高密度電法在水庫除險加固勘察中的應用

于勁勇，李洪穎，尹 平

（1.丹東市水利勘測設計研究院，遼寧 丹東 118000；2.丹東市三灣水利樞紐及輸水工程建設管理局，遼寧 丹東 118000；3.丹東市鴨綠江防洪護岸工程建設管理局，遼寧丹東 118000）

1 高密度電法的工作原理

高密度電法實際上是一種陣列勘探方法，它在二維空間內研究地下穩定電流場的分布，野外測量時，將數十個電極一次性布設完畢，每個電極既是供電極又是測量電極。通過程控式多路電極轉換器選擇不同的電極組合方式和不同的極距間隔，從而完成野外數據的快速采集。對某一極距而言，其結果相當于電阻率剖面法，而對同一記錄點處不同極距的觀測又相當于一個電測深點。

高密度電法的工作原理基于垂向直流電測深、電測剖面、電阻率層析成像方面：

1）直流電測深法是研究指定地點巖層的電阻率隨深度變化的一種物探方法。該方法是在地面上以測點為中心，從近到遠逐漸增加觀測裝置距離進行測量，根據視電阻率隨極距的變化可劃分不同的電性層，了解其垂向分布，計算其埋深及厚度。

2）電測剖面法就是在供電和測量電極保持一定距離，按一定的探測深度，沿著測線方向逐點進行觀測，獲得電阻率曲線，以此反映一定深度內電性層的變化情況，即電阻率剖面法是研究巖層電阻率在一定深度范圍內的水平方向上物性變化的探測方法。

3）電阻率層析成像（簡稱電成像）是利用探測區周圍在各個方向觀測的直流電場來研究地下介質電阻率分布。在介質中發射一次電流，由于地下介質的不均一性，使得一次電流的分布發生變化，這一變化又引起電位的改變。介質中空間變化的電位，在地面和井孔中都可觀測到。將觀測到的電位轉換成電阻率，因其是通過多方位觀測得到的投影數據資料，故最終能用以進行電阻率層析成像。

2 高密度電阻率法優點

1）電極布設一次完成，測量過程中無須更換電極，這樣可以防止因電極設置而引起的故障和干擾。

2）能有效地進行多種電極排列方式的參數測定，可以獲得較豐富的關于地電結構的信息。

3）數據的采集和收錄自動化，不僅采集速度快，而且可避免人工操作引起的誤差和錯誤。

4）實現資料的現場實時處理或脫機處理，可以根據需要自動繪制和打印各種成果圖件，大大提高了電阻率法的智能化程度。

5）與傳統的電阻率法相比，成本低、效率高，信息量豐富，解釋能力方面顯著提高。

6）形象地反映出巖土體地電斷面的電性分布和結構特征，從而獲得豐富的地質信息，提高解決實際問題的能力。

3 水庫除險加固勘察的工程實例

遼寧省岫巖黑山水庫為一座中型水庫，該水庫攔河壩類型為粘土心墻壩，壩基常年滲漏，滲流逸出點較高，壩后水頭較高，曾多次加固，但滲漏問題始終存在，壩體與壩基接觸帶易形成接觸沖刷帶，被列為國家病險庫之一。

為了查明壩基滲漏帶的空間分布范圍，在該項目除險加固勘察中，首先采用高密度電法進行測試，然后根據高密度電法測試的解釋成果，對壩基滲流帶進行分區，對嚴重的滲流帶進行鉆探驗證和相關的試驗。

3.1 測區概況及地球物理特征

大壩區原始地貌為不對稱的“U”字形河谷地貌，河谷兩岸為丘陵，右岸山勢陡峻，左岸低緩。大壩類型為粘土心墻壩，大壩左側壩基為碎石土，右側為角礫，中部遼河群變粒巖。

壩體由防滲粘土芯墻、壩殼碎石土、干砌石組成，壩體沿著軸線斷面各層分布應是均勻分布，所以每個電性層差異較小。當壩體或壩基出現滲漏或層位發生變化時，使原有的均勻電性層改變，滲漏或液化的粘土芯墻電阻率值明顯減小。同時在滲漏的水流過部位形成過濾電場，在上部滲漏位置顯示低的自然電位，下方出水位置顯示高的自然電位。上述原理為自然電場和高密度測深方法的施工提供了科學的地球物理前提。

3.2 方法技術

1）測線布置。本次物探測試工作投入的方法為高密度測深法，共布置4條剖面。高密度測深采用分段測量，考慮壩體不同位置的電性差異較大，分段測量可以使不同地段微小的電性差異顯示出來。高密度測量電極距為5 m，測量層數為12～14，控制深度大于30 m。

2）資料的推斷解釋。在視電阻率斷面圖上，根據斷面圖中顯示的電性分布特征，判斷地質體的視電阻率范圍圈定出電性異常，此時應結合已知地形地質資料和采用的電極裝置分析其產生的原因，并大致判斷出目的體的位置。把各條剖面圖上推斷出的異常垂直投影到地表，然后根據剖面圖與勘探線的對應關系把所得異常落到異常推斷成果平面圖上，根據剖面異常特征結合地形地貌、水文地質特征進行統一圈畫，形成異常解釋推斷成果圖。

10線布設在壩頂軸線，總樁號長為10+5～10+765。剖面顯示：壩殼碎石土埋深在5～11 m，電阻率值大于1 000 Ω·m。粘土層埋深較穩定，在壩右端埋藏較深，粘土層最大埋深可達17 m，左側較淺，埋深只有8 m左右。10線斷面仍然顯示多處電阻率值小于60 Ω·m的圓圈，解譯粘土芯墻較軟，說明其多處位置存在滲漏隱患，其中仍為壩的右端較為嚴重。

本區解譯的13處滲漏異常主要分布在水壩的左右兩側，說明黑山水庫的左右兩側滲漏隱患比較嚴重，特別是在大壩的右端自然電位反映明顯的3處滲漏和流出異常。高密度測試結果（10線）在該段反映以前灌漿位置的低阻異常不連續，說明該段的粘土芯墻成份發生較大的改變。左側的輸水洞以北自電異常范圍較大，說明該段存在普遍的滲漏現象，匯總以上結果，黑山水庫本次物探測試數據解譯成果見表1。

表1 主要異常性質描述一覽表

3.3 鉆探驗證

根據高密度電法的解譯，結合以往的資料分析，將黑山水庫大壩壩基分為兩個大的滲流帶，分別位于 0+000～0+307段和 0+630～0+750段，位于大壩的兩側。

在0+000～0+307段軸線布置5個鉆孔，3條勘察斷面，在0+630～0+750段布置1條勘察斷面。經鉆探和壓水驗證，在0+000～0+307段壩基為一層1～1.5 m的角礫，下伏中等風化變粒巖，角礫透水性很強，其中含有大量的心墻物質成分，說明壩體底部已經發生接觸沖刷，影響大壩的安全，而下部的基巖也為中等透水性；在0+630～0+750段壩基下部同樣存在角礫，下部基巖也為中等透水性，由于該段基巖上臺，透水部位埋深較淺，致使該段大壩的背水坡常形成散浸，電站廠房的墻壁陰濕。

經過鉆探驗證，高密度電法推測的范圍內的壩體建基層以及建基層以下的基巖滲漏嚴重，與推測的結論比較穩和。

4 結語

1）根據高密度電法工作原理，當具備物理前提時，將會取得令人滿意的探測效果。因其有測深和剖面的功能，使得視電阻率斷面圖更形象、直觀地反映巖土地電性分布及結構特征，不僅反映其深度變化，而且還反映其范圍。

2）通過具體的工程實例，說明高密度電法在水庫大壩除險加固的勘察中，對滲漏隱患的分布范圍和危害程度能作出較可靠的分析評價，具有預先指導意義，避免鉆探的盲目性。采用高密度電法與鉆探及試驗相配合，將會達到較好的勘察效果。

3）對高密度電法的結論，應進行鉆探或其它方法驗證，以便對工程的下一步施工具有準確的指導意義。

［1］葛如冰，黃偉義.高密度電阻率法在灰巖地區的應用研究［J］.物探與化探，1999（1）：36-38.