cè)線1高密度電法反演電阻率剖面圖

4.2 2號(hào)測(cè)線

該剖面位于壩后護(hù)坡中間，鄰近坡底干砌石護(hù)坡，沿壩軸線布置，樁號(hào)為1+280～1+360m。從圖3可以看出，該剖面成層性很好，從整體上看，呈現(xiàn)頂層視電阻率高、中間層視電阻率低、底層視電阻率次高的特點(diǎn)。推測(cè)頂層為較干燥的壩身，中間層為黏土層，底層也為黏土層，但在物質(zhì)組成上與中間有差別，可能含沙量稍高一點(diǎn)。

圖3 測(cè)線2高密度電法反演電阻率剖面圖

從剖面中可以看出，右端頂層高阻有變薄的趨勢(shì)，其中，樁號(hào)1+305～1+325m， 高阻減薄得最明顯，推測(cè)此處壩身的含水性較高導(dǎo)致電阻率降低，可能存在漏水點(diǎn)，與1號(hào)測(cè)線情況相似。另外，在樁號(hào)1+350～1+360m，2號(hào)測(cè)線沒(méi)有發(fā)現(xiàn)與1號(hào)線同樣的視電阻率偏低的情況，但是在樁號(hào)1+345處，出現(xiàn)局部相對(duì)低阻異常，推測(cè)該段壩身物質(zhì)成分有變化，含水或含黏性增大，導(dǎo)致電阻率下降。

4.3 3號(hào)測(cè)線

該剖面位于壩后坡腳，上部為干砌石護(hù)坡，沿壩軸線布置，樁號(hào)為1+295～1+355m。 從圖4可以看出，該剖面成層性很好，從整體上看，呈現(xiàn)上部視電阻率低、下部視電阻率高的特點(diǎn)。推測(cè)上部為頂層受水浸潤(rùn)的壩腳以及中間含水性好的中砂層，下部為含水性較小的基巖。從剖面中可以推測(cè)，左段、中段地表及坡腳下方含水量很高，這兩段幾個(gè)位置是有滲漏點(diǎn)出現(xiàn)，如在樁號(hào)1+300～1+320m之間有兩個(gè)滲漏點(diǎn)出露。另外，在樁號(hào)1+345～1+350m之間，接近地表出現(xiàn)一個(gè)低阻異常區(qū)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況推測(cè)其為滲漏點(diǎn)，因該滲漏點(diǎn)左下方、右下方都有低阻異常，其滲漏來(lái)源需要繼續(xù)勘察才能確定。

將上述1、2、3號(hào)測(cè)線進(jìn)行綜合對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)：有一條低阻異常帶，從右上方向左下方貫穿所測(cè)壩身右端；從上向下，視電阻率逐漸降低。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料，在樁號(hào)1+310m、1+314m兩處分別打孔進(jìn)行射水法工藝營(yíng)造混凝土防滲墻時(shí)，出現(xiàn)搭接差的問(wèn)題，據(jù)此推測(cè)這個(gè)低阻帶可能為滲漏通道，從下往上，其滲漏影響范圍逐漸變小,可能是防滲墻之間連接不好所致。但由于受附近建筑物的影響，測(cè)線在這塊低阻區(qū)域內(nèi)的觀測(cè)深度受影響，建議另采用其他地球物理手段進(jìn)行復(fù)測(cè)。

圖4 測(cè)線3高密度電法反演電阻率剖面圖

5 結(jié) 論

通過(guò)分析此次由高密度電阻率法得到的三條視電阻率等值剖面圖，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況可以發(fā)現(xiàn)：

a.剖面頂層的高阻與壩身上部干燥填土對(duì)應(yīng)，大范圍低阻與壩身下部的黏土層、中砂層等含水量高的巖土層對(duì)應(yīng)。堤壩的滲漏通道主要位于堤壩右側(cè)(樁號(hào)1+305～1+325m，包含樁號(hào)1+310m和1+314m處的兩個(gè)防滲墻事故孔在內(nèi))，從低阻異常范圍來(lái)看，近似呈水平狀分布。

b.布設(shè)電極時(shí)采用鉆孔、圍土、澆鹽水等方法處理，并采用溫納裝置，能取得可靠的視電阻率數(shù)據(jù)，有效地降低干擾影響。

c.通過(guò)采用合理的資料處理技術(shù)，提高斷面分辨率，得到了較真實(shí)的視電阻率數(shù)據(jù)，取得了較精確的反演結(jié)果。

d.高密度電阻率法在東山門水庫(kù)堤壩隱患探測(cè)中具有可行性，有效地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)手段周期長(zhǎng)、成本高、破壞性大而又缺乏代表性的不足，可為水庫(kù)堤壩的安全管理提供借鑒。