高密度電法在堤壩滲漏監(jiān)測(cè)中的模擬及應(yīng)用

劉 曉，彭友文，袁志輝，唐 春，黃 誠(chéng)

(南昌工程學(xué)院水利與生態(tài)工程學(xué)院，江西 南昌 330099)

我國(guó)大部分堤壩修建較早，運(yùn)行年久，病害較多，大約30%存在滲漏問題，堤壩工程中常見的隱患包括天然地質(zhì)缺陷，施工中的質(zhì)量缺陷，生物破壞造成的洞穴，裂縫及修補(bǔ)時(shí)的人為薄弱環(huán)節(jié)等[1]。每年汛期，這些隱患容易誘發(fā)管涌、漫頂、散浸、滑坡、崩岸、坍塌等險(xiǎn)情[2]，因此及時(shí)查明隱患，預(yù)先排除險(xiǎn)情是堤防工程中迫切要解決的問題。

電法探測(cè)是堤壩無(wú)損探測(cè)的主要手段之一，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于滲漏、洞穴等堤壩隱患的探測(cè)。電阻率是電法探測(cè)常用的物性參數(shù)，砂土的電阻率和它的孔隙度有關(guān)。堤壩內(nèi)部或基礎(chǔ)存在裂縫、洞穴時(shí)，其孔隙度變大，滲漏水時(shí)電阻率變小，干燥時(shí)電阻率變大，與背景電阻率形成差異，成為電法探測(cè)的物性前提。

高密度電法作為一種普遍應(yīng)用的電法探測(cè)方法，利用隱患和背景介質(zhì)的電性差異，根據(jù)電阻率的空間變化規(guī)律來推斷隱患的分布情況，具有采集自動(dòng)化，分辨率高，成本低，效率高，解釋方便等特點(diǎn)[3-4]，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)電阻率法野外采集時(shí)測(cè)點(diǎn)相對(duì)稀少和反演解釋時(shí)依據(jù)單一等缺點(diǎn)[5]。高密度電法在工程地質(zhì)和水文地質(zhì)勘查等方面有廣泛的應(yīng)用[6-8]，適用于探測(cè)堤壩裂縫、洞穴、高含沙層、不均勻體、軟弱層、松散體及滲漏區(qū)，以及堤壩基礎(chǔ)隱伏斷層、破碎帶等隱患。劉海心等[9]、孫衛(wèi)民等[10]、李宏恩等[11]應(yīng)用高密度電法于堤壩滲漏隱患探測(cè)，樊炳森等[12]應(yīng)用高密度電法于水庫(kù)的溶洞和溶蝕裂隙探測(cè)，取得了較好的效果。

在實(shí)際探測(cè)中，由于地質(zhì)條件復(fù)雜，影響因素多變，以及反演自身的多解性，資料解釋存在一定的干擾。筆者通過建立兩組典型的堤壩滲漏地電模型[13-14]，計(jì)算其高密度電法響應(yīng)，根據(jù)合成數(shù)據(jù)的正反演算例和工程實(shí)例，分析高密度電法的探測(cè)效果，為提高解釋水平提供依據(jù)。

1 典型堤壩滲流模型的正反演

高密度電法二維正演問題為點(diǎn)電源電場(chǎng)二維地電斷面的邊值問題，應(yīng)用有限差分法剖分網(wǎng)格形成大型線性方程組，通過解方程組即得到正演解，使用RES2DMOD軟件來實(shí)現(xiàn)正演；高密度電法的反演目的是要找到擬合觀測(cè)數(shù)據(jù)的模型，屬于最優(yōu)化問題，采用最小二乘法來計(jì)算[15]，通過RES2DINV軟件實(shí)現(xiàn)反演[16]。

1.1 層狀模型

層狀模型用來模擬土石壩等壩體內(nèi)部的電性結(jié)構(gòu)，在浸潤(rùn)面以下，由于巖土的孔隙中幾乎充滿了水，電阻率變低，基巖為高阻體。模型的各層厚度和電阻率如表1所示。

表1 層狀模型的厚度和電阻率

本文采用溫納裝置，共80個(gè)電極，電極間距為5 m，正演擬斷面如圖1所示。在正演數(shù)據(jù)中加入2%的隨機(jī)誤差，利用合成數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，迭代5次，誤差為0.29%，反演結(jié)果如圖2所示。

圖1 層狀模型正演擬斷面

圖2 層狀模型反演結(jié)果

圖1中，視電阻率有明顯的分層現(xiàn)象，壩體浸潤(rùn)區(qū)視電阻率為相對(duì)低值，壩基基巖視電阻率為相對(duì)高值，兩者的差異不大。圖2中，反演結(jié)果清晰地反映出低阻目標(biāo)層，視電阻率最小可恢復(fù)到50 Ω·m。虛線中間為視電阻率小于80 Ω·m的范圍，與壩體浸潤(rùn)區(qū)基本重合。圖中標(biāo)出的浸潤(rùn)區(qū)和基巖分界線略有起伏，結(jié)合正演擬斷面圖可知，分界線起伏是受算法多解性等因素影響所致。

1.2 二維滲流模型

在層狀模型基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一個(gè)壩體二維滲流模型。圖3中，在水平位置185～215 m，深度24～48 m范圍，有一個(gè)穿過壩體浸潤(rùn)區(qū)和壩基的傾斜滲漏通道，呈現(xiàn)低阻特征，視電阻率為1 Ω·m。探測(cè)選用溫納裝置，設(shè)置80個(gè)電極，電極間距為5 m，正演結(jié)果如圖4所示。在正演數(shù)據(jù)中加入2%的隨機(jī)誤差，利用合成數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，5次迭代后，均方根誤差為1.87%，結(jié)果如圖5所示。

圖3 二維滲流模型

圖4 滲流模型正演擬斷面

圖5 滲流模型反演結(jié)果

圖4壩體浸潤(rùn)區(qū)視電阻率為相對(duì)的低值異常，低阻異常閉合區(qū)的水平位置與真實(shí)模型的水平位置接近，向兩側(cè)略有延伸，定性反映了滲漏通道的存在。圖5中，反演結(jié)果對(duì)滲漏目標(biāo)體有較好的反映，圖中有視電阻率低值異常閉合區(qū)，異常中心和實(shí)際滲漏中心基本一致，低阻體的視電阻率最小可以恢復(fù)到5 Ω·m，反演結(jié)果對(duì)異常體水平方向邊界的分辨率高于垂直方向，難以分辨異常體的傾向。受低阻體影響，在異常閉合區(qū)的深部即基巖區(qū)出現(xiàn)了低阻假異?，F(xiàn)象，比較圖4和圖5，可以排除假異常對(duì)解釋的干擾。

據(jù)理論模型計(jì)算可知，由視電阻率擬斷面圖可定性地判斷異常目標(biāo)體的存在；由反演圖可進(jìn)行定量分析，受算法多解性等因素的影響，反演結(jié)果可能存在假異常現(xiàn)象。為避免錯(cuò)誤解釋，需要剔除假異常，將視電阻率斷面圖和反演結(jié)果結(jié)合分析，可提高對(duì)異常體的識(shí)別能力。

2 壩基滲漏監(jiān)測(cè)工程實(shí)例

2.1 工程概況

某水庫(kù)大壩蓄水后發(fā)現(xiàn)滲流量異常，大壩右端發(fā)現(xiàn)多處滲水位置，局部位置發(fā)現(xiàn)泉水。量水堰觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，大壩滲流量有明顯增大趨勢(shì)，右端滲流量達(dá)302 m3/d，總滲流量超出初步設(shè)計(jì)報(bào)告計(jì)算值，需查明大壩異常滲流的原因及其具體部位。

壩址處地層主要由殘坡積粉質(zhì)黏土、全-微風(fēng)化基巖構(gòu)成，局部有人工填土、可塑狀沖積粉質(zhì)黏土及沖洪積層(粉土層、粉細(xì)砂、中粗砂等)、淤泥等?；鶐r主要為花崗巖、混合花崗巖、花崗片麻巖(片麻狀花崗巖)等，劃分為全風(fēng)化帶、強(qiáng)風(fēng)化帶和弱風(fēng)化帶。全風(fēng)化帶的原巖已風(fēng)化成土狀，以砂質(zhì)黏土為主，層厚為9.5～34.5 m，一般為弱透水，局部為中等透水性。強(qiáng)風(fēng)化呈半巖半土狀，由于節(jié)理裂隙發(fā)育，其透水性較全風(fēng)化稍強(qiáng)。弱風(fēng)化帶層厚16.7～31 m，風(fēng)化裂隙發(fā)育，多為弱透水。庫(kù)區(qū)無(wú)區(qū)域性構(gòu)造斷裂通過，構(gòu)造穩(wěn)定性較好，壩址區(qū)構(gòu)造以小斷層為主，大壩鉆探過程顯露了一些小規(guī)模的斷層，與大壩相交的有F1斷層和F5斷層。

壩體為黏土心墻壩，壩長(zhǎng)1 102 m，壩頂高程63.5 m，寬度8 m，最大壩高54 m。中部黏土防滲心墻頂寬6.0 m，上下游坡比均為1:0.5，上下游壩殼之間設(shè)有砂反濾層和砂礫石過渡層。壩基全線強(qiáng)風(fēng)化巖及弱風(fēng)化巖做帷幕灌漿防滲處理，灌漿上部接防滲墻。

2.2 探測(cè)方案

本次探測(cè)選用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DUK-2B多功能高密度電法儀，采用溫納裝置，每個(gè)排列60個(gè)電極，電極距為5 m，最大供電電壓為180V，沿著大壩背水面平行布設(shè)3條測(cè)線[17]。測(cè)線1平行于壩體中部的馬道布設(shè)，總長(zhǎng)975 m，10次滾動(dòng)完成；測(cè)線2布設(shè)在壩腳處，總長(zhǎng)900 m，7次滾動(dòng)完成；測(cè)線3在壩體下游50 m處，總長(zhǎng)400 m，2次滾動(dòng)完成。

2.3 探測(cè)過程

根據(jù)測(cè)線1第2個(gè)排列的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制視電阻率擬斷面如圖6所示，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的反演結(jié)果如圖7所示。根據(jù)測(cè)線2第2個(gè)排列的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制視電阻率擬斷面如圖8所示，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的反演結(jié)果如圖9所示。根據(jù)測(cè)線3第2個(gè)排列的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制視電阻率擬斷面如圖10所示，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的反演結(jié)果如圖11所示。

圖6 測(cè)線1第2個(gè)排列實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)視電阻率擬斷面

圖7 測(cè)線1第2個(gè)排列實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演結(jié)果

圖8 測(cè)線2第2個(gè)排列實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)視電阻率擬斷面

圖9 測(cè)線2第2個(gè)排列實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演結(jié)果

圖10 測(cè)線3第2個(gè)排列實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)視電阻率擬斷面

圖11 測(cè)線3第2個(gè)排列實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演結(jié)果

圖6水平方向100～160 m點(diǎn)位下方有視電阻率低值異常，地表附近有視電阻率高值異常，結(jié)合相關(guān)設(shè)計(jì)資料，推斷圖7中黑色虛線上方為壩體，視電阻率大于180 Ω·m 。黑色虛線下方為壩基，位于浸潤(rùn)線以下，地下水侵入壩基上部的花崗巖風(fēng)化層，使其視電阻率變小，剖面平距130～160 m、深度約30～40 m范圍內(nèi)低阻異常明顯，視電阻率小于80 Ω·m ，推斷為富水區(qū)。

圖8水平方向100～180 m點(diǎn)位下方有視電阻率低值異常，局部有視電阻率高值異常。結(jié)合圖8及設(shè)計(jì)資料，推斷圖9中黑色虛線上方為壩體，視電阻率大于170 Ω·m，局部高阻為混凝土排水溝的影響所致；黑色虛線下方為壩基，剖面平距120～160 m、深度約25～39 m范圍內(nèi)低阻異常明顯，視電阻率小于80 Ω·m，推斷為富水區(qū),結(jié)合測(cè)線1結(jié)果，推斷兩者為貫通的異常滲流通道，沿通道方向到壩腳處發(fā)現(xiàn)有多個(gè)出露的滲水點(diǎn)。

圖10水平方向100～200 m點(diǎn)位下方有視電阻率低值異常。圖11中，剖面平距100～200 m、深度約10～40 m范圍內(nèi)視電阻率低值異常明顯，視電阻率小于80 Ω·m，推斷為富水區(qū)。結(jié)合地質(zhì)資料，發(fā)現(xiàn)F1斷層通過該滲流區(qū)域，并向壩體后方延伸。F1斷層破碎帶寬度為0.5～1 m，膠結(jié)較好，為弱透水，一側(cè)延伸至水庫(kù)內(nèi)，壩基處理時(shí)僅對(duì)該斷層與壩軸線相交位置處做了混凝土防滲墻和帷幕灌漿處理，未對(duì)其他部位進(jìn)行處理。

圖12為根據(jù)高密度電法和已有工程地質(zhì)資料的推斷結(jié)果，沿?cái)鄬覨1的破碎帶形成滲流通道。隨著庫(kù)水位上升，水壓力作用對(duì)斷層F1的破碎帶進(jìn)行潛蝕，在其深部形成滲漏通道，并在灌漿帷幕下部沿?cái)鄬悠扑閹B出，其流出區(qū)域與滲流異常區(qū)域基本吻合。受斷層帶影響，測(cè)線3附近的富水區(qū)域面積較大，并出露有上升泉。

圖12 高密度電法推斷結(jié)果

3 結(jié) 論

a.被地下水浸潤(rùn)的斷層等目標(biāo)體，與圍巖之間存在明顯的電性差異，成為高密度電法工作的良好物性前提。

b.受算法多解性等因素的影響，反演結(jié)果可能存在假異常現(xiàn)象，將視電阻率擬斷面圖和反演結(jié)果結(jié)合分析，可提高對(duì)異常體的識(shí)別能力。

c.結(jié)合實(shí)測(cè)資料擬斷面圖和反演結(jié)果，通過對(duì)低阻異常體的連續(xù)追蹤，推斷該大壩的滲漏通道沿?cái)鄬悠扑閹纬?，從而造成滲流異常，該結(jié)論為下一步的工程處理提供了依據(jù)。