諶 星

（上高縣水利局,江西 上高 336400）

我國(guó)堤壩修建的時(shí)間較早,堤壩運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng),因此我國(guó)大部分堤壩都存在一些病害,據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)存在滲漏問(wèn)題的堤壩約占30%[1-2]。因堤壩修建時(shí)選用的材質(zhì)往往是當(dāng)?shù)氐暮巴潦?具有一定的透水性,在汛期水位上漲后,壩體擋水部分會(huì)出現(xiàn)滲水情況,滲流面擴(kuò)大甚至出現(xiàn)滲流破壞,嚴(yán)重威脅堤壩結(jié)構(gòu)安全。如何快速、無(wú)損檢測(cè)出滲漏通道,對(duì)于保障堤壩正常運(yùn)行具有重大意義。本文采用高密度電阻法對(duì)滲漏堤壩進(jìn)行探測(cè),并使用RES2DMOD 軟件對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行正演及最小二乘法RES2DINV 軟件實(shí)施反演,以期較好地探測(cè)出滲漏路徑,為堤壩除險(xiǎn)加固提供依據(jù)。

1 高密度電法工作原理

高密度電阻法在堤壩探測(cè)方面已成為常用的探測(cè)方法,尤其是針對(duì)于堤壩隱患中堤壩滲漏和堤壩洞穴等的探測(cè)。在高密度電阻法的探測(cè)中,電阻率是電法中重要的物性參數(shù)[3]。堤壩內(nèi)部的孔隙率的大小是影響堤壩電阻率的關(guān)鍵性因素,堤壩孔隙率隨著堤壩內(nèi)部的洞穴和裂縫的產(chǎn)生而隨之增大,當(dāng)孔隙沒(méi)有水流滲漏時(shí)呈現(xiàn)干燥狀態(tài),電阻率變大,當(dāng)孔隙出現(xiàn)水流滲漏時(shí),其電阻率變小,背景電阻率就與此產(chǎn)生差異,這便是電法探測(cè)的前提條件。高密度電阻法在堤壩滲漏檢測(cè)中與常規(guī)的電阻率法的基本原理大致相同,然而高密度電法結(jié)合電剖面法和電測(cè)探法,測(cè)點(diǎn)密度較常規(guī)電阻率法更高,因此也具有探測(cè)精度更高、數(shù)據(jù)采集更可靠等優(yōu)點(diǎn),并且能夠獲取地電結(jié)構(gòu)的圖像,從而獲取更多的地質(zhì)信息,從探測(cè)圖像上堤防中的洞穴、裂縫、軟弱層等都能夠被明顯地反映出來(lái),現(xiàn)在的高密度電阻法已成為堤壩隱患探測(cè)的主要手段。高密度電阻率法探測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)采集工作模式有串行式和并行式兩種。并且根據(jù)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的實(shí)際設(shè)置情況,堤壩隱患探測(cè)使用的單道分時(shí)采集系統(tǒng)主要分為集中式和分布式。在設(shè)計(jì)與技術(shù)實(shí)施上,高密度電法運(yùn)用的電極數(shù)目較多,并且電極之間可以自由組合,以此來(lái)提供更多的地電信息[4]。高密度電法還具有很多優(yōu)點(diǎn),比如：通過(guò)一次性布設(shè)電極,從而減少電極設(shè)置所導(dǎo)致的干擾,減少誤差。高密度電法能夠?qū)Φ仉娊Y(jié)構(gòu)進(jìn)行成像,從而提供更多的地質(zhì)信息。高密度電法實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的數(shù)據(jù)收錄、采集,從而減少人工操作,減少誤差。

在高密度電法的實(shí)際探測(cè)過(guò)程中,電法的數(shù)據(jù)噪聲來(lái)源較為復(fù)雜,其中包括接地不良、地形起伏、儀器雜音以及自然環(huán)境等,數(shù)據(jù)信號(hào)的信噪比以及反演自身的多解性總是受到外來(lái)噪聲的干擾,從而影響圖像信息的真實(shí)性,也會(huì)降低圖像自動(dòng)識(shí)別的能力[5]。其中,資料解釋也存在一定的干擾。筆者通過(guò)工程實(shí)例,進(jìn)行高密度電阻法的實(shí)際工程探測(cè),并由此次探測(cè)效果與實(shí)際結(jié)合進(jìn)行分析,通過(guò)理論與實(shí)際相結(jié)合,成為提高解釋水平的有力憑證。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

公明水庫(kù)4 號(hào)壩在正常運(yùn)行的過(guò)程中出現(xiàn)異常滲流量的現(xiàn)象,與其同時(shí)堤壩右端滲水現(xiàn)象明顯,在壩體右端還有泉水現(xiàn)象的發(fā)生。通過(guò)所設(shè)量水堰所得的數(shù)據(jù)可知,大壩的滲流量出現(xiàn)大幅度增大的異?，F(xiàn)象,其中在大壩右端的異常滲流量達(dá)298 m3/d,這個(gè)數(shù)值已經(jīng)威脅到了大壩正常運(yùn)行的安全,因此我們需要盡快獲取大壩出現(xiàn)異常滲流現(xiàn)象的具體原因和發(fā)生部位,以便設(shè)計(jì)最優(yōu)處理方案。

據(jù)調(diào)查,殘坡積粉質(zhì)黏土以及全-微風(fēng)化基巖是該工程地層的主要構(gòu)成,并且局部也有人工填土、淤泥、可塑狀沖積粉質(zhì)黏土及沖洪積層（粉土層、粉細(xì)砂、中粗砂等）等。基巖主要由花崗巖、混合花崗巖、花崗片麻巖（片麻狀花崗巖）等組成,基巖整體被劃分為全風(fēng)化帶、強(qiáng)風(fēng)化帶和弱風(fēng)化帶。在全風(fēng)化帶中,大部分為砂質(zhì)黏土,且原巖基本都成土狀,層厚為10.00 m～35.00 m,其呈現(xiàn)出弱透水性,也有中等透水性巖層出現(xiàn)在小部分位置。在強(qiáng)風(fēng)化帶中,原巖主要呈現(xiàn)半巖半土狀,且通過(guò)節(jié)理裂隙的發(fā)育,在透水性方面要比全風(fēng)化帶的透水性要強(qiáng)一些。在弱風(fēng)化帶中,由于風(fēng)化裂隙的發(fā)育,其呈現(xiàn)出弱透水性,且層厚為17.00 m～31.00 m。整個(gè)庫(kù)區(qū)有較高的構(gòu)造穩(wěn)定性,小斷層是壩址區(qū)的主要構(gòu)造,且通過(guò)鉆探發(fā)現(xiàn)了與大壩相交的F1 斷層。該大壩壩型為黏土心墻壩,壩長(zhǎng)1102 m,壩頂高程63.5 m,最大壩高50.7 m,壩頂寬度8 m,上下游坡比均為1∶0.5,大壩黏土防滲心墻頂寬6.0 m,并且設(shè)有砂反濾層和砂礫石過(guò)渡層在上下游壩殼之間以此來(lái)保護(hù)大壩,防治土體發(fā)生滲透破壞。通過(guò)帷幕灌漿對(duì)壩基全線強(qiáng)風(fēng)化巖及弱風(fēng)化巖進(jìn)行防滲處理,并且在灌漿上部接防滲墻。

2.2 探測(cè)方案

利用高密度電法針對(duì)一個(gè)實(shí)際工程案例探測(cè)可能存在的滲漏通道時(shí),可以選擇多條測(cè)線共同測(cè)量,并根據(jù)多條測(cè)線測(cè)量結(jié)果,結(jié)合原始地質(zhì)勘探資料分析出可能的滲漏通道。綜合考慮壩址處地質(zhì)條件,決定采用溫納裝置進(jìn)行探測(cè),每個(gè)排列60 個(gè)電極,電極距5 m,最大供電電壓180 V。溫納裝置具有操作簡(jiǎn)便,數(shù)據(jù)易于采集的優(yōu)點(diǎn)。總共布設(shè)2 條測(cè)線,2條測(cè)線均沿著大壩下游壩面。其中平行于壩體中部馬道布設(shè)測(cè)線1,測(cè)線1 總長(zhǎng)為1000 m,10 次滾動(dòng)完成。壩腳處布設(shè)測(cè)線2,總長(zhǎng)950 m,7 次滾動(dòng)完成。具體步驟如下：

（1）選擇測(cè)線時(shí),可以布設(shè)多條測(cè)線,布設(shè)位置可以根據(jù)原始地質(zhì)勘探資料進(jìn)行選擇,一般可以布設(shè)于壩體馬道處、壩腳處。然后選擇不同的探測(cè)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。常用的探測(cè)裝置有偶極-偶極裝置、溫納裝置和詩(shī)倫貝謝爾裝置等。偶極-偶極裝置適用于汛期或者雨季時(shí)期,堤壩處于低阻值率狀態(tài)時(shí)。詩(shī)倫貝謝爾裝置適用于旱期,堤壩處于高阻值率狀態(tài)時(shí)。而溫納裝置卻沒(méi)有明確的使用優(yōu)勢(shì)時(shí)期。

（2）取得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí),通過(guò)特有的數(shù)據(jù)處理軟件RE2 DINV 可以導(dǎo)出數(shù)據(jù)反演結(jié)果圖。通過(guò)反演結(jié)果,可以大致地判斷出各測(cè)線壩體部分、壩基部分和富水區(qū)。結(jié)合前期對(duì)于地質(zhì)資料的收集以及多條測(cè)線的反演結(jié)果,通過(guò)所得的反演圖像可以對(duì)低阻異常體進(jìn)行追蹤分析,由此推斷可能產(chǎn)生的滲漏通道。

2.3 探測(cè)過(guò)程

根據(jù)測(cè)線1 第二個(gè)排列的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),可以直接從儀器中導(dǎo)出視電阻率擬斷面,見(jiàn)圖1。將高密度電法中所得的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入RE2 DINV 軟件中。該軟件采用阻尼最小二乘法,可以有效地計(jì)算出檢測(cè)點(diǎn)的電阻率數(shù)據(jù),通過(guò)多次的迭代和擬合使得計(jì)算出的數(shù)據(jù)接近真實(shí)測(cè)出的數(shù)據(jù),最后得出最可靠的反演數(shù)據(jù)。測(cè)線1 第二個(gè)排列實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)所得反演結(jié)果,見(jiàn)圖2。

圖1 測(cè)線1 第二排列視電阻率圖

圖2 測(cè)線1 第二排列實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演結(jié)果圖

運(yùn)用同種方法,測(cè)線2 第二排列的視電阻率圖和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演圖也可通過(guò)相同的方式導(dǎo)出。

結(jié)合圖1 可以看出100 m～150 m 處點(diǎn)位下方出現(xiàn)低阻異常點(diǎn),相反的是在靠近地表位置的視電阻率明顯偏高,通過(guò)查閱相關(guān)資料對(duì)此情況進(jìn)行分析,能夠推斷出壩體在圖2 中水平黑色虛線的上方,壩體整體視電阻率均在80 Ω·m 以上。與此可知壩基為圖2 水平黑色虛線下方,壩基上部巖層的視電阻率變小是由于地下水的侵入,且剖面平距110 m～140 m、深度約20 m～30 m 處視電阻率極其偏低,小于80 Ω·m,可推斷為富水區(qū)。

根據(jù)兩個(gè)不同測(cè)線位置所獲取的高密度電法數(shù)據(jù)及其反演結(jié)果進(jìn)行分析,再以現(xiàn)有的實(shí)際工程地質(zhì)勘探作為依據(jù),能夠推斷出滲流通道已經(jīng)形成,其具體部位在斷層F1 破碎帶形成滲流通道,見(jiàn)圖3。具體形成原因是隨著大壩庫(kù)區(qū)水位的提高,水壓力隨之增大,并且對(duì)破碎帶不斷地進(jìn)行侵蝕,并最終形成滲漏通道,并且水流在灌漿帷幕下部沿著斷層破碎帶滲出,這與低視電阻率異常區(qū)域較為吻合。

圖3 雙測(cè)線結(jié)果推論

3 結(jié)語(yǔ)

高密度電法擁有比傳統(tǒng)探測(cè)方法檢測(cè)精度更高、測(cè)試速度更快、操作更簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì),在大壩檢測(cè)中可以快速地獲得可靠數(shù)據(jù),并且可以將數(shù)據(jù)快速整理,將所獲得的地質(zhì)信息繪制成直觀性更強(qiáng)的圖形,以此幫助工作人員及時(shí)的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,并且進(jìn)一步分析出大壩滲漏原因,并且以此為根據(jù)及時(shí)提出有效的解決方案,為大壩解決滲漏問(wèn)題,維護(hù)大壩安全,保證大壩能夠安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。

綜合分析高密度電法反演視電阻率剖面圖和現(xiàn)場(chǎng)查勘情況,本次探測(cè)較好揭示了壩體各層介質(zhì)視電阻率的分布情況,符合土壩在深度方向的變化規(guī)律,準(zhǔn)確檢測(cè)到了已知滲漏區(qū)的分布位置,驗(yàn)證了高密度電法在土壩滲漏探測(cè)中的可行性,體現(xiàn)了高密度電法在大壩壩肩滲漏探測(cè)中的優(yōu)勢(shì),具有檢測(cè)精度高、效率高、對(duì)滲漏低阻的敏感性高、數(shù)據(jù)可靠度高、結(jié)果呈現(xiàn)直觀性好的優(yōu)點(diǎn)。