高密度電阻法在堤壩滲漏檢測中的應用

諶 星

（上高縣水利局,江西 上高 336400）

我國堤壩修建的時間較早,堤壩運行時間較長,因此我國大部分堤壩都存在一些病害,據統計,我國存在滲漏問題的堤壩約占30%[1-2]。因堤壩修建時選用的材質往往是當地的含砂土石,具有一定的透水性,在汛期水位上漲后,壩體擋水部分會出現滲水情況,滲流面擴大甚至出現滲流破壞,嚴重威脅堤壩結構安全。如何快速、無損檢測出滲漏通道,對于保障堤壩正常運行具有重大意義。本文采用高密度電阻法對滲漏堤壩進行探測,并使用RES2DMOD 軟件對探測結果進行正演及最小二乘法RES2DINV 軟件實施反演,以期較好地探測出滲漏路徑,為堤壩除險加固提供依據。

1 高密度電法工作原理

高密度電阻法在堤壩探測方面已成為常用的探測方法,尤其是針對于堤壩隱患中堤壩滲漏和堤壩洞穴等的探測。在高密度電阻法的探測中,電阻率是電法中重要的物性參數[3]。堤壩內部的孔隙率的大小是影響堤壩電阻率的關鍵性因素,堤壩孔隙率隨著堤壩內部的洞穴和裂縫的產生而隨之增大,當孔隙沒有水流滲漏時呈現干燥狀態,電阻率變大,當孔隙出現水流滲漏時,其電阻率變小,背景電阻率就與此產生差異,這便是電法探測的前提條件。高密度電阻法在堤壩滲漏檢測中與常規的電阻率法的基本原理大致相同,然而高密度電法結合電剖面法和電測探法,測點密度較常規電阻率法更高,因此也具有探測精度更高、數據采集更可靠等優點,并且能夠獲取地電結構的圖像,從而獲取更多的地質信息,從探測圖像上堤防中的洞穴、裂縫、軟弱層等都能夠被明顯地反映出來,現在的高密度電阻法已成為堤壩隱患探測的主要手段。高密度電阻率法探測系統的信號采集工作模式有串行式和并行式兩種。并且根據轉換開關的實際設置情況,堤壩隱患探測使用的單道分時采集系統主要分為集中式和分布式。在設計與技術實施上,高密度電法運用的電極數目較多,并且電極之間可以自由組合,以此來提供更多的地電信息[4]。高密度電法還具有很多優點,比如：通過一次性布設電極,從而減少電極設置所導致的干擾,減少誤差。高密度電法能夠對地電結構進行成像,從而提供更多的地質信息。高密度電法實現全自動化的數據收錄、采集,從而減少人工操作,減少誤差。

在高密度電法的實際探測過程中,電法的數據噪聲來源較為復雜,其中包括接地不良、地形起伏、儀器雜音以及自然環境等,數據信號的信噪比以及反演自身的多解性總是受到外來噪聲的干擾,從而影響圖像信息的真實性,也會降低圖像自動識別的能力[5]。其中,資料解釋也存在一定的干擾。筆者通過工程實例,進行高密度電阻法的實際工程探測,并由此次探測效果與實際結合進行分析,通過理論與實際相結合,成為提高解釋水平的有力憑證。

2 工程實例

2.1 工程概況

公明水庫4 號壩在正常運行的過程中出現異常滲流量的現象,與其同時堤壩右端滲水現象明顯,在壩體右端還有泉水現象的發生。通過所設量水堰所得的數據可知,大壩的滲流量出現大幅度增大的異常現象,其中在大壩右端的異常滲流量達298 m3/d,這個數值已經威脅到了大壩正常運行的安全,因此我們需要盡快獲取大壩出現異常滲流現象的具體原因和發生部位,以便設計最優處理方案。

據調查,殘坡積粉質黏土以及全-微風化基巖是該工程地層的主要構成,并且局部也有人工填土、淤泥、可塑狀沖積粉質黏土及沖洪積層（粉土層、粉細砂、中粗砂等）等。基巖主要由花崗巖、混合花崗巖、花崗片麻巖（片麻狀花崗巖）等組成,基巖整體被劃分為全風化帶、強風化帶和弱風化帶。在全風化帶中,大部分為砂質黏土,且原巖基本都成土狀,層厚為10.00 m～35.00 m,其呈現出弱透水性,也有中等透水性巖層出現在小部分位置。在強風化帶中,原巖主要呈現半巖半土狀,且通過節理裂隙的發育,在透水性方面要比全風化帶的透水性要強一些。在弱風化帶中,由于風化裂隙的發育,其呈現出弱透水性,且層厚為17.00 m～31.00 m。整個庫區有較高的構造穩定性,小斷層是壩址區的主要構造,且通過鉆探發現了與大壩相交的F1 斷層。該大壩壩型為黏土心墻壩,壩長1102 m,壩頂高程63.5 m,最大壩高50.7 m,壩頂寬度8 m,上下游坡比均為1∶0.5,大壩黏土防滲心墻頂寬6.0 m,并且設有砂反濾層和砂礫石過渡層在上下游壩殼之間以此來保護大壩,防治土體發生滲透破壞。通過帷幕灌漿對壩基全線強風化巖及弱風化巖進行防滲處理,并且在灌漿上部接防滲墻。

2.2 探測方案

利用高密度電法針對一個實際工程案例探測可能存在的滲漏通道時,可以選擇多條測線共同測量,并根據多條測線測量結果,結合原始地質勘探資料分析出可能的滲漏通道。綜合考慮壩址處地質條件,決定采用溫納裝置進行探測,每個排列60 個電極,電極距5 m,最大供電電壓180 V。溫納裝置具有操作簡便,數據易于采集的優點。總共布設2 條測線,2條測線均沿著大壩下游壩面。其中平行于壩體中部馬道布設測線1,測線1 總長為1000 m,10 次滾動完成。壩腳處布設測線2,總長950 m,7 次滾動完成。具體步驟如下：

（1）選擇測線時,可以布設多條測線,布設位置可以根據原始地質勘探資料進行選擇,一般可以布設于壩體馬道處、壩腳處。然后選擇不同的探測裝置進行數據采集。常用的探測裝置有偶極-偶極裝置、溫納裝置和詩倫貝謝爾裝置等。偶極-偶極裝置適用于汛期或者雨季時期,堤壩處于低阻值率狀態時。詩倫貝謝爾裝置適用于旱期,堤壩處于高阻值率狀態時。而溫納裝置卻沒有明確的使用優勢時期。

（2）取得實測數據時,通過特有的數據處理軟件RE2 DINV 可以導出數據反演結果圖。通過反演結果,可以大致地判斷出各測線壩體部分、壩基部分和富水區。結合前期對于地質資料的收集以及多條測線的反演結果,通過所得的反演圖像可以對低阻異常體進行追蹤分析,由此推斷可能產生的滲漏通道。

2.3 探測過程

根據測線1 第二個排列的實測數據,可以直接從儀器中導出視電阻率擬斷面,見圖1。將高密度電法中所得的實測數據導入RE2 DINV 軟件中。該軟件采用阻尼最小二乘法,可以有效地計算出檢測點的電阻率數據,通過多次的迭代和擬合使得計算出的數據接近真實測出的數據,最后得出最可靠的反演數據。測線1 第二個排列實測數據所得反演結果,見圖2。

圖1 測線1 第二排列視電阻率圖

圖2 測線1 第二排列實測數據反演結果圖

運用同種方法,測線2 第二排列的視電阻率圖和實測數據反演圖也可通過相同的方式導出。

結合圖1 可以看出100 m～150 m 處點位下方出現低阻異常點,相反的是在靠近地表位置的視電阻率明顯偏高,通過查閱相關資料對此情況進行分析,能夠推斷出壩體在圖2 中水平黑色虛線的上方,壩體整體視電阻率均在80 Ω·m 以上。與此可知壩基為圖2 水平黑色虛線下方,壩基上部巖層的視電阻率變小是由于地下水的侵入,且剖面平距110 m～140 m、深度約20 m～30 m 處視電阻率極其偏低,小于80 Ω·m,可推斷為富水區。

根據兩個不同測線位置所獲取的高密度電法數據及其反演結果進行分析,再以現有的實際工程地質勘探作為依據,能夠推斷出滲流通道已經形成,其具體部位在斷層F1 破碎帶形成滲流通道,見圖3。具體形成原因是隨著大壩庫區水位的提高,水壓力隨之增大,并且對破碎帶不斷地進行侵蝕,并最終形成滲漏通道,并且水流在灌漿帷幕下部沿著斷層破碎帶滲出,這與低視電阻率異常區域較為吻合。

圖3 雙測線結果推論

3 結語

高密度電法擁有比傳統探測方法檢測精度更高、測試速度更快、操作更簡便的優勢,在大壩檢測中可以快速地獲得可靠數據,并且可以將數據快速整理,將所獲得的地質信息繪制成直觀性更強的圖形,以此幫助工作人員及時的發現問題,并且進一步分析出大壩滲漏原因,并且以此為根據及時提出有效的解決方案,為大壩解決滲漏問題,維護大壩安全,保證大壩能夠安全、穩定地運行。

綜合分析高密度電法反演視電阻率剖面圖和現場查勘情況,本次探測較好揭示了壩體各層介質視電阻率的分布情況,符合土壩在深度方向的變化規律,準確檢測到了已知滲漏區的分布位置,驗證了高密度電法在土壩滲漏探測中的可行性,體現了高密度電法在大壩壩肩滲漏探測中的優勢,具有檢測精度高、效率高、對滲漏低阻的敏感性高、數據可靠度高、結果呈現直觀性好的優點。