諶 星

（上高縣水利局,江西 上高 336400）

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

1 高密度電法工作原理

高密度電阻法在堤壩探測方面已成為常用的探測方法,尤其是針對于堤壩隱患中堤壩滲漏和堤壩洞穴等的探測。在高密度電阻法的探測中,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,當孔隙沒有水流滲漏時呈現(xiàn)干燥狀態(tài),電阻率變大,當孔隙出現(xiàn)水流滲漏時,其電阻率變小,背景電阻率就與此產(chǎn)生差異,這便是電法探測的前提條件。高密度電阻法在堤壩滲漏檢測中與常規(guī)的電阻率法的基本原理大致相同,然而高密度電法結(jié)合電剖面法和電測探法,測點密度較常規(guī)電阻率法更高,因此也具有探測精度更高、數(shù)據(jù)采集更可靠等優(yōu)點,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,現(xiàn)在的高密度電阻法已成為堤壩隱患探測的主要手段。高密度電阻率法探測系統(tǒng)的信號采集工作模式有串行式和并行式兩種。并且根據(jù)轉(zhuǎn)換開關(guān)的實際設(shè)置情況,堤壩隱患探測使用的單道分時采集系統(tǒng)主要分為集中式和分布式。在設(shè)計與技術(shù)實施上,高密度電法運用的電極數(shù)目較多,并且電極之間可以自由組合,以此來提供更多的地電信息[4]。高密度電法還具有很多優(yōu)點,比如：通過一次性布設(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)進行成像,從而提供更多的地質(zhì)信息。高密度電法實現(xiàn)全自動化的數(shù)據(jù)收錄、采集,從而減少人工操作,減少誤差。

在高密度電法的實際探測過程中,電法的數(shù)據(jù)噪聲來源較為復(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)信號的信噪比以及反演自身的多解性總是受到外來噪聲的干擾,從而影響圖像信息的真實性,也會降低圖像自動識別的能力[5]。其中,資料解釋也存在一定的干擾。筆者通過工程實例,進行高密度電阻法的實際工程探測,并由此次探測效果與實際結(jié)合進行分析,通過理論與實際相結(jié)合,成為提高解釋水平的有力憑證。

2 工程實例

2.1 工程概況

公明水庫4 號壩在正常運行的過程中出現(xiàn)異常滲流量的現(xiàn)象,與其同時堤壩右端滲水現(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298 m3/d,這個數(shù)值已經(jīng)威脅到了大壩正常運行的安全,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。在強風(fēng)化帶中,原巖主要呈現(xiàn)半巖半土狀,且通過節(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。整個庫區(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渡層在上下游壩殼之間以此來保護大壩,防治土體發(fā)生滲透破壞。通過帷幕灌漿對壩基全線強風(fēng)化巖及弱風(fēng)化巖進行防滲處理,并且在灌漿上部接防滲墻。

2.2 探測方案

利用高密度電法針對一個實際工程案例探測可能存在的滲漏通道時,可以選擇多條測線共同測量,并根據(jù)多條測線測量結(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行探測,每個排列60 個電極,電極距5 m,最大供電電壓180 V。溫納裝置具有操作簡便,數(shù)據(jù)易于采集的優(yōu)點?？偣膊荚O(shè)2 條測線,2條測線均沿著大壩下游壩面。其中平行于壩體中部馬道布設(shè)測線1,測線1 總長為1000 m,10 次滾動完成。壩腳處布設(shè)測線2,總長950 m,7 次滾動完成。具體步驟如下：

（1）選擇測線時,可以布設(shè)多條測線,布設(shè)位置可以根據(jù)原始地質(zhì)勘探資料進行選擇,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裝置進行數(shù)據(jù)采集。常用的探測裝置有偶極-偶極裝置、溫納裝置和詩倫貝謝爾裝置等。偶極-偶極裝置適用于汛期或者雨季時期,堤壩處于低阻值率狀態(tài)時。詩倫貝謝爾裝置適用于旱期,堤壩處于高阻值率狀態(tài)時。而溫納裝置卻沒有明確的使用優(yōu)勢時期。

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

2.3 探測過程

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

圖1 測線1 第二排列視電阻率圖

圖2 測線1 第二排列實測數(shù)據(jù)反演結(jié)果圖

運用同種方法,測線2 第二排列的視電阻率圖和實測數(shù)據(jù)反演圖也可通過相同的方式導(dǎo)出。

結(jié)合圖1 可以看出100 m～150 m 處點位下方出現(xiàn)低阻異常點,相反的是在靠近地表位置的視電阻率明顯偏高,通過查閱相關(guān)資料對此情況進行分析,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)兩個不同測線位置所獲取的高密度電法數(shù)據(jù)及其反演結(jié)果進行分析,再以現(xiàn)有的實際工程地質(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,見圖3。具體形成原因是隨著大壩庫區(qū)水位的提高,水壓力隨之增大,并且對破碎帶不斷地進行侵蝕,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 雙測線結(jié)果推論

3 結(jié)語

高密度電法擁有比傳統(tǒng)探測方法檢測精度更高、測試速度更快、操作更簡便的優(yōu)勢,在大壩檢測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的圖形,以此幫助工作人員及時的發(fā)現(xiàn)問題,并且進一步分析出大壩滲漏原因,并且以此為根據(jù)及時提出有效的解決方案,為大壩解決滲漏問題,維護大壩安全,保證大壩能夠安全、穩(wěn)定地運行。

綜合分析高密度電法反演視電阻率剖面圖和現(xiàn)場查勘情況,本次探測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,準確檢測到了已知滲漏區(qū)的分布位置,驗證了高密度電法在土壩滲漏探測中的可行性,體現(xiàn)了高密度電法在大壩壩肩滲漏探測中的優(yōu)勢,具有檢測精度高、效率高、對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。