杜 宇

(黑龍江省哈爾濱市延壽縣關(guān)門山水庫灌區(qū)服務(wù)中心，黑龍江 延壽 150779)

1 工程概況

某山區(qū)水庫大壩工程為區(qū)域農(nóng)田灌溉、防洪抗旱、生態(tài)養(yǎng)殖的重要基礎(chǔ)設(shè)施，位于流域干流上游，始建于20世紀(jì)50年代，受到修建時(shí)期經(jīng)濟(jì)投入、技術(shù)條件和施工設(shè)備的限制，加之在長期的運(yùn)營過程中缺乏系統(tǒng)性的管理，導(dǎo)致壩體多次出現(xiàn)管涌等險(xiǎn)情，滲漏嚴(yán)重。為消除隱患，2010年壩體經(jīng)過水利管理部門組織施工隊(duì)伍對壩體進(jìn)行防滲加固，通過射水造墻的方式在壩軸線方向上施作了一道混凝土防滲墻，經(jīng)過現(xiàn)場的監(jiān)測，大壩仍存在不同程度的滲漏現(xiàn)象。為了進(jìn)一步評估壩體的防滲墻質(zhì)量，基于高密度電阻率法進(jìn)行監(jiān)測。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研，水庫大壩為均質(zhì)土石壩，壩長為200 m，壩頂?shù)母叱虨?0.83 m，最大壩體高度為20.3 m，迎水側(cè)壩體斜率為1∶0.75，背水側(cè)壩體斜率為1∶0.50。

2 高密度電阻率檢測法的基本原理及現(xiàn)場測試方法

2.1 高密度電阻率檢測法的基本原理

水庫壩體在長期的運(yùn)營過程中，庫區(qū)水體的滲透壓作用以及水位的頻繁升降，會導(dǎo)致壩體內(nèi)原本存在的缺陷出現(xiàn)結(jié)構(gòu)松動(dòng)現(xiàn)象，土體在水力滲透作用下不斷被侵蝕、掏空，固體顆粒被攜帶出壩體，形成空洞、裂隙和滲透通道的隱患病害，因此導(dǎo)致壩體局部范圍內(nèi)含水量增加和土石結(jié)構(gòu)的變化，這些區(qū)域與其他正常部位的土石體介質(zhì)存在顯著的電性差異，這就為用高密度電法探測防滲墻隱患病害提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)[1-5]。通過建立人工地下電流場，采用高密度電阻率法設(shè)備可以采集地下介質(zhì)的電流場分布規(guī)律，進(jìn)而解譯出防滲墻隱患病害的分布范圍、規(guī)模大小、滲透通道的走向等。一般而言，在天然地下介質(zhì)中，穩(wěn)定電流場的分布可以用梯度方程表達(dá)，如式(1)所示。

(1)

式中：j為地下空間中任一點(diǎn)的電流，A；x、y、z為空間坐標(biāo)。

根據(jù)歐姆定律，式(1)可以簡化為式(2)形式。

(2)

式中：U為電壓，V；ρ為地下介質(zhì)的電阻率，Ω·m。

式(2)變換為空間直角坐標(biāo)偏微分方程如式(3)所示[6-7]。

(3)

2.2 高密度電阻率檢測法的現(xiàn)場測試方法

高密度電法是一種陣列式電阻率測量方法，在野外工作時(shí)，按照設(shè)定的排列將電極一次性鋪設(shè)完成，本研究采用的電極數(shù)目為120根，共有12根電纜組成，每根電纜上有10根電極，基本電極間距為2 m，實(shí)際測試時(shí)電極間距可以根據(jù)地形條件進(jìn)行調(diào)整。由于電極數(shù)目較大，在測試前應(yīng)對電極的質(zhì)量進(jìn)行檢查，保證各個(gè)電極的性能良好，接地電阻均一，同時(shí)在采集埋設(shè)電極時(shí)，可以采取澆灌鹽水的方法保證各個(gè)電極的接地電極不超過7 Ω，供電電壓為200～400 V，供電時(shí)間為0.5 s。為了更好地對高密度電阻率測試方法進(jìn)行對比，本研究采用了2種裝置排列進(jìn)行測試，即溫納排列裝置、施倫貝謝爾排列裝置，排列裝置的野外布置示意圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 高密度電法溫納排列裝置測試原理

圖2 高密度電法施倫貝謝爾排列裝置測試原理

現(xiàn)場測量時(shí)，將全部電極布置在一定間隔的測點(diǎn)上，由主機(jī)自動(dòng)控制供電電極和接收電極的變化。現(xiàn)場工作流程包括測線定位、布極、測量、數(shù)據(jù)檢查和重復(fù)觀測。

首先，對設(shè)計(jì)的測線采用RTK測繪儀器實(shí)地定位；其次，在測線上等間距布設(shè)電極，每一根電極對應(yīng)一個(gè)電纜節(jié)點(diǎn)，電極間距是量地形起伏的斜距，如果間距正好等于電纜的最大道間距，也可先放電纜，在電纜節(jié)點(diǎn)處打上電極，電極與電纜要連接好，電纜插頭連接上轉(zhuǎn)換器或主機(jī)；第三，設(shè)置參數(shù)和檢查接地電阻，電纜電極連接好后，設(shè)置好測量參數(shù)，應(yīng)用主機(jī)測量接地電阻功能，檢查每根電極的接地電阻；最后，所有電極接好后，啟動(dòng)測量。

本次二維高密度電法分別采用了溫納、施倫貝謝爾裝置采集數(shù)據(jù)，以溫納裝置為主，電極間距為3 m。溫納裝置采集數(shù)據(jù)時(shí)，1號電極作為A電極，2號電極作為M電極，3號電極作為N電極，4號電極作為B電極，測點(diǎn)在2、3號電極的中點(diǎn)，深度為1到4號電極距離的一半，如圖1所示；下一個(gè)測點(diǎn)電極接通為2-A、3-M、4-N、5-B，直到60號電極為B電極，第一層剖面結(jié)束。第二層剖面AMNB電極相鄰間隔為兩個(gè)間距，即1-A、3-M、5-N、7-B，后面剖面依此類推[5]。

將現(xiàn)場探測的剖面數(shù)據(jù)通過掌上電腦連接傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和預(yù)處理，消除壞點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行地形校正，用專門軟件進(jìn)行視電阻率計(jì)算和反演計(jì)算，得到探測剖面的電阻率分布，結(jié)合其他資料對高密度電法探測剖面進(jìn)行解釋，并輸出電阻率解譯斷面。

3 水庫大壩防滲墻質(zhì)量高密度電阻率檢測結(jié)果分析

測試設(shè)備為瑞典ABEM公司生產(chǎn)的Terrametrer LS2電法儀器，根據(jù)探測深度要求將實(shí)際道間距設(shè)置為1.0 m，在大壩背水側(cè)沿著壩長方向布置3條高密度電法測線，測線編號為GM-JK01測線、GM-JK02測線、GM-JK03測線。從大壩左岸向右岸方向進(jìn)行跑極，以左岸為坐標(biāo)原點(diǎn)，按DK0+000～DK0+200進(jìn)行里程編號，獲得3條高密度電法測線的反演電阻率剖面如圖3～圖5所示。

圖3 高密度電法GM-JK01測線電阻率解譯剖面

圖3為大壩里程DK0+080～DK0+200采用施倫貝謝爾排列裝置(GM-JK01測線)得到的高密度電法反演電阻率剖面，橫坐標(biāo)為測線排列長度，縱坐標(biāo)為測試深度。從圖3中可以看出，在測量視電阻率斷面中，地層視電阻率大致可以分為7層，從上到下視電阻率逐步降低，表層0.50～1.30 m相對高阻，視電阻率為2051～2721 Ω·m，這是因?yàn)榇髩伪韺佑苫炷粮采w且在地下水位上，土石介質(zhì)相對干燥；第二層1.30～2.25 m的視電阻率為1382～2051 Ω·m；第三層2.25～3.95 m的視電阻率為1042～1382 Ω·m；第四層3.95～5.30 m的視電阻率為702～1042 Ω·m，該層位于地下水位以下，視電阻率相對較低；第五層5.35～5.30 m的視電阻率為529～702 Ω·m，該層位于地下水位以下，視電阻率相對較低；第六層5.30～6.40 m的視電阻率為356～529 Ω·m；第七層6.40 m以下的視電阻率為<356 Ω·m。經(jīng)過反演，可以得到壩體內(nèi)3處明顯的相對低阻，分別是DK0+164～DK0+172(圖中橫坐標(biāo)84～92)、DK0+144～DK0+156(圖中橫坐標(biāo)64～76)、DK0+120～DK0+128(圖中橫坐標(biāo)40～48)，對應(yīng)的電阻率值約為30～90 Ω·m，推測這3個(gè)區(qū)域存在滲漏現(xiàn)象[6-7]。

圖4為大壩里程DK0+000～DK0+120采用溫納排列裝置(GM-JK02測線)得到的高密度電法反演電阻率剖面，橫坐標(biāo)為測線排列長度，縱坐標(biāo)為測試深度。從圖4中可以看出，相比施倫貝謝爾排列裝置(GM-JK01測線)得到的高密度電法反演電阻率剖面，溫納排列裝置得到的電阻率的分辨率較低，從上至下的視電阻率仍有7個(gè)分層，且對電阻異常區(qū)域的識別仍較為明顯。經(jīng)過反演，可以得到壩體內(nèi)2處明顯的相對低阻，分別是DK0+164～DK0+172(圖中橫坐標(biāo)64～72)、DK0+144～DK0+156(圖中橫坐標(biāo)44～56)，對應(yīng)的電阻率值約為30～90 Ω·m，推測這2個(gè)區(qū)域存在滲漏現(xiàn)象，這兩處滲漏位置與圖3中的滲漏區(qū)域?qū)?yīng)較好。

圖4 高密度電法GM-JK02測線電阻率解譯剖面

為了進(jìn)一步驗(yàn)證圖3施倫貝謝爾排列裝置(GM-JK01測線)和圖4溫納排列裝置(GM-JK02測線)的高密度電法反演電阻率結(jié)果，在低于GM-JK02測線高程1 m的位置布置GM-JK03測線進(jìn)行驗(yàn)證，仍采用溫納排列裝置，測試?yán)锍虨镈K0+000～DK0+120，GM-JK03測線得到的高密度電法反演電阻率剖面如圖5所示，橫坐標(biāo)為測線排列長度，縱坐標(biāo)為測試深度。從圖5中可以看出，相比施倫貝謝爾排列裝置(GM-JK01測線)得到的高密度電法反演電阻率剖面，溫納排列裝置得到的電阻率的分辨率較低，從上至下的視電阻率仍有7個(gè)分層，且對電阻異常區(qū)域的識別仍較為明顯。經(jīng)過反演，可以得到壩體內(nèi)2處明顯的相對低阻，分別是DK0+164～DK0+176(圖中橫坐標(biāo)64～76)、DK0+144～DK0+156(圖中橫坐標(biāo)44～56)，對應(yīng)的電阻率值約為40 Ω·m，這兩處滲漏位置與圖3、圖4中的滲漏區(qū)域均對應(yīng)較好，因此推測這2個(gè)區(qū)域存在極大可能的滲漏現(xiàn)象，有必要采取進(jìn)一步除險(xiǎn)加固措施，比如帷幕灌漿、高壓旋噴樁注漿等。

圖5 高密度電法GM-JK03測線電阻率解譯剖面

4 結(jié) 語

以某山區(qū)水庫大壩為研究對象，采用高密度電阻率法，分析大壩質(zhì)量。結(jié)果表明：大壩在庫區(qū)水體的滲透壓作用以及水位的頻繁升降，導(dǎo)致壩體內(nèi)原本存在的缺陷出現(xiàn)結(jié)構(gòu)松動(dòng)，形成空洞、裂隙和滲透通等病害，壩體局部范圍內(nèi)含水量增加和土石結(jié)構(gòu)的變化，這些區(qū)域與其他正常部位的土石體介質(zhì)存在顯著的電性差異；采用施倫貝謝爾排列裝置和溫納排列裝置進(jìn)行高密度電阻率測試和反演，得到壩體內(nèi)3處明顯的相對低阻，分別是DK0+164～DK0+172、DK0+144～DK0+156、DK0+120～DK0+128，對應(yīng)的電阻率值約為30～90 Ω·m。高密度電法為大壩除險(xiǎn)加固的決策提供了依據(jù)。在應(yīng)用過程中，應(yīng)避免外界的干擾，使結(jié)果失真。