秦繼輝，吳云星，谷艷昌

(1.天津市引灤工程于橋水庫管理處，天津 301900；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；3.水利部大壩安全管理中心，江蘇 南京 210029)

1 工程滲漏及其加固情況

于橋水庫位于天津薊縣，總庫容15.59×108m3，工程等別為Ⅰ等。水庫正常蓄水位21.16 m，設(shè)計(jì)洪水位24.60 m，校核洪水位25.62 m，PMP校核洪水位27.72 m。樞紐包括大壩、放水洞、溢洪道和發(fā)電站等。大壩為均質(zhì)土壩，壩頂長2 222.00 m，壩頂寬6.00 m，最大壩高24.00 m，壩頂高程28.70 m。放水洞位于大壩南端壩體內(nèi)(樁號0+356)，截面尺寸為5.90 m×6.00 m，洞身長55.00 m。大壩0+000～0+760樁號為重碾壓壩段，0+760～0+900樁號為輕碾壓壩段，0+900～1+500樁號為水中倒土壩段，1+500～1+800樁號為輕碾壓壩段，1+800～1+935樁號為重碾壓壩段。

大壩建成運(yùn)行后，出現(xiàn)了壩肩滲漏、下游壩坡與壩腳滲水、下游坡滲流壓力過高、壩基測壓管水位超過地面、壩后出現(xiàn)沼澤化與冒水翻砂等問題。為此，自1976年至今，先后進(jìn)行了3次除險(xiǎn)加固工程。1976～1983年對壩基實(shí)施了第一次除險(xiǎn)加固工程：0+500～0+700壩段帷幕灌漿，0+700～0+830壩段砼防滲墻，0+830～1+930壩段接觸灌漿，1+280～1+850壩址下游新建減壓溝，0+700～0+920段分3層臺階壓重。1995年～1996年再次對壩基進(jìn)行了加固：1+250～1+750壩基透水層內(nèi)進(jìn)行高噴防滲墻，0+970～1+283和1+700～1+800采用壓重及貼坡反濾。由于前兩次加固效果不明顯，2000年～2003年水庫進(jìn)行了第三次除險(xiǎn)加固，主要有以下加固內(nèi)容：0+830～1+250混凝土防滲墻，1+400～1+500高噴防滲墻，1+750～1+870高壓噴射灌漿，0+000～0+250和1+250～1+400壩段帷幕灌漿。

水庫雖然進(jìn)行了多次加固，但仍未形成封閉的防滲體系。由運(yùn)行和觀測資料發(fā)現(xiàn)，當(dāng)庫水位達(dá)到18.00 m時(shí)，1+600斷面下游壩腳附近出現(xiàn)明顯滲水，1+130斷面也有類似情況。另外，0+356斷面(放水洞)處存在接觸滲流隱患。為此，采用高密度電法對于橋水庫大壩進(jìn)行滲漏隱患探測，對探測結(jié)果進(jìn)行分析，找出大壩低電阻率相對集中區(qū)域，并結(jié)合大壩滲流觀測資料，佐證大壩滲流異常的原因，同時(shí)為水庫后期安全評價(jià)、除險(xiǎn)加固提供依據(jù)。

2 高密度電法原理及設(shè)備

2.1 基本原理

高密度電法又稱高密度電阻率法(electrical resistivity imaging，簡稱ERI)，是以巖土體電性差異為基礎(chǔ)的一種電探方法，是電阻率剖面法和測深法的結(jié)合[1]。

(1)

圖1 高密度電法原理圖

由于地層介質(zhì)的電阻率與巖土性質(zhì)、含水性等因素有關(guān)，因此大壩滲漏異常處，土體含水量大，導(dǎo)電性強(qiáng)，在用高密度電法進(jìn)行探測時(shí)，其測得的視電阻率相應(yīng)就小[2]。因此，根據(jù)實(shí)測的視電阻率剖面，便可直觀地劃分地層，并把視電阻率相對較小的位置視為潛在滲流隱患區(qū)域。

高密度電法與傳統(tǒng)的地質(zhì)鉆探法相比，無需開挖壩體，且成本低、效率高，能夠揭示大壩內(nèi)部滲流信息[3]。同時(shí)，相比于常規(guī)電法，高密度電法電極布設(shè)一次性完成，能進(jìn)行多種電極排列方式的測量，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集，其效率高、精度高，探測能力提高明顯。

2.2 探測設(shè)備

高密度電法在實(shí)際工作時(shí)，將許多電極按一定極距排列，通過電纜、開關(guān)控制箱同測量儀器相連。測量時(shí)，測量儀器通過指令控制開關(guān)控制箱，并以一定的排列順序?qū)㈦姌O轉(zhuǎn)換成供電電極或測量電極，其工作方式見圖2[4]。

于橋水庫大壩滲漏隱患探測采用日本OYO公司(應(yīng)用地質(zhì)株式會社)生產(chǎn)的McOHM Profiler 4多道數(shù)字電阻率測量儀。該儀器有32個(gè)電極轉(zhuǎn)換功能，帶有高分辨率24位delta sigma A/D轉(zhuǎn)換器的四通道接收電路，用于技術(shù)支持的基于PC的控制器，最大輸出為400 V(峰流量800 V、120 mA)[5]。能顯示電流波形、四通道電位波形和衰減曲線，所以能有效地控制數(shù)據(jù)的質(zhì)量，該儀器見圖3。

圖2 高密度電法工作方式示意圖

圖3 McOHM Profiler 4多道數(shù)字電阻率測量儀

3 滲漏探測與結(jié)果分析

3.1 測線布置

于橋水庫大壩高密度電法滲漏隱患探測布置，采用電極間距由疏到密、局部加密、探測范圍適度擴(kuò)大的原則。每次探測布置32個(gè)電極，探測縱斷面長度為“31×電極間距”。為了解大壩滲流性態(tài)，高密度電法探測布置如下：

(1)0+311～0+404樁號段

放水洞所在位置為樁號0+356，以該斷面為中心，左右兩側(cè)各布置16個(gè)電極，電極間距3.00m。探測范圍為0+311～0+404，測線位于壩軸線+6.50 m、高程27.50 m的壩坡上。探測分兩次進(jìn)行，實(shí)際探測深度分別為26.00 m和52.00 m。探測時(shí)庫水位為19.30 m。

(2)1+083～1+176樁號段

1+130斷面滲流監(jiān)測結(jié)果表明該斷面的滲流壓力較高。以該斷面為中心，左右兩側(cè)各布置16個(gè)電極，電極間距3.00 m，探測縱斷面范圍為1+083～1+176。探測分兩次進(jìn)行，實(shí)際探測深度分別為26.00 m和52.00 m。探測時(shí)庫水位為19.30 m。

(3)1+572～1+655樁號段

在右壩段1+605下游坡腳存在滲水，為此，以該斷面為中心從上游到下游依次布置4個(gè)探測縱剖面。每個(gè)縱剖面左右兩側(cè)各布置16個(gè)電極，電極間距為3.00 m，探測范圍為1+572～1+655。四個(gè)縱剖面距壩軸線依次為-10.00 m、+6.50 m、+28.00 m、+41.50 m，高程依次為26.70 m、27.50 m、22.50 m、20.80 m，每個(gè)縱剖面探測1次，共計(jì)4次，探測深度均為26.00 m。探測時(shí)庫水位為19.30 m。

3.2 探測結(jié)果分析

首先對高密度電法探測成果進(jìn)行人工辨識刪除異常值，然后采用Res2dinv快速二維電阻率反演軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，獲得視電阻率二維色譜圖。色譜圖中橫坐標(biāo)為樁號，縱坐標(biāo)為測深，電阻率單位為Ω·m。

3.2.1 0+311～0+404樁號段

放水洞附近探測數(shù)據(jù)經(jīng)反演得到的視電阻率圖譜見圖4。

圖4 放水洞附近視電阻率分布圖

放水洞在圖中的位置為42.00～47.00 m(即0+353～0+358之間)，埋設(shè)深度在13.00～18.00 m之間。

根據(jù)高密度電法探測原理，土體含水量高、導(dǎo)電性強(qiáng)，其視電阻率相應(yīng)就小。由上圖可知，放水洞位置處的視電阻率較高，而兩側(cè)分別存在低視電阻率分布區(qū)域(見圖中黑色虛線所圍區(qū)域)，深度為7.00～12.00 m，表明放水洞兩側(cè)透水性較強(qiáng)，存在滲漏區(qū)。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證放水洞周圍存在滲漏區(qū)，對放水洞附近0+360斷面軸距為+6.00 m處的滲壓計(jì)監(jiān)測資料進(jìn)行分析。壩體滲壓計(jì)B0360BA測值過程線表明(見圖5)，其測值穩(wěn)定在15.50 m上下(深度位置為12.00 m)，并呈現(xiàn)逐年上升趨勢，測值最高達(dá)17.50 m(深度位置為10.00 m)，說明該斷面周邊壩體透水性增強(qiáng)，有可能是放水管滲漏或接觸滲漏造成。另外，壩基滲壓計(jì)B0360BB與庫水位相關(guān)性較強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)為0.81。

表1 0+360斷面滲壓計(jì)考證信息表

由以上分析可知，高密度電法探測的低視電阻率區(qū)域與滲流資料分析結(jié)果基本一致；而放水洞兩側(cè)滲流異?；蚍潘礉B漏導(dǎo)致壩體出現(xiàn)滲流飽和區(qū)，致使出現(xiàn)低視電阻率區(qū)域。

3.2.21+083～1+176樁號段

根據(jù)探測數(shù)據(jù)經(jīng)反演得到的1+083～1+176樁號段視電阻率圖譜見圖6。

圖5 0+360樁號斷面滲壓過程線圖

圖6 1+130斷面附近視電阻率分布圖

圖6顯示了1+130斷面左右兩側(cè)均存在明顯的呈帶狀分布的低阻區(qū)，推測土體含水率較高。

1+130斷面滲壓計(jì)考證信息見表3，壩體滲流壓力過程線見圖7。由圖7可知該斷面測點(diǎn)滲流壓力均較大，其中B1130EA、B1130AA、B1130BA三測點(diǎn)測值接近庫水位，一般保持在17.40～19.30 m(深度位置為8.20～10.10 m)之間。

表2 1+130斷面滲壓計(jì)考證信息

圖7 1+130斷面壩體滲流壓力過程線圖

由以上分析可知，高密度電法探測結(jié)果與資料分析結(jié)果基本一致。由于1+130斷面處于水中倒土壩段，該斷面左右兩側(cè)出現(xiàn)帶狀低阻區(qū)可能與該壩段壩體填筑材料有關(guān)。

3.2.3 1+572～1+665樁號段

1+572～1+665樁號段4個(gè)縱剖面探測數(shù)據(jù)經(jīng)反演得到的視電阻率圖譜見圖8～11。

由圖8～11可知，在圖中33.00～39.00 m處(即1+605～1+611之間)，四個(gè)縱剖面均存在一集中低電阻率區(qū)域，從上游到下游距壩面的深度范圍依次為4.00～12.00 m、4.00～12.00 m、2.00～12.00 m、3.00～13.00 m，對應(yīng)的高程依次為14.70～22.70 m、15.50～23.50 m、10.50～20.50 m、7.80～17.80 m。

取臨近斷面1+650壩體滲流壓力監(jiān)測資料進(jìn)行分析，該斷面滲壓計(jì)考證信息見表3，滲流壓力過程線見圖12。由圖可知，滲壓計(jì)B1650EA水頭測值較大，接近庫水位，滲壓計(jì)B1650AA與B1650BA水位測值保持在16.30 m上下，滲壓計(jì)B1650CA水位測值保持在15.50 m左右。由此可見，該壩段的滲壓計(jì)水位較高，且隨庫水位的變化作同步變化，與庫水位的相關(guān)性顯著。

圖8 軸距為-10.00 m電阻率分布圖

圖9 軸距為6.50 m電阻率分布圖

圖10 軸距為28.00 m電阻率分布圖

圖11 軸距為41.50 m電阻率分布圖

圖12 1+650斷面壩體滲流壓力過程線圖

測點(diǎn)編號樁號軸距/m埋設(shè)高程/m孔口/孔底高程/m相關(guān)系數(shù)B1650EA1+650-18.5015.2424.41/-12.700.95B1650AA1+650-12.0014.4124.80/-13.800.91B1650BA1+6506.0014.7727.06/-5.040.87B1650CA1+65040.0014.7119.37/-2.630.94

綜合隱患探測和滲流監(jiān)測資料分析成果，認(rèn)為壩體在1+600斷面附近存在貫通上下游的低電阻率區(qū)，由于該斷面恰好位于右岸輕碾壓壩段，可能是土體滲透性強(qiáng)所致。

4 結(jié) 語

文中將高密度電法應(yīng)用在于橋水庫大壩滲漏隱患探測中，獲得了大壩視電阻率分布情況，查明了大壩滲漏區(qū)域。綜合探測斷面的電阻率云圖以及滲流觀測資料分析成果，本次高密度電法探測較好地揭示了壩體各斷面滲流情況，驗(yàn)證了高密度電法在大壩滲漏隱患探測中的可行性和可靠性。

高密度電法運(yùn)用方便、無需開挖壩體，且成果可信，未來在水庫大壩應(yīng)急監(jiān)測和檢測方面，如何充分發(fā)揮高密度電法的作用及提高探測效果，還需進(jìn)一步探索研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 嚴(yán)加永，孟貴祥，呂慶田，等.高密度電法的進(jìn)展與展望[J].物探與化探，2012，34(6)：576～583.

[2] 谷艷昌，王宏巍，王宏，等.高密度電法儀在潰壩試驗(yàn)中的應(yīng)用研究[J].水利水電技術(shù)，2015，46(3)：94～96.

[3] 楊陽，徐海峰，李卓，等.霍林河水庫滲漏檢測與防滲效果分析[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015，37(3)：11～14.

[4] 鄧超文，周孝宇.高密度電法的原理及工程應(yīng)用[J].西部探礦工程，2006(s)：278 ～279.