高密度電法在鎮海水庫大壩滲漏隱患探測中的應用

2023-10-10 02:28:36韓濤

水利科學與寒區工程 2023年9期

韓濤

(江門市科禹水利規劃設計咨詢有限公司，廣東江門 529000)

1 工程概況

鎮海水庫位于廣東省開平市蒼城鎮以北約10 km的潭江一級支流鎮海水的上游，水庫壩址以上集雨面積128 km2，河長32.15 km，平均坡降0.002，總庫容 1.0962億m3，是一座以灌溉為主，結合防洪、供水、發電、養殖等綜合利用的大(2)型水庫[1-4]。水庫主要建筑物有均質土壩4 座(主壩1座、副壩3座)，溢洪道1座，非常溢洪道1座，泄洪閘1座，輸水涵2條和壩后電站1座。

鎮海水庫于1958年6月動工興建，1960年建成投入運行使用。經過幾十年的運行，水庫一副壩壩體、壩腳均存在嚴重的滲漏隱患。如：下游右壩腳長約8 m范圍，排水棱體排水溝上方有明顯滲水隱患，滲出水體夾帶土顆粒，屬于非正常滲漏；現場可見10多處壩腳滲流(清水)，顯示全壩段均有不同程度的滲漏問題；由于下游壩坡表面土層較軟，電法檢測時電極較容易打入土內，壩體密實度較差，滲漏情況較為嚴重，已嚴重危及水庫安全運行。為此，亟須對鎮海水庫一副壩采取高密度電法進行物探檢測，以查清水庫大壩滲漏具體位置，為后期水庫的除險加固提供準確的參考依據。

2 測線布置

鎮海水庫一副壩壩體為均質土壩，壩頂高程30.3 m，最大壩高23.4 m，壩頂寬6.5 m，防浪墻頂高程為31.4 m。上游壩坡為干砌石護坡，20.65 m 高程以上坡率1∶2.00，20.70 m 高程以下坡率1∶3.00。下游壩坡高程23.00 m處有一寬2.00 m的戧臺，戧臺以上壩坡1∶2.50，以下1∶2.75。下游反濾體頂高程15.00 m，內坡1∶1.00，外坡1∶1.50。

此次探測采用重慶奔騰數控技術研究所生產的高密度電阻率儀，該款儀器采用了電阻率和IP成像系統；觀測裝置采用溫納四極裝置(α)，分別在壩體壩頂、背水坡戧臺和反濾棱體上方位置進行物探剖面檢測(見表1)，物探剖面編號W1-W1′、W2-W2′、W3-W3′，由于高密度電法探測深度有限，本次探測共布置了3條測線，具體如下。

表1 鎮海水庫一副壩高密度電法測線特性

2.1 壩頂

剖面編號W1-W1′測線布置在壩頂位置，順水流方向，從壩頂左側山邊開始，一直到右壩頭。該剖面測線長295.0 m，共布設60個電極，電極間距5.0 m，電極點總層數19層，測點255個，該剖面探測最大深度為47.5 m，探測時庫水位為22.85 m。

2.2 背水坡

剖面編號W2-W2′測線布置在背水坡戧臺處，該處剖面測線長度275.00 m，共布設了56個電極，電極間距5.00 m，電極點總層數18層，測點235個，探測最大深度為45.00 m，探測時庫水位為22.85 m。

2.3 排水棱體

剖面編號W3-W3′測線布置在排水棱體頂部上方約80 cm處，該處剖面測線長度141.0 m，共布設了48個電極，電極間距3.0 m，電極點總層數15層，測點126個，探測最大深度為22.5 m，探測時庫水位為22.85 m。

3 探測結果分析與驗證

3.1 探測結果分析

本次測量使用溫納排列，該種陣列排列法的電極間距越小，其探測深度愈小，測量點數也就更多；反之，間距越大，探測深度愈深，點隨之變少。基于填土的電阻率與其自身富含水分的關系，當大壩存在滲漏，其滲漏位置的電阻率會出現明顯下降，且顯示為低阻異常區。此時，運用Res2 dinv 二維分析軟件對探測到剖面數據進行反演分析，便可取得每條測線上的電阻率剖面分布圖，如圖1～圖3所示。

圖1 壩頂位置物探剖面圖

從圖1壩頂探測剖面圖進行推測分析，剖面樁號0+055～0+105，高程為18.0～26.0 m段，出現較為明顯的低阻異常區A，主要位于壩中填土部位，且填土含水率較高，存在滲漏問題；剖面樁號0+105～0+145，高程為13.0～20.0 m段，也存在低阻異常區B，該區主要位于靠近壩基處填土，與低阻區A相連，填土含水率高，存在滲漏問題；剖面樁號0+190～0+215，高程為13.0～18.0 m段，也呈現了低阻異常區C，該區主要位于靠近壩基處填土，推測填土富含水分，極易出現滲漏問題。

從圖2背水部戧臺處探測剖面圖可以看出，剖面樁號0+048～0+103，高程為3.0～13.0 m范圍內，該剖面顯示較大區域的低阻異常區D，主要位于壩體下方壩基部位，該處壩基含有大量水分，存在滲漏的可能性較大；剖面樁號0+149～0+205，高程為3.0～13.0 m段，透過反演圖可以看到一處低阻異常區E，該區位于壩體下方壩基部位，壩基富含大量水分，可能存在滲漏問題。樁號0+050～0+103段和樁號0+175～0+245段淺表存在高阻區，層厚1.0～5.0 m不等，填土密實度極差。

圖2 背水坡馬道位置物探剖面圖

從圖3排水棱體物探成果可見，剖面樁號0+022～0+048，高程為4.0～11.0 m段，存在低阻異常區F，由于F區位于壩體下方壩基部位，土體含水率一般較高，為此，可能存在滲漏問題。在查看剖面樁號0+073～0+092，高程為7.0～11.0 m段范圍時，可以清楚看到一處與周圍土體不同的低阻異常區G，其主要位于壩體下方壩基部位，考慮到該處壩基富含水分，可能存在滲漏問題；樁號0+022～0+080段和樁號0+099～0+112段淺表存在高阻區，層厚1.0～2.0 m不等，且填土密實度極差。

圖3 排水棱體頂部上方位置物探剖面圖

從上述物探剖面結果可以看出，鎮海水庫一副壩壩體填土密實度較差，且填土含水率較高，推測可能存在兩條滲漏通道，壩頂滲漏范圍為樁號0+045～0+145和樁號0+190～0+215段，馬道滲漏范圍為樁號0+048～0+103和樁號0+149～0+205段。

3.2 鉆探試驗

為了驗證高密度電法物探結果的精準性，鎮海水庫安全鑒定還進行了現場鉆探試驗，本次在壩頂布置7個鉆孔，壩后背水坡處布置4個鉆孔，每個鉆孔必須鉆至壩基以下5～10 m，進入相對不透水層或強風化層應不少于3 m。經鉆探發現，鎮海水庫一副壩的壩體主要由粉砂巖殘積土填筑而成，為粉質黏土，局部夾雜強風化碎塊，欠壓實，較松散，遇水易崩解，密實度較差，中等透水性，且現場勘察期間，右壩段壩腳反濾體發現有清水流出，壩體存在滲漏問題；壩基現場鉆孔發現巖土層自上而下、由新到老為粉質黏土、角礫、粉砂、殘積土、全～弱風化粉砂巖；現場勘察期間，壩腳存在嚴重漏水現象，且壩后開挖土層也發現滲水情況。

現場注水試驗結果表明，壩體填筑土注水17段，計算滲透系數介于6.63×10-5～1.68×10-3cm/s之間，滲透系數平均值為5.30×10-4cm/s，大值平均值為8.69×10-4cm/s，小值平均值為2.90×10-4cm/s，滲漏量為1.627 L/s，滲透性等級屬中等透水(見表2)；壩基粉質黏土的滲透系數6.70×10-5cm/s，角礫的滲透系數6.71×10-2cm/s，粉砂的滲透系數3.92×10-3cm/s，全風化粉砂巖的滲透系數9.26×10-5cm/s，滲透性等級均屬于中等透水性；殘積土的滲透系數介于2.32×10-5～1.45×10-4cm/s，平均值為5.92×10-5cm/s，大值平均值為1.12×10-4cm/s，強風化粉砂巖的滲透系數介于1.10×10-5～1.46×10-4cm/s，平均值為6.65×10-5cm/s，大值平均值為1.22×10-4cm/s，兩者滲透性等級均屬于弱～中等透水性(見表3)。殘積土層和強風化層局部段滲透系數偏大，存在滲漏通道。