(1.莒南縣澇坡水利服務中心，山東 莒南 276628；2.莒南縣水利局，山東 莒南 276600)

滲漏是土石壩最常見的危害之一，準確地探明滲漏位置是進行土石壩除險加固、消除滲漏危害的前提。目前，土石壩滲漏探測的方法有多種，如電阻率法、電磁法和震動法，其中電阻率法是最直觀、最有效的滲漏探測方法[1-3]。樊炳森等[4]采用高密度電法對水庫進行滲漏探測，查明了該水庫中漏水點、溶洞及溶蝕發(fā)育帶位置。李文忠等[5]研究了測線布置、探針布置距離及探測參數對高密度電法探測結果的影響。涂丹等[6]介紹了高密度電法的探測原理，分析了降低高密度電法干擾因素的方法，并以實例分析了高密度電法在水庫大壩滲透探測應用中的可行性。賈海磊等[7]采用網格化的布線方式進行高密度電法探測，并根據視電阻率的數值以及等值線形態(tài)進行滲漏分析，并根據鉆探結果進行驗證。

高密度電法雖然目前在滲漏探測中應用廣泛，但由于存在明顯的體積效應使其探測精度降低，難以準確探明滲漏位置[8-9]。為消除高密度電法滲漏探測時存在的體積效應，準確探明土石壩滲漏位置，本文通過對壩體抽芯取樣土進行不同含水率的土體電阻率測量，建立了壩體填筑土電阻率與含水率的相關關系，并應用于高密度電法滲漏探測中。

1 工程概況

前河崖水庫位于沭河水系高榆河上游，水庫總庫容為11.04萬m3，興利庫容8.81萬m3，流域面積0.31km2，流域形狀為長方形，流域地勢四周高中間低，干流長度0.65km，分水嶺最高高程為249.9m。1971年10月，水庫開工，1972年12月竣工，完成了大壩、放水洞、溢洪道等主體工程施工。受當時經濟技術條件限制，工程建設標準低、質量差，雖經2009年應急除險加固，仍存在防洪能力低、工程質量差等安全問題。

大壩為東西走向，壩型為均質壩，現狀大壩全長172m，壩頂高程163.91～164.35m，壩頂寬4.5～5.0m，最大壩高12.6m。上游坡坡比1∶2.59～1∶2.71，下游坡坡比1∶2.04～1∶2.8。壩體高程163.45～163.63m以上巖性為礫石土，礫石土具中等透水性，不能作為防滲體。高程163.45～163.63m以下巖性為壤土，來源于第四系沖積物及少量的坡殘積物，鉆探巖芯完整，連續(xù)均勻，長柱狀，壤土的黏粒含量為23.1%～33.5%，塑性指數11.1～15.5，土料各項指標基本符合規(guī)范一般土防滲料質量指標技術要求。

壩前迎水坡表層為塊石護坡，小石子灌縫，護坡石巖性為砂巖、二長巖，個別砂巖塊石已風化破碎，護坡石大小、厚度基本符合規(guī)范技術要求，石縫之間雜草叢生，護坡石局部有隆起、沉陷，平整度、砌縫寬度不符合規(guī)范要求，護坡石砌筑質量一般。護坡石下為碎石墊層，碎石粒徑1～3cm，墊層厚度0.03～0.08m不等，局部無墊層，護坡石直接放置于壩體土上，碎石墊層與壩體土之間缺乏過渡層，不符合規(guī)范反濾層料質量指標技術要求，波浪淘刷，壩體土易被帶出。

壩后背水坡表層為自然草皮護坡，壩后背水坡表層設有條石砌筑橫向排水溝，砂漿勾縫、抹底，砂漿老化、剝落，排水溝多處出現斷折、坍塌、缺失，排水溝出口沖刷壩腳。壩后主河床段坡腳有亂石壓腳，無反濾排水體。

2 電阻率測試

取典型具有代表性的大壩鉆孔土樣置于烘箱內烘干，將烘干土樣碾碎攤平后按含水率5%、10%、15%、20%、30%、40%和50%進行配水，配水時采用噴壺分多次噴灑，噴灑同時不停攪拌土樣保證其混合均勻，待土樣充分混合均勻后置于密閉容器中靜置24h以保證水分均勻分散，24h后將土樣取出采用擊實設備將其擊實至壓實度0.95。并通過電阻率測試儀進行電阻率測試(見圖1)?？梢钥闯?，隨含水率逐漸增大，電阻率逐漸減小，且當含水率大于30%時，含水率對電阻率影響趨于不明顯，電阻率與含水率存在明顯的冪函數相關關系:

ρ=aω-b

(1)

式中ρ——土體電阻率；

ω——土體含水率；

a、b——關系常數。

圖1 土體電阻率與含水率關系曲線

3 高密度電法探測

3.1 探測原理

高密度電法探測原理見圖2，假定探測壩體為各向同性的半無限空間，電極A、B向壩體輸出強度為I的電流時，則在M和N電極處可接收到的電位值UM、UN可表示為[10-12]

(2)

(3)

式中 AM、BM——供電電極A、B與觀測電極M間的距離;

AN、BN——供電電極A、B與觀測電極N間的距離。

M、N間的電位差可表示為

(4)

電阻率ρ可表示為

(5)

圖2 高密度電法探測原理

3.2 探測方式

隨著高密度電法的快速發(fā)展，其探測方法已由最開始的α、β、γ三種演變?yōu)槟壳暗氖畮追N，最常用的方法有單極-單極、兩極、三極、對稱四極和溫納法等，其中溫納法由于其豎向探測精度高而被廣泛采用[13]。該次探測采用溫納裝置,電極排列方式見圖3，電極排列順序依次為A、M、N、B，電極間距AM、MN和NB均控制為2m，且四個測線均保持同步。

圖3 電極排列方式

采用EarthImager 2D進行視電阻率反演分析，分析方法為阻尼最小二乘法，最小二乘法可通過多次迭代、擬合使反演結果趨于真實情況，其表達式為

JTJ+λCTC)P=JTg

(6)

式中J——偏導矩陣;

JT——其轉置矩陣；

λ——拉格朗日乘數，本次反演取0.15；

C——光滑濾波矩陣；

P——參數校正矢量；

g——理論與實測比值參數值之差。

4 探測結果分析

將反演結果導入Surfer，繪制視電阻率等值線云圖(見圖4)。可以看出，壩體表面由于大氣降雨等環(huán)境因素影響導致其含水率偏高，使得表層土體出現各向異性的低阻異常，電阻率在100～200Ω·m，根據式(1)可推測其含水率在20%～28%；壩體6m以下存在局部低阻異常，電阻率在50～80Ω·m，壩體含水率偏高，通過對比浸潤線發(fā)現該處高程高于浸潤線高程，壩體可能在該處存在滲漏；壩體6m以上土體電阻率在210～600Ω·m，估算其含水率在10%～15%；左壩肩出現高阻異常，可能是由于探測部位接近左岸山體，該部分為巖土電阻率偏高。

圖4 高密度電法探測等值線云圖

5 結 語

通過室內試驗測試了含水率為5%、10%、15%、20%、30%、40%和50%的壩體填筑土土樣的電阻率，建立了壩體填筑土電阻率與含水率相關關系，并將其用于解譯高密度電法探測結果。主要結論如下：隨含水率逐漸增大，電阻率逐漸減小，且當含水率大于30%時，含水率對電阻率影響趨于不明顯，電阻率與含水率存在明顯的冪函數相關關系；壩體表面和6m深度以下均存在低阻異常，壩體表面低阻異常原因為大氣降雨等環(huán)境因素影響導致其含水率偏高，而6m深度以下壩體低阻異常原因為壩體滲漏；建立的壩體填筑土電阻率與含水率相關關系可定量分析壩體填筑土的含水率，明顯提高高密度電法解譯精度，更加準確地判斷土石壩滲漏情況。