儲(chǔ)高潮

（安徽省潛山縣紅旗水庫(kù)管理所 246300）

1 工程概況

某水庫(kù)是一座以蓄水灌溉為主，兼有防洪、城鎮(zhèn)供水、發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合利用的省重點(diǎn)中型水庫(kù)。壩址以上流域面積63km2，總庫(kù)容2480萬(wàn)m3，正常蓄水位92.0m，相應(yīng)興利庫(kù)容1475萬(wàn)m3。大壩為粘土反斜墻砂殼壩，壩頂長(zhǎng)460m，頂寬4m，壩頂高程100.8m，最大壩高45.6m。水庫(kù)自蓄水運(yùn)行以來(lái)，先后發(fā)生或發(fā)現(xiàn)大壩上游坡出現(xiàn)局部凹陷、下游壩坡多處漏水等問(wèn)題，嚴(yán)重影響大壩安全運(yùn)行，被列為病險(xiǎn)水庫(kù)進(jìn)行除險(xiǎn)加固。本次除險(xiǎn)加固采用沿壩軸線布設(shè)高壓擺噴防滲墻對(duì)大壩進(jìn)行加固，防滲墻穿過(guò)粘土心墻、壩體砂殼及原河床砂卵石層至基巖，最大孔深46.4m。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,采用三重管法，壩體心墻部分灌注水泥粘土漿，壩體其他部分及壩基灌注純水泥漿，高噴灌漿孔分三序施工。

施工中采用以下工藝參數(shù):?高壓水:壓力35～40MPa，流量70～80L/min；?空氣:壓力0.7MPa，流量1.0m3/min；?漿液:壓力 0.5～1.0MPa，流量 80-85L/min；?噴射管提升速度:心墻及壩殼砂層8cm/min，基巖及原河床砂卵石6cm/min；?噴射管擺動(dòng)速度:14次/min；?噴射管擺動(dòng)角度:30°；?進(jìn)漿密度：1.6～1.7g/cm3；?回漿密度 1.25～1.3g/cm3；?孔距：1.2m。

2 檢測(cè)儀器及原理

本次無(wú)損檢測(cè)利用探地雷達(dá)、瞬變電磁儀和大地電導(dǎo)率儀對(duì)水庫(kù)大壩高噴防滲墻進(jìn)行綜合檢測(cè)。下面介紹儀器的工作原理。

2.1 瞬變電磁儀

瞬變電磁儀GDP—32II由發(fā)射機(jī)、發(fā)射線圈、接收線圈、接收機(jī)和微機(jī)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)成（圖1）。

圖1 瞬變電磁儀探測(cè)原理圖

其探測(cè)機(jī)理是：由于地層具有不同的電導(dǎo)率（電阻率），因而對(duì)一次磁場(chǎng)變化產(chǎn)生渦流強(qiáng)度的不同，探測(cè)出地質(zhì)異常的存在，并確定其位置。按照水平位置分辨率的要求將線圈依次由一個(gè)測(cè)站移到下二個(gè)測(cè)站探測(cè)。如此重復(fù)，直至完成一條測(cè)線上全部測(cè)站的探測(cè)。將此探測(cè)結(jié)果由計(jì)算機(jī)繪制在二、三維圖像或剖面圖像上，就能獲得該測(cè)線的地層垂直剖面內(nèi)電導(dǎo)率分布圖，由此判斷出異常區(qū)的電磁特性差異、形狀大小、水平位置和深度。對(duì)于一個(gè)均勻半空間，電磁場(chǎng)的傳播過(guò)程可以看作是一層一層往下傳播的。與此同時(shí)，電磁場(chǎng)的水平范圍也在不斷擴(kuò)大。這一過(guò)程類(lèi)似于“煙圈”效應(yīng)。

首先，考慮一個(gè)分層半空間模型。當(dāng)發(fā)射線圈電流關(guān)斷時(shí)，最初感應(yīng)電流集中在地表面，其值正比于地面地層的電導(dǎo)率，這是初始階段。在電磁波往深層傳播時(shí)，接收線圈的感應(yīng)電流正比于t-5/2和ρ-3/2（t為時(shí)間；ρ為地層的電阻率），此階段稱(chēng)為后期。地層視在電阻率的計(jì)算公式如下：

式中 μ——導(dǎo)磁率；

r——發(fā)射線圈半徑；

Mr——接收矩（圈數(shù)×每圈面積）；

I——發(fā)射線圈的電流強(qiáng)度；

t——電流關(guān)斷時(shí)間；

V——接收線圈上的感應(yīng)電壓。

實(shí)際上，發(fā)射線圈常使用矩形線圈。而計(jì)算時(shí)，以等面積圓線圈計(jì)算。采用地球物理電磁法勘探儀器進(jìn)行地下排灌系統(tǒng)或堤壩隱患探測(cè)前應(yīng)進(jìn)行儀器率定。

2.2 EM34—3型大地電導(dǎo)率儀

圖2 EM34—3型大地電導(dǎo)率儀探測(cè)原理圖

該儀器由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、發(fā)射線圈和接收線圈組成，可探測(cè)7.5m、15m、30m和60m四種測(cè)深大地的視在電導(dǎo)率值。頻率域電磁儀與時(shí)間域電磁儀的區(qū)別在于前者發(fā)射連續(xù)波，改變頻率可探測(cè)不同深度：高頻信號(hào)探測(cè)淺地層，低頻信號(hào)探測(cè)深地層。而后者發(fā)射脈沖波，利用不同時(shí)間采樣信號(hào)探測(cè)不同深度地層。圖2為EM34—3型大地電導(dǎo)率儀的探測(cè)原理圖。發(fā)射線圈Tx放在地面上，由交流音頻電流激發(fā)。接收線圈Rx放在距發(fā)射線圈距離為s處。發(fā)射線圈內(nèi)的交流電流產(chǎn)生的隨時(shí)間變化的一次磁場(chǎng)Hp在地層內(nèi)感應(yīng)很小的電流。該感應(yīng)電流衰變時(shí)產(chǎn)生二次磁場(chǎng)Hs。Hp和Hs均被接收線圈接收。一般說(shuō)來(lái)，二次磁場(chǎng)Hs是兩線圈間距s、工作頻率f和大地電導(dǎo)率σ的復(fù)雜函數(shù)。然而，在低感應(yīng)數(shù)工作條件下，二次磁場(chǎng)是這些變量的簡(jiǎn)單函數(shù)：

式中Hs——接收線圈處的二次磁場(chǎng)；Hp——接收線圈處的一次磁場(chǎng)；ω=2πf，f為工作頻率；

μ0——自由空間的導(dǎo)磁率；

σ——大地電導(dǎo)率；

s——發(fā)射線圈與接收線圈的間距。由式（2）可知：二次磁場(chǎng)與一次磁場(chǎng)的比值正比于大地電導(dǎo)率。儀器測(cè)得Hs/Hp就可由式（2）計(jì)算出大地視在電導(dǎo)率δa：電導(dǎo)率的SI單位為S/m或mS/m（西門(mén)子/米或毫西門(mén)子/米）。系統(tǒng)對(duì)于大地有兩種激發(fā)方式：垂直（電）激發(fā)或水平（磁）激發(fā)。無(wú)論采用哪種激發(fā)方式，發(fā)射線圈和接收線圈均應(yīng)保持在同一平面內(nèi)。由于趨膚效應(yīng)，探測(cè)深層采用低頻信號(hào)；探測(cè)淺層采用高頻信號(hào)。探測(cè)深度與激發(fā)方式和線圈間距之間的關(guān)系及對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)工作頻率列于下表。

探測(cè)深度與激發(fā)方式和線圈間距之間的關(guān)系表

2.3 大功率探地雷達(dá)（低頻雷達(dá)）

其基本原理是應(yīng)用電磁波響應(yīng)技術(shù)，由發(fā)射天線向地下發(fā)射一個(gè)電磁波，該電磁波在地下介質(zhì)中傳播，當(dāng)遇到與地下介質(zhì)的介電特性不同的目標(biāo)物（如不同介質(zhì)分界面或地下異常體）時(shí)，該電磁波的一部分信號(hào)被反射回來(lái)，到達(dá)地面后被接收天線接收，在屏幕上形成一個(gè)類(lèi)似于地震記錄信號(hào)的圖像。根據(jù)記錄的圖像來(lái)分析判別地下隱患，如滲流通道、空洞、松散區(qū)等。普通探地雷達(dá)發(fā)射電壓只有750～1000V，發(fā)射功率較小，粘土中檢測(cè)深度淺。一般在含水粘土中，50MHz天線測(cè)深不超過(guò)10m。為提高檢測(cè)深度，我們特向加拿大雷達(dá)廠家定制一臺(tái)發(fā)射電壓為5000V的發(fā)射機(jī)，檢測(cè)深度大大增加。它適用于檢測(cè)堤壩的浸潤(rùn)線、含水量及砂土滲漏特性以及防滲墻的質(zhì)量檢測(cè)。檢測(cè)深度可達(dá)50m。

3 檢測(cè)方法及測(cè)線布置

探地雷達(dá)由主機(jī)和發(fā)射、接收天線組成（見(jiàn)圖3）。

利用探地雷達(dá)、瞬變電磁儀和大地電導(dǎo)率儀對(duì)水庫(kù)大壩高噴防滲墻進(jìn)行了綜合檢測(cè)。探地雷達(dá)用于檢測(cè)防滲墻的連續(xù)性；瞬變電磁儀用于檢測(cè)防滲墻的防滲效果，大地電導(dǎo)率儀檢測(cè)數(shù)據(jù)與瞬變電磁儀的檢測(cè)結(jié)果相互校核。

探地雷達(dá)沿防滲墻軸線上從樁號(hào)左165～右265共檢測(cè)了四條測(cè)線 （50MHz 1000V、50MHz 5000V、100MHz 1000V、100MHz 5000V），測(cè)線長(zhǎng)430m，測(cè)點(diǎn)間距0.5m。瞬變電磁儀沿防滲墻軸線上從左162～右267檢測(cè)了一條測(cè)線，在壩后馬道檢測(cè)了一條測(cè)線。大地電導(dǎo)率儀在軸線上從左165～右265共檢測(cè)了三條測(cè)線（15m測(cè)深、30m測(cè)深、60m測(cè)深）。

4 檢測(cè)結(jié)果

從探地雷達(dá)的剖面圖（見(jiàn)圖4）上分析，未見(jiàn)防滲墻存在明顯的不連續(xù)區(qū)。

從瞬變電磁儀的檢測(cè)結(jié)果剖面圖（見(jiàn)圖5）分析，大壩整體電阻率比較均勻。從壩頂測(cè)線剖面圖上看出有幾個(gè)電阻率較低點(diǎn)；從馬道測(cè)線剖面圖分析，電阻率比較均勻。因此，可以判斷壩體不存在滲流通道。異常點(diǎn)A、B、C、D是由早期壩體施工時(shí)填料不均勻或含水量不同

引起。基礎(chǔ)內(nèi)異常點(diǎn)E、F、G是由于基巖內(nèi)存在破碎帶等缺陷所致；異常點(diǎn)E、F、G埋深較深，是深層含水區(qū)。

圖3 探地雷達(dá)的組成及探測(cè)機(jī)理

圖4 探地雷達(dá)的檢測(cè)結(jié)果

圖5 瞬變電磁儀GDP—32Ⅱ的檢測(cè)結(jié)果

從大地電導(dǎo)率儀的測(cè)試結(jié)果（圖6）分析，大大壩整體電導(dǎo)率變化不大。

圖6 大地電導(dǎo)率儀EM34—3探測(cè)結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用大功率探地雷達(dá)、瞬變電磁儀GDP—32II和大地電導(dǎo)率儀EM34—3對(duì)水庫(kù)大壩高噴防滲墻進(jìn)行綜合檢測(cè)。探測(cè)結(jié)果表明：水庫(kù)大壩高噴防滲墻整體無(wú)明顯的隱患，總體質(zhì)量較好。壩體不存在滲流通道。