陳文銳

（廣東中灝勘察設計咨詢有限公司,廣東 廣州 510000）

1 工程概況

本工程水庫位于云浮市云城區(qū)南盛鎮(zhèn)大枧村,距城區(qū)20 km,在新興江一支流的上游,是一座以防洪、灌溉為主,結(jié)合發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫,其運行管理單位為云浮市云城區(qū)水務管理服務中心。本工程水庫樞紐由水庫大壩（分主、副壩）、泄洪洞、輸水洞、灌區(qū)建筑物、電站等主要建筑物組成。

由于大壩施工過程中盲目追求速度,趕進度,沒有把好質(zhì)量關,致使水庫投入運行以來,存在嚴重的滲漏問題,針對主壩、副壩滲漏問題,經(jīng)歷多次防滲搶險措施,水庫一直處于控制運行狀態(tài),故本工程對大壩滲透原因、滲漏情況進行論證。

2 項目技術背景

地質(zhì)勘察主要目的是判斷水庫土壩填筑狀況、填土的物理力學參數(shù)、壩體壩基防滲性能,主壩和副壩的地質(zhì)情況、巖土力學參數(shù)及防滲性能。傳統(tǒng)勘察辦法：通過收集資料、踏勘、工程地質(zhì)調(diào)查、勘探試驗和原位測試,查明堤壩范圍的地層分布、成份、性質(zhì)、厚度,各巖土層物理力學性質(zhì)和地基承載力,檢查壩體填筑質(zhì)量。傳統(tǒng)單一勘探辦法通常耗時長、費用高且效果不理想。

高密度電阻率法是集電測深和剖面法于一體的一種多裝置,多極距的組合方法,它具有僅一次布極就可以進行的裝置數(shù)據(jù)采集以及通過求取比值參數(shù)而能突出異常信息,信息多并且觀察精度高,速度快,探測深度靈活等特點。影響因素為成分、含水率、礦化度、溫度,及探測前段時間長歷時暴雨、壩基清基、臨側(cè)山體滲水情況等。高密度電法已經(jīng)成為近年來水庫大壩滲漏隱患探測應用的重要手段。

3 大壩滲透判斷技術方法

針對云浮市某水庫滲流安全評價方法有歷史資料分析法、現(xiàn)場檢查法、監(jiān)測資料分析法、物探檢測、工程地質(zhì)、計算分析法和經(jīng)驗類比法。根據(jù)本次工程現(xiàn)狀滲漏情況、工程地質(zhì)、滲漏監(jiān)測、物探檢測、歷史數(shù)據(jù)分析等資料,采用綜合分析監(jiān)測資料分析與滲流計算對大壩滲流安全進行評價。

通過歷史數(shù)據(jù)分析法得知大壩施工過程中盲目追求速度,趕進度,沒有把好質(zhì)量關,致使水庫投入運行以來,存在嚴重的滲漏問題。且經(jīng)過現(xiàn)場檢查方法以及監(jiān)測資料分析法能初判滲漏的出滲點位置。根據(jù)現(xiàn)場檢查情況和測壓管分析情況,本次采用高低密電法探測壩體的滲水通道滲漏通道范圍、規(guī)模、滲透通道走向與位置,并對鉆探進行選擇性鉆孔驗證。

4 高密度電法技術應用

4.1 工作原理

高密度電法量測的原理為以地下介質(zhì)導電性的差異作為基礎,通過觀測和研究介質(zhì)導電性的差異以及人工電場的分布情況,是一種可查明地下地質(zhì)構(gòu)造和識別地下典型不均勻體的地球物理勘探方法。

本工程通過假設壩面段水平,壩面下充滿均勻各向同性半無限介質(zhì),在壩面上任意取兩點用供電電極a、b 進行通電,取另外兩點用電壓表量測m、n 兩點的之間電位差。a、b 兩個電極在點m 產(chǎn)生的電位是：

同理,它們在點n 產(chǎn)生的電位是：

推導出點m 與點N 間的電位差是：

因此得出均勻壩體電阻率的計算公式：

根據(jù)大壩地質(zhì)體電性的不同來進行劃分界限的斷面,稱為地電斷面。地電斷面所劃分的界線與地質(zhì)體、地層層位的界面可能吻合也可能不吻合。這時候向非均勻介質(zhì)的大壩進行通電并量測,也可按（1）式求出其“電阻率”的值。但該值不是某一地質(zhì)體或者地層的電阻率,與物理量和電流有效作用范圍內(nèi)的所有地質(zhì)體的電阻率都有關系,稱它為視電阻率,用ρs表示,即：

視電阻率的值和各種地質(zhì)體電阻率與電場有效作用范圍內(nèi)地形對應的。雖然式（2）與式（1）變量右側(cè)的形式是一致的,但左端的ρ和ρs卻是完全不同的兩個概念。只有在壩面水平且地下介質(zhì)均勻各向同性情況下,ρ和ρs才是相同的。視電阻率的基本公式（2）為便于進行定性分析,可以轉(zhuǎn)換公式,即視電阻率與地表電阻率、電流密度的關系式。

當壩面水平,當m、n 電極間是很小的距離的時候,其mn間的電場強度可視為均勻的,則有

所以：

式中：jmn、ρmn分別為m、n 電極之間任意點的電流密度與介質(zhì)的電阻率。

將式（3）代入式（2）式可得到：

把均勻各向同性半無限介質(zhì)的電阻率設為ρ,電極mn 間的電流密度為j0,此時式（4）可寫成：

因討論的是均勻介質(zhì),故ρs應等于ρ,于是便有：

將（5）代入（4）中得到：

式中：ρ0只受裝置的類型和大小所決定,則對于確定的裝置可認為它是已知的。

4.2 工作方法技術

4.2.1 實物工作量

物探剖面7 條,測點227 個,剖面總長度880 m,見表1。

表1 完成工作量一覽表

4.2.2 野外工作辦法與技術

（1）工作裝置及參數(shù)選擇

本項目采用對稱四極（施倫貝謝爾,schlum2 berger）裝置進行量測,勘探的工作參數(shù)選擇為：

電極距a=2 m,點距2 m,最小隔離系數(shù)為n=1,最大隔離系數(shù)n=35。

供電波形：方波供電0+0-。

（2）野外工作方法

①利用RTK 進行測地工作,按設計測線進行測點布設,用紅布條做標記。

②沿布設好的測點敷設電纜,各電極入土深度為電極長度的2/3,電極距2 m,遇到不合適布極處進行處理或合理偏移。

③開始測量前,利用儀器自帶功能對所有電極接地進行檢查,電極接地較大或不通的,需對電極重新布置,大部分接地電阻小于1 kΩ,少部分小于2 kΩ。

④設置好儀器各參數(shù),進行電極滾動測量,測量過程中需對數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控,遇到突變點查找原因后進行重測。

⑤測量完成后將數(shù)據(jù)及時傳到計算機并進行備份,以供后續(xù)處理。

4.3 資料的解釋推斷

根據(jù)歷史資料和現(xiàn)狀情況調(diào)查確定測區(qū)的地球物理特征,大壩處主要以基巖及填充的密實的粘性土材料為主,均為高阻特征。當局部出現(xiàn)通道裂隙后,易充填水變成飽和粘性土和砂礫通道等低阻物質(zhì),從而導致導電率顯著降低,成為低阻甚至超低組地段。因此,結(jié)合7 條測線的電阻率特征,總結(jié)本次高密度電法測量的解釋推斷原則：將電阻率小于100 Ω·m 的部位,推斷為大壩的裂隙或充水孔洞的部位,電阻率在100 Ω·m～300 Ω·m 之間的推斷為裂隙發(fā)育部位。電阻率大于300 Ω·m 的地段,推斷為壩基完整部位。

如圖1 所示,將推斷的18 個異常投影到平面圖上,可以明顯的顯示出異常所在的平面位置,也是推斷的水庫易發(fā)生滲漏的地段,但影響高密度電法結(jié)果多種因素,包括物質(zhì)成分、含水率、礦化度、溫度,以及探測時間前段時間長歷時暴雨、壩基清基情況、臨側(cè)山體滲水情況等,如圖2 與圖3所示,壩肩均出現(xiàn)電阻率小于100 Ω·m 的部位,可能為山體持續(xù)滲水所致。則高密度電法探測出的大壩滲漏范圍、規(guī)模、滲透通道走向與位置需要進行進一步認證。本項目推薦采用鉆孔實驗進行選擇性的鉆探驗證。

圖1 水庫高密度電法測量低阻異常分布圖

圖2 主壩L14 線高密度電法測量成果圖

圖3 主壩L12 線高密度電法測量成果圖

本次高密度電法檢測結(jié)論為：

①通過本次工作,獲得了工作區(qū)內(nèi)7 條測線的電阻率斷面圖,了解了大壩的電阻率分布特征。

②圈定了14 個低阻異常,其中5 個低阻異常推斷為裂隙充水引起,9 個低阻異常為孔洞充水引起。

本次物探檢測建議為：

①對圈定的異常擇進行選擇性的鉆探驗證,驗證孔需正對低阻異常中心。

②高密度電法為間接方法,圈定的異常范圍大小與實際情況可能存在誤差,在運用其工作成果時應綜合其他工作成果資料。

③高密度電法初步判斷大壩滲漏范圍、規(guī)模、滲透通道走向與位置,可指導其他鉆探實驗工作,以及其他物理參數(shù)的確認。

5 鉆探驗證與應用

本次根據(jù)高密度電法的結(jié)論和建議,開展鉆探認證工作,并把部分鉆孔位置布置在高密度電法推測滲漏通道的典型異常處。

通過鉆孔確認,高密度電法反映的導電率顯著降低區(qū)域,充填大量碎石和砂礫,裂隙發(fā)育,呈松散狀態(tài)。以ZK6 為例,ZK6 位于物探剖面L12 的138 m 左右,ZK6 于深度5 m～9 m左右充填大量碎石和砂礫,裂隙發(fā)育,呈松散狀態(tài),結(jié)合物探成果分析,進一步認證改鉆孔位置壩段存在滲透通道。

L12 線長度138 m,方位角30.3°,位于主壩西側(cè)路面,圖3 中四處電阻率較低,推測該4 處異常均為為大壩裂隙或孔洞充水的反映。物探成果和地勘成果相符,在127 m 高程以上壩體填土壓實不足,填土不均勻,呈中等透水性,尤其在左右兩肩壩體與山體接觸位置漏水較嚴重。

本次在主壩舊填土層進行原位注水試驗,共進行原位注水試驗18 段次,本次在副壩舊填土層進行原位注水試驗,共進行原位注水試驗14 段次,并均取土樣開展室內(nèi)實驗,結(jié)果見表2。

表2 大壩注水試驗與室內(nèi)滲透試驗結(jié)果表

根據(jù)注水試驗主副壩填土土料大部分屬中等透水性,局部呈微～弱透水性。

6 結(jié)論

（1）高密度電法成果判斷的滲漏通道范圍、規(guī)模、滲透通道走向與位置成果可信,在其成果指導下開展的鉆孔實驗、注水實驗和室內(nèi)滲透實驗,成果更加真實和科學,大大節(jié)省勘察的鉆孔工作量、時間和準確性,其指導確認的力學物理參數(shù)也更加合理,從而為大壩加固措施和范圍提供技術基礎數(shù)據(jù)支撐。

（2）本次采取高密度電法為間接物探方法,影響探測解析成果的因素很多,傳統(tǒng)勘探辦法采用鉆探試驗和注水試驗等傳統(tǒng)勘察方法成果更加直觀,兩者優(yōu)勢互補和相互驗證。

（3）物探解析過程中要結(jié)合歷史資料分析法、現(xiàn)場檢查法、監(jiān)測資料分析法、計算分析法和經(jīng)驗類比法等資料進行綜合解析,以提高結(jié)果的可靠性。