賈慧濤，劉 楊，盛 勇，蔡向陽(yáng)

(安徽省地球物理地球化學(xué)勘查技術(shù)院，安徽 合肥 230022)

0 引 言

至20世紀(jì)80年代，我國(guó)建設(shè)的土石壩已高達(dá)9萬(wàn)座，受限于當(dāng)時(shí)的施工條件和工程技術(shù)手段，部分壩體質(zhì)量堪憂。因長(zhǎng)期使用又疏于修整，不少水壩存在安全隱患，有些出現(xiàn)了滲漏現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)管涌、流土、滑坡等嚴(yán)重問題，影響水電站的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，危害周圍群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，定期對(duì)使用中的大壩進(jìn)行檢測(cè)，尤其是對(duì)出現(xiàn)滲漏跡象的大壩進(jìn)行無損檢測(cè)非常必要(程建設(shè)等，2017)。常規(guī)物探手段因大壩的環(huán)境制約，難以達(dá)到理想的應(yīng)用效果(劉云禎等，1996；張建清等，2018)。微動(dòng)勘探技術(shù)無需人工源，不受電磁干擾，無需破壞施工現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)因不密實(shí)(滲漏)引起的低速異常靈敏，適用于水庫(kù)大壩探測(cè)施工(陳興海等，2014)。

微動(dòng)是地球表面隨時(shí)隨地都存在的微弱震動(dòng)，Toks?z等(1968)認(rèn)為其信號(hào)源主要分為2類：①由自然運(yùn)動(dòng)引起的頻率<1 Hz的長(zhǎng)波微動(dòng)，常用于深部目標(biāo)探測(cè)；②由人類活動(dòng)產(chǎn)生的頻率>1 Hz的常時(shí)微動(dòng)，常用于淺部精細(xì)結(jié)構(gòu)調(diào)查。基于Tokimatsu等(1992)對(duì)淺層S波速度結(jié)構(gòu)的研究，在保持其高精度勘探效果的同時(shí)拓展其勘探深度和應(yīng)用范圍而研發(fā)的MicroSWP微動(dòng)處理軟件(安徽省地球物理地球化學(xué)勘查技術(shù)院)，利用頻率-波數(shù)譜法的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)不同勘探需求及場(chǎng)地靈活設(shè)計(jì)觀測(cè)臺(tái)陣，在地?zé)豳Y源勘探、大壩滲漏檢測(cè)、地下采空區(qū)探測(cè)、城市地質(zhì)調(diào)查等領(lǐng)域均取得了理想效果(盛勇等，2019；賈慧濤等，2020)。

對(duì)江蘇句容一處已滲漏的水庫(kù)大壩進(jìn)行微動(dòng)勘探施工，尋找滲漏點(diǎn)位置并進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證，檢驗(yàn)微動(dòng)勘探技術(shù)在水庫(kù)大壩滲漏檢測(cè)中的應(yīng)用效果。

1 微動(dòng)勘探理論

微動(dòng)勘探技術(shù)利用面波的頻散特性，從微動(dòng)信號(hào)中求取面波頻散，對(duì)頻散曲線進(jìn)行反演得到地下不同深度對(duì)應(yīng)的視剪切波速度，從而區(qū)分地層及構(gòu)造(冉偉彥等，1994；何正勤等，2007)。

高分辨率頻率-波數(shù)譜：

(1)

式(1)中，(xi,yi)、(xj,yj)分別為第i、j個(gè)拾震器的坐標(biāo)，(kx,ky)為波數(shù)k在x、y方向的分量。

(2)

式(2)中，Qij(f,k)為矩陣exp[i(kx(xi-xj)+ky(yi-yj))]·Sij(f)的逆矩陣。

找到每一個(gè)頻率f在二維波數(shù)kx-ky平面上的高分辨率頻率-波數(shù)譜的極大值點(diǎn)位置，求得對(duì)應(yīng)的波數(shù)k，即可得到對(duì)應(yīng)頻率的相速度vR(f)。

采用經(jīng)驗(yàn)公式(Xu et al.,2012)：

(3)

對(duì)面波頻散曲線進(jìn)行處理，得到視剪切波速度vx與頻率的關(guān)系，進(jìn)而計(jì)算得到vx隨深度的變化曲線(vx-H曲線)。再對(duì)剖面上各個(gè)測(cè)點(diǎn)的vx-H曲線插值處理，得到視剪切波速度-深度剖面圖，可直觀推斷測(cè)點(diǎn)地下各層的橫波速度結(jié)構(gòu)以及層厚度等地層信息。

2 大壩滲漏檢測(cè)微動(dòng)勘探實(shí)例

2.1 研究區(qū)概況

該滲漏壩體興建于1998年，壩頂高程為68.8 m、長(zhǎng)度為100 m，壩高最大值為11.5 m。上游水庫(kù)容水量為11.5萬(wàn)m3，汛限水位66.5 m，集水面積約為0.22 km2，水庫(kù)主要功能為調(diào)蓄洪水、引水灌溉、防洪抗旱等。該水庫(kù)堤壩已發(fā)生滑坡，壩體下側(cè)可見到管涌點(diǎn)和浸潤(rùn)區(qū)，上側(cè)可見凹陷點(diǎn)。大壩水位線距壩頂2.6 m，水深在2 m以上。大壩自左向右23 m處有一涵閘，30 m處有一涵洞，處于水位線上(圖1)。

圖1 大壩滲漏檢測(cè)微動(dòng)剖面位置示意圖1-鉆孔及編號(hào)；2-微動(dòng)測(cè)錢及測(cè)點(diǎn)編號(hào)；3-自然電位剖面；4-高密度電法剖面Fig. 1 Microtremor profile location for dam leakage detection

2.2 微動(dòng)數(shù)據(jù)采集儀器

使用由寬頻單分量拾震器和MicroGS微動(dòng)數(shù)據(jù)采集器構(gòu)成的高精度微動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，儀器參數(shù)指標(biāo)見表1。

表1 微動(dòng)數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)Table 1 System parameters for the microtremor observation equipment

2.3 野外數(shù)據(jù)采集

因大壩場(chǎng)地所限，采用直線型臺(tái)陣布設(shè)方式進(jìn)行測(cè)量。大壩頂部迎水一側(cè)和背水一側(cè)各布置1條測(cè)線W1、W2，測(cè)線長(zhǎng)120 m，探測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距1 m。每條采樣頻率1 000 Hz，觀測(cè)時(shí)間為20 min。以20為間隔，僅標(biāo)出部分點(diǎn)位和點(diǎn)號(hào)(圖1)。觀測(cè)臺(tái)陣包含測(cè)線方向上5個(gè)相鄰觀測(cè)點(diǎn)，中心點(diǎn)為探測(cè)點(diǎn)位置，每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)1套采集系統(tǒng)(圖2)。

圖2 微動(dòng)勘探線性點(diǎn)陣觀測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Detection system of the linear array by microtremor observation

2.4 微動(dòng)數(shù)據(jù)處理

采用MicroSWP微動(dòng)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，主要處理步驟包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、濾波、面波頻散提取、視剪切波速度結(jié)構(gòu)計(jì)算、生成視剪切波速度-深度剖面圖，對(duì)探測(cè)點(diǎn)地下介質(zhì)進(jìn)行分層及構(gòu)造識(shí)別。該軟件界面友好、操作簡(jiǎn)便，在地?zé)峥碧?、采空區(qū)探測(cè)、城市地質(zhì)調(diào)查等深部和淺部勘探應(yīng)用中均取得了良好的勘查效果。以W1線30號(hào)點(diǎn)為例說明單點(diǎn)數(shù)據(jù)處理流程(圖3)。

圖3 W1線30號(hào)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理流程Fig.3 Processing flow of microtremor data at survey Point 30,Line W1(a)synchronization time signals;(b)dispersion curve;(c)apparent shear wave velocity structure

2.5 成果資料解釋

圖4所示為壩頂迎水面(圖4a)和背水面(圖4b)的微動(dòng)視S波速度-深度剖面。視S波速度的變化反映了地下介質(zhì)的變化，可能引起速度變化的因素包括介質(zhì)的巖性、孔隙度、含水量、松散程度等，結(jié)合鉆孔巖性特征劃分剖面圖中視S波速度變化范圍(表2)，并據(jù)此將大壩結(jié)構(gòu)分為3層。

表2 大壩滲漏通道推斷及鉆孔驗(yàn)證結(jié)果Table 2 Deduced leakage passages and the related borehole verification

(1)深度0～2.6 m之間推測(cè)為未浸水的素填土層，視S波速度范圍約為140～200 m/s，與大壩水位線位置吻合。迎水面壩體長(zhǎng)期浸水沖蝕，介質(zhì)較稀疏，界面較松散；背水面壩體浸蝕程度較低，界面更清晰。

(2)深度-2.6～-12.0 m之間有一“U”形速度界面，界面以上推測(cè)為浸水的素填土層，視S波速度范圍約為200～400 m/s，該層中的低速異常區(qū)域推測(cè)為主要滲漏位置；界面以下推測(cè)為壩底基巖層，該層較密實(shí)，視S波速度范圍約為500～1 000 m/s。

通過迎水面和背水面的微動(dòng)異常對(duì)比，可從壩體素填土部分圈出4處明顯的低速異常組合(圖4)：① Y1異常組合，包括Y11與Y21，已知此處為排水涵洞；② Y2異常組合，包括Y12與Y22，推測(cè)該異常組合為一處滲漏通道Ⅰ；③ Y3異常組合，包括Y13與Y23，推測(cè)該異常組合為一處較大滲漏通道Ⅱ；④ Y4異常組合，包括Y14與Y24，推測(cè)為滲漏通道Ⅲ。

鉆探驗(yàn)證(圖5)所示，鉆孔ZK1速度結(jié)構(gòu)中7～8 m位置的低速異常(Y11右側(cè)異常)推測(cè)為受排水涵洞影響，滲水導(dǎo)致周圍風(fēng)化角礫巖局部破碎引起；鉆孔ZK2速度結(jié)構(gòu)中7.0 m位置的低速異常(Y12異常)經(jīng)驗(yàn)證是由滲漏引起。根據(jù)鉆孔巖性資料在微動(dòng)剖面圖上對(duì)主要層位進(jìn)行標(biāo)定，勾畫出各巖層頂、底界面位置(圖4中黑色折線)，發(fā)現(xiàn)與微動(dòng)速度分層界面位置基本一致。經(jīng)鉆孔驗(yàn)證，Y12和Y13均出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，與微動(dòng)推斷成果吻合。結(jié)合鉆探資料推斷，Y14處異常組合是由右側(cè)邊坡雨水等水沿壩體與基巖之前的強(qiáng)風(fēng)化、全風(fēng)化層滲入壩體長(zhǎng)期浸潤(rùn)軟化所致，屬滲漏危險(xiǎn)區(qū)，重點(diǎn)防治監(jiān)測(cè)。

圖5 鉆孔巖性與速度結(jié)構(gòu)對(duì)比圖Fig.5 Comparison between borehole lithology with velocity structure

表3為推斷的3處滲漏通道位置的鉆探驗(yàn)證結(jié)果。① 鉆孔驗(yàn)證通道Ⅰ處在7.0 m位置有滲漏，圖4顯示此處迎水面異常在5～7.0 m之間，表現(xiàn)為多個(gè)小異常，多個(gè)小滲水通道或裂隙在較低的背水面匯聚，導(dǎo)致背水面介質(zhì)流失，并在7～10 m之間形成明顯的滲漏通道，因?yàn)榇颂幱鎵误w的完整性好于背水面，所以微動(dòng)剖面上迎水面的波速也大于背水面。② 鉆孔驗(yàn)證通道Ⅱ處在8.4 m處開始漏水，迎水面異常范圍主要在5～8 m、12～14 m兩處，背水面異常在5～9 m范圍，可見迎水面的第一處異常與背水面的異常形成了滲漏通道，迎水面第二處異?？赡軙?huì)與背水面9.3 m～12 m處異常連通形成新的滲漏通道。③ 通道Ⅲ推測(cè)為滲漏危險(xiǎn)區(qū)，迎水面異常在7～9 m之間，背水面異常在7～10 m之間，背水面速度較迎水面稍大，推測(cè)此處通道未徹底形成，但隨著上游水流的滲透，很快會(huì)形成滲漏通道。

圖4 壩頂迎水面(a)和背水面(b)微動(dòng)視S波速度-深度剖面Fig.4 Velocity-depth profiles of the microtremor apparent S-wave in the meet-water-surface(a) and the back-water-surface(b)on the top of the dam

表3 壩體巖性與視S波速關(guān)系Table 3 Relationship between lithology of the dam body and the apparent S-wave velocity

迎水面90、105 m處及背水面80、86、102 m處均存在低速顯示，均因浸水導(dǎo)致壩體局部破碎或松散引起，雖然還未形成明顯的滲漏通道，但已經(jīng)出現(xiàn)滲漏的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)加以重視。

3 結(jié) 論

(1)通過微動(dòng)技術(shù)在水庫(kù)大壩滲漏堪查中的應(yīng)用實(shí)例，介紹了微動(dòng)勘探的基本理論、高精度微動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及微動(dòng)數(shù)據(jù)處理軟件。證實(shí)了微動(dòng)勘探方法具有無損勘探、不受電磁干擾、分辨率高、勘探精度高的優(yōu)點(diǎn)，且對(duì)高低速異常變化反應(yīng)靈敏。

(2)利用微動(dòng)探測(cè)技術(shù)能夠準(zhǔn)確查明水庫(kù)壩體滲漏位置，通過視S波速度結(jié)構(gòu)生成的微動(dòng)剖面能夠有效識(shí)別密實(shí)壩體、含水壩體、壩底基巖界面，準(zhǔn)確確定滲漏位置和影響范圍，勘探效果明顯。

(3)微動(dòng)技術(shù)可根據(jù)勘探目標(biāo)和施工場(chǎng)地靈活設(shè)計(jì)觀測(cè)臺(tái)陣，抗干擾能力強(qiáng)，適用于人口密集區(qū)，經(jīng)濟(jì)高效，技術(shù)優(yōu)勢(shì)突出，具有很好的推廣前景。MicroSWP微動(dòng)處理軟件優(yōu)化了模型和計(jì)算方法，界面友好，快速、簡(jiǎn)潔、直觀、分辨率高，在實(shí)際工作中應(yīng)用效果良好。