王永剛,呂 明,張 俊

(中國電建集團(tuán)貴州電力設(shè)計研究院有限公司,貴陽 550081)

0 引言

近年來,隨著極端氣候的頻繁發(fā)生,各種自然災(zāi)害(地震、冰雪災(zāi)害、洪災(zāi)、泥石流、山體滑坡等)給各地基礎(chǔ)設(shè)施帶來了嚴(yán)重挑戰(zhàn),尤其是局部長時間的特大暴雨常常威脅著水利工程壩體安全運(yùn)行[1]。因此,水庫大壩滲漏隱患排查是水利工程安全運(yùn)行及除險加固工作的重要環(huán)節(jié),對保障大壩安全運(yùn)行及下游人民生命財產(chǎn)安全具有重要意義[2-3]。

水庫大壩滲漏檢測的方法中,鉆探、槽探等直接檢測方法雖然準(zhǔn)確可靠,但其效率低、成本高、加之探測范圍有限,存在可能破壞壩體結(jié)構(gòu)等風(fēng)險[4-5]。目前水庫大壩滲漏檢測方法主要為無損檢測,借助無損檢測即物探技術(shù),可精準(zhǔn)快速排查出壩體隱患位置及規(guī)模[6-11]。經(jīng)過前人大量研究,在水庫大壩存在隱患或發(fā)生滲漏時,由于長期浸水,導(dǎo)致水庫大壩滲漏通道位置含水量較高,其電阻率與周圍壩體電阻率差異較大,電阻率響應(yīng)最為敏感且易于無損探測。因此,利用直流電法進(jìn)行土壩滲漏通道追蹤探測成為目前應(yīng)用較為廣泛的無損檢測方法[12-17]。直流電阻率方法中,充電法對于水庫大壩滲漏通道追索效果極佳,在滲漏位置設(shè)置充電點(diǎn)便可追壩體內(nèi)有水系滲漏聯(lián)通的通道,是壩體滲漏檢測最直接有效的方法,但其僅能追索出滲漏通道的平面位置,對異常規(guī)模刻畫有限[18-20],而高密度電法對淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的勘探效果較好,能精確刻畫隱患發(fā)育規(guī)模,受地形影響相對較小,且其分辨率相對較高,施工效率高,是滲漏探測有效的方法之一[12-17]。因此,筆者在前人研究基礎(chǔ)上,將直流電阻率方法應(yīng)用于貴州某水庫大壩滲漏檢測中,首先利用充電法追索壩體滲漏通道,然后結(jié)合高密度電法對每條測線二維縱向剖面進(jìn)行解析,圈定滲漏隱患發(fā)育規(guī)模,從而達(dá)到由點(diǎn)及線、由線及面的綜合探測效果,為水庫大壩滲漏通道排查及除險加固提供精確可靠的依據(jù)。

1 工程概況

貴州某水庫大壩始建于20世紀(jì)60年代,主要功能為灌溉,大壩主要為均質(zhì)土壩,筑壩土料取自水庫右岸山體土料,壩體土料填筑采用人工夯實(shí),水庫正常蓄水位1 246.60 m,壩頂高程為1 248.00 m,防浪墻頂高程為1 248.80 m,最大壩高12.24 m,壩頂軸線長74 m,壩頂寬3 m,最大壩底寬39.7 m。但自水庫建成后,無運(yùn)行觀測管理人員,因此在調(diào)查中不能確切了解大壩運(yùn)行的具體情況。2001年清鎮(zhèn)市水電局委托貴陽市水利水電勘測設(shè)計隊開展水庫除險加固勘測設(shè)計工作,施工單位及施工資料不詳。經(jīng)蓄水觀察,大壩有局部滲漏現(xiàn)象,經(jīng)過多年的運(yùn)行后,壩體沉降基本上穩(wěn)定,壩體滲漏現(xiàn)象不再出現(xiàn),但壩基滲漏仍存在。2001年在壩頂進(jìn)行3 m孔間距的帷幕灌漿加固處理,但處理后水庫仍然存在局部滲漏,而且漏水量無明顯變化,下游壩坡出現(xiàn)局部因滲漏而引起的跨塌現(xiàn)象,如圖1所示,目前水庫雖然能蓄水,但存在安全隱患,需對壩體進(jìn)行滲漏隱患排查。

圖1 水庫壩體滲漏現(xiàn)狀圖Fig.1 Diagram of reservoir dam leakage status

2 方法原理

2.1 充電法

充電法是水庫大壩追索滲漏通道平面位置效果極佳的物探方法,通過在滲漏位置設(shè)置充電點(diǎn)便可追索壩體內(nèi)有聯(lián)通的滲漏水系通道。它是利用被探測對象具有良好的導(dǎo)電特性,采用人工方法對被探測的對象進(jìn)行充電,測量和研究充電體及其周圍電場分布特征,達(dá)到解決地質(zhì)問題的目的[18-20],其原理示意圖如圖2所示。

圖2 充電法基本原理示意圖(電位梯度觀測裝置)Fig.2 Schematic diagram of basic principle of the mise-a-la-masse method(Potential gradient observation device)

充電法中主要有電位法、電位梯度法和直接追索等位線法三種觀測方式,其中的電位梯度法是將供電電極A(正極)放于具有良好導(dǎo)電性的探測體上,供電電極B極(負(fù)極)置于相距較遠(yuǎn)的位置,逐點(diǎn)觀測各測線測點(diǎn)上的電位差ΔUMN,根據(jù)電位差曲線的零點(diǎn)確定滲漏通道位置[18-20]。

2.2 高密度電法

當(dāng)水庫大壩壩體存在滲漏通道時,因其地質(zhì)隱患地電斷面往往單一,與圍巖存在明顯的電阻率差異,因此在電性參數(shù)反演上特征明顯而比較容易被識別出來。而高密度電法是一種經(jīng)濟(jì)、無損、快速且直觀的淺層地球物理勘探方法之一,其具有分辨率高、效率高、成本低、解釋方便等諸多優(yōu)點(diǎn)[12-17]。其原理是基于目標(biāo)體與周圍介質(zhì)之間的導(dǎo)電性差異,首先通過供電電極A、B建立人工電場,在地電半空間里形成人工電流場I,然后利用測量電極M、N在人工電場作用下測量測點(diǎn)O處的電位差ΔV,最后得到測點(diǎn)處一定深度范圍內(nèi)的巖土視電阻率ρs=K·ΔV/I[21],如圖3所示,通過一次布極可以完成縱、橫向二維勘探過程,既能反映地下某一深度沿水平方向巖土體的電性變化,同時又能提供地層巖性沿縱向的電性變化情況,具備電剖面法和電測深法兩種方法的綜合探測能力[21-24]。從而可根據(jù)不同巖土體視電阻率差異推斷解釋地下地質(zhì)異常體的分布、規(guī)模等地質(zhì)問題[21-25]。

圖3 高密度電法基本原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of high density resistivity method

當(dāng)水庫大壩壩體存在滲漏時,因其地質(zhì)隱患地電斷面單一、與圍巖存在明顯的物性差異,因此在物性參數(shù)反演上特征明顯而比較容易被識別出來。為了給現(xiàn)場探測、分析、解釋壩體隱患特征提供理論依據(jù),建立了大壩滲漏隱患數(shù)值模型(如圖4(a)所示),通過正反演對比總結(jié)分析滲漏通道在電阻率剖面上的特征,對生產(chǎn)實(shí)踐的指導(dǎo)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。數(shù)值模型中假設(shè)滲漏通道(含水)的電阻率為100 Ω·m,圍巖電阻率為500 Ω·m,規(guī)模寬1 m,高1 m,頂部距地表0.5 m。數(shù)據(jù)采集參數(shù)為電極32根,電極距為1 m。利用有限元法計算得到大壩滲漏模型的電性分布[26-27],在此基礎(chǔ)上進(jìn)行反演,對模型電阻率反演結(jié)果進(jìn)行綜合分析。

圖4 滲漏通道電阻率模型(a)及其電阻率反演擬斷面圖(b)Fig.4 Resistivity model of leakage channel (a) and its resistivity inversion pseudo section map (b)

圖4(b)為滲漏通道電阻率模型及其對應(yīng)的二維電阻率反演擬斷面圖。根據(jù)模型反演計算得到的斷面信息可知,模型反演斷面圖能直觀地反映滲漏隱患的位置及發(fā)育規(guī)模,異常體位置與模型模擬的位置一一對應(yīng)。而在生產(chǎn)實(shí)踐中由于復(fù)雜的地質(zhì)條件以及壩體各巖土構(gòu)成的電阻率受礦物性質(zhì)、含水量、黏粒含量、壓實(shí)度等多種因素影響,導(dǎo)致高密度電法反演成果存在“非唯一性”的固有缺陷,在刻畫隱患規(guī)模時,須通過多種手段相互綜合驗(yàn)證解釋。

3 測試效果分析

3.1 充電法

貴州某水庫為均質(zhì)土壩,由于壩體滲漏區(qū)域較窄,人工地質(zhì)調(diào)查工作相對粗略,而且壩體滲漏產(chǎn)生原因復(fù)雜,為了找出具體滲漏通道范圍,以便進(jìn)行進(jìn)一步處理,首先采用定位精度直觀可靠的充電法梯度觀測裝置追索出壩體滲漏通道。

以該水庫大壩北側(cè)滲漏匯流區(qū)作為充電點(diǎn),通過7條充電法測線,獲得了壩址以南向北走向的電位差異常帶(電位差曲線從負(fù)值到正值的零點(diǎn)位置連線),如圖5中紅色虛線所示。由此追索出該水庫大壩滲漏的平面位置走向?yàn)?CD07號測線的41.7 m位置→CD06號測線的43.2 m位置→CD05號測線的41.6 m位置→CD04號測線的43.3 m位置→CD03號測線的42.8 m位置→CD02號測線的39.7 m位置→CD01號測線的41.6 m位置→滲漏點(diǎn)→充點(diǎn)電。

圖5 充電法電位差曲線圖Fig.5 The potential difference curve of the mise-a-la-masse method

3.2 高密度電法

針對充電法追索到的滲漏通道,由于成果僅能體現(xiàn)滲漏通道平面位置,其深度及規(guī)模充電法難以揭示,因此針對滲漏通道布置高密度電法進(jìn)行二維斷面解釋,高密度電法測線共布置6條測線,其中GMD01測線與CD01測線對應(yīng),里程為12 m～53 m,長42 m;GMD02測線與CD03測線對應(yīng),里程為13 m～72 m,長59 m;GMD03測線與CD04測線對應(yīng),里程為13 m～72 m,長59 m;GMD04測線與CD06測線對應(yīng),里程為13 m～72 m,長59 m;GMD06測線與CD07測線對應(yīng),里程為13 m～72 m,長59 m;而GMD05測線位于GMD04與GMD06測線之間,與其完全平行,該三條測線間距1.5 m,其中GMD05測線沿著帷幕灌漿孔布置,該測線主要檢測水庫大壩帷幕灌漿處理缺陷。

結(jié)合滲漏通道數(shù)值模擬反演結(jié)果及現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查分析,低阻異常區(qū)電阻率范圍為10 Ω·m ～14 Ω·m,結(jié)合充電法成果,主要推斷解釋為兩種情況:①水庫滲漏通道引起的異常;②壩體土層可能存在淤積水或含水率相對較高引起的異常。具體詳細(xì)推斷解譯詳見表1,以及高密度電法反演圖6中紅色虛線框所示。

表1 高密度電法異常描述及推斷解釋結(jié)果Tab.1 High-density resistivity method anomaly description and inference interpretation results

圖6 高密度電法GMD01-GMD06測線視電阻率反演斷面圖Fig.6 Apparent resistivity inversion section of high density electrical method for the GMD01-GMD06 survey line

另外,壩體浸潤線主要是根據(jù)充電法異常點(diǎn)與高密度電法視電阻率反演綜合揭示的滲漏通道斷面周圍電阻率較低的范圍,具體以電阻率為11 Ω·m ～18 Ω·m區(qū)域進(jìn)行劃分,詳見高密度電法反演圖6中黑色虛線框所示。

3.3 綜合物探分析

通過兩種物探方法的異常解釋結(jié)果(如圖7所示),現(xiàn)將水庫大壩物探異常描述如下:

圖7 水庫大壩滲漏通道綜合物探異常推斷解釋圖Fig.7 Interpretation diagram of comprehensive geophysical anomaly inference of leakage channels for reservoir dam

1)根據(jù)充電法電位梯度曲線異常可知,該水庫大壩滲漏通道平面位置走向?yàn)?CD07號測線的41.7 m位置→CD06號測線的43.2 m位置→CD05號測線的41.6 m位置→CD04號測線的43.3 m位置→CD03號測線的42.8 m位置→CD02號測線的39.7 m位置→CD01號測線的41.6 m位置→滲漏點(diǎn)→充點(diǎn)電。

2)結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查與數(shù)值模擬分析,根據(jù)高密度電法視電阻率反演斷面圖解釋可知,GMD01測線里程32 m～34 m、深度約2.7 m～4.0 m、測線里程40 m～41 m、深度約2.7 m～3.0 m,推測為水庫滲漏通道引起的異常;GMD02測線里程40 m～45 m,深度約3.5 m～5.5 m,推測為水庫滲漏通道引起的異常;GMD03測線里程39 m～45 m,深度約4.5 m～7.0 m,推測為水庫滲漏通道引起的異常;GMD04測線里程37 m～45 m,深度約3.5 m～8.0 m,推測為水庫滲漏通道引起的異常;GMD05與GMD06測線里程41 m～45 m,深度約5.0 m～9.0 m,推測為水庫滲漏通道引起的異常。另外,根據(jù)GMD05測線視電阻率反演擬斷面圖可知,在測線里程41 m～45 m,深度約5.0 m～9.0 m,位置、電阻率呈現(xiàn)封閉低阻異常,綜合推測該處對應(yīng)的帷幕灌漿效果較差,從而造成滲流穿過該區(qū)域滲流至北側(cè)壩底,形成貫通的滲流通道。

3)綜合兩種物探異常解釋結(jié)果分析可知,該水庫大壩滲漏通道兩種物探方法推斷解釋的平面位置吻合度較高,且通過高密度電法反演擬斷面清晰直觀地解析了該滲流通道二維斷面位置,其解釋成果可靠。

4 結(jié)論

筆者通過直流電阻率方法中的充電法及高密度電法相互結(jié)合,將其應(yīng)用于水庫大壩滲漏檢測中,取得了較好的應(yīng)用效果:

1)根據(jù)GMD05測線視電阻率反演擬斷面圖可知,在測線里程41 m～45 m,深度約5.0 m～9.0 m位置,電阻率呈現(xiàn)封閉低阻異常,分析主要是由于帷幕灌漿前未開展物探工作,從而導(dǎo)致帷幕灌漿未能針對性進(jìn)行除險加固,故而造成滲流穿過該區(qū)域滲流至北側(cè)壩底,形成貫通的滲流通道。因此,建議水庫大壩除險加固處理前,須結(jié)合物探及鉆探資料查明大壩滲漏通道分布特征,確定靶區(qū)后再針對性進(jìn)行加固處理。

2)綜合物探結(jié)果表明,充電法電位梯度曲線清晰地追蹤出水庫大壩滲漏通道的平面位置,高密度電法反演斷面圖直觀地解譯了大壩滲漏通道的二維斷面,兩種物探資料相結(jié)合對滲漏通道平面及斷面上的分布特征進(jìn)行了精確地刻畫,為大壩滲漏隱患加固提供精確可靠的依據(jù)。同時,多種物探方法相結(jié)合克服了單一物探方法解譯“非唯一性”的固有缺陷,從而提高了對目標(biāo)體的探測精度。

3)針對均質(zhì)土壩或土石壩,若存在滲漏隱患,其電阻率與壓實(shí)均質(zhì)土或土石體存在明顯的電性差異,基于電阻率法的物探方法(高密度電法、充電法、淺層瞬變電磁法)效果較好;對于混凝土壩體,由于直流式電阻率法接地較差,通常采用交流式電阻率法(淺層瞬變電磁法)或探地雷達(dá)、地震映像等方法效果較好。