高密度電法在水庫(kù)除險(xiǎn)加固勘察中的應(yīng)用

于勁勇，李洪穎，尹 平

（1.丹東市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 丹東 118000；2.丹東市三灣水利樞紐及輸水工程建設(shè)管理局，遼寧 丹東 118000；3.丹東市鴨綠江防洪護(hù)岸工程建設(shè)管理局，遼寧丹東 118000）

1 高密度電法的工作原理

高密度電法實(shí)際上是一種陣列勘探方法，它在二維空間內(nèi)研究地下穩(wěn)定電流場(chǎng)的分布，野外測(cè)量時(shí)，將數(shù)十個(gè)電極一次性布設(shè)完畢，每個(gè)電極既是供電極又是測(cè)量電極。通過程控式多路電極轉(zhuǎn)換器選擇不同的電極組合方式和不同的極距間隔，從而完成野外數(shù)據(jù)的快速采集。對(duì)某一極距而言，其結(jié)果相當(dāng)于電阻率剖面法，而對(duì)同一記錄點(diǎn)處不同極距的觀測(cè)又相當(dāng)于一個(gè)電測(cè)深點(diǎn)。

高密度電法的工作原理基于垂向直流電測(cè)深、電測(cè)剖面、電阻率層析成像方面：

1）直流電測(cè)深法是研究指定地點(diǎn)巖層的電阻率隨深度變化的一種物探方法。該方法是在地面上以測(cè)點(diǎn)為中心，從近到遠(yuǎn)逐漸增加觀測(cè)裝置距離進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)視電阻率隨極距的變化可劃分不同的電性層，了解其垂向分布，計(jì)算其埋深及厚度。

2）電測(cè)剖面法就是在供電和測(cè)量電極保持一定距離，按一定的探測(cè)深度，沿著測(cè)線方向逐點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，獲得電阻率曲線，以此反映一定深度內(nèi)電性層的變化情況，即電阻率剖面法是研究巖層電阻率在一定深度范圍內(nèi)的水平方向上物性變化的探測(cè)方法。

3）電阻率層析成像（簡(jiǎn)稱電成像）是利用探測(cè)區(qū)周圍在各個(gè)方向觀測(cè)的直流電場(chǎng)來(lái)研究地下介質(zhì)電阻率分布。在介質(zhì)中發(fā)射一次電流，由于地下介質(zhì)的不均一性，使得一次電流的分布發(fā)生變化，這一變化又引起電位的改變。介質(zhì)中空間變化的電位，在地面和井孔中都可觀測(cè)到。將觀測(cè)到的電位轉(zhuǎn)換成電阻率，因其是通過多方位觀測(cè)得到的投影數(shù)據(jù)資料，故最終能用以進(jìn)行電阻率層析成像。

2 高密度電阻率法優(yōu)點(diǎn)

1）電極布設(shè)一次完成，測(cè)量過程中無(wú)須更換電極，這樣可以防止因電極設(shè)置而引起的故障和干擾。

2）能有效地進(jìn)行多種電極排列方式的參數(shù)測(cè)定，可以獲得較豐富的關(guān)于地電結(jié)構(gòu)的信息。

3）數(shù)據(jù)的采集和收錄自動(dòng)化，不僅采集速度快，而且可避免人工操作引起的誤差和錯(cuò)誤。

4）實(shí)現(xiàn)資料的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)處理或脫機(jī)處理，可以根據(jù)需要自動(dòng)繪制和打印各種成果圖件，大大提高了電阻率法的智能化程度。

5）與傳統(tǒng)的電阻率法相比，成本低、效率高，信息量豐富，解釋能力方面顯著提高。

6）形象地反映出巖土體地電斷面的電性分布和結(jié)構(gòu)特征，從而獲得豐富的地質(zhì)信息，提高解決實(shí)際問題的能力。

3 水庫(kù)除險(xiǎn)加固勘察的工程實(shí)例

遼寧省岫巖黑山水庫(kù)為一座中型水庫(kù)，該水庫(kù)攔河壩類型為粘土心墻壩，壩基常年滲漏，滲流逸出點(diǎn)較高，壩后水頭較高，曾多次加固，但滲漏問題始終存在，壩體與壩基接觸帶易形成接觸沖刷帶，被列為國(guó)家病險(xiǎn)庫(kù)之一。

為了查明壩基滲漏帶的空間分布范圍，在該項(xiàng)目除險(xiǎn)加固勘察中，首先采用高密度電法進(jìn)行測(cè)試，然后根據(jù)高密度電法測(cè)試的解釋成果，對(duì)壩基滲流帶進(jìn)行分區(qū)，對(duì)嚴(yán)重的滲流帶進(jìn)行鉆探驗(yàn)證和相關(guān)的試驗(yàn)。

3.1 測(cè)區(qū)概況及地球物理特征

大壩區(qū)原始地貌為不對(duì)稱的“U”字形河谷地貌，河谷兩岸為丘陵，右岸山勢(shì)陡峻，左岸低緩。大壩類型為粘土心墻壩，大壩左側(cè)壩基為碎石土，右側(cè)為角礫，中部遼河群變粒巖。

壩體由防滲粘土芯墻、壩殼碎石土、干砌石組成，壩體沿著軸線斷面各層分布應(yīng)是均勻分布，所以每個(gè)電性層差異較小。當(dāng)壩體或壩基出現(xiàn)滲漏或?qū)游话l(fā)生變化時(shí)，使原有的均勻電性層改變，滲漏或液化的粘土芯墻電阻率值明顯減小。同時(shí)在滲漏的水流過部位形成過濾電場(chǎng)，在上部滲漏位置顯示低的自然電位，下方出水位置顯示高的自然電位。上述原理為自然電場(chǎng)和高密度測(cè)深方法的施工提供了科學(xué)的地球物理前提。

3.2 方法技術(shù)

1）測(cè)線布置。本次物探測(cè)試工作投入的方法為高密度測(cè)深法，共布置4條剖面。高密度測(cè)深采用分段測(cè)量，考慮壩體不同位置的電性差異較大，分段測(cè)量可以使不同地段微小的電性差異顯示出來(lái)。高密度測(cè)量電極距為5 m，測(cè)量層數(shù)為12～14，控制深度大于30 m。

2）資料的推斷解釋。在視電阻率斷面圖上，根據(jù)斷面圖中顯示的電性分布特征，判斷地質(zhì)體的視電阻率范圍圈定出電性異常，此時(shí)應(yīng)結(jié)合已知地形地質(zhì)資料和采用的電極裝置分析其產(chǎn)生的原因，并大致判斷出目的體的位置。把各條剖面圖上推斷出的異常垂直投影到地表，然后根據(jù)剖面圖與勘探線的對(duì)應(yīng)關(guān)系把所得異常落到異常推斷成果平面圖上，根據(jù)剖面異常特征結(jié)合地形地貌、水文地質(zhì)特征進(jìn)行統(tǒng)一圈畫，形成異常解釋推斷成果圖。

10線布設(shè)在壩頂軸線，總樁號(hào)長(zhǎng)為10+5～10+765。剖面顯示：壩殼碎石土埋深在5～11 m，電阻率值大于1 000 Ω·m。粘土層埋深較穩(wěn)定，在壩右端埋藏較深，粘土層最大埋深可達(dá)17 m，左側(cè)較淺，埋深只有8 m左右。10線斷面仍然顯示多處電阻率值小于60 Ω·m的圓圈，解譯粘土芯墻較軟，說明其多處位置存在滲漏隱患，其中仍為壩的右端較為嚴(yán)重。

本區(qū)解譯的13處滲漏異常主要分布在水壩的左右兩側(cè)，說明黑山水庫(kù)的左右兩側(cè)滲漏隱患比較嚴(yán)重，特別是在大壩的右端自然電位反映明顯的3處滲漏和流出異常。高密度測(cè)試結(jié)果（10線）在該段反映以前灌漿位置的低阻異常不連續(xù)，說明該段的粘土芯墻成份發(fā)生較大的改變。左側(cè)的輸水洞以北自電異常范圍較大，說明該段存在普遍的滲漏現(xiàn)象，匯總以上結(jié)果，黑山水庫(kù)本次物探測(cè)試數(shù)據(jù)解譯成果見表1。

表1 主要異常性質(zhì)描述一覽表

3.3 鉆探驗(yàn)證

根據(jù)高密度電法的解譯，結(jié)合以往的資料分析，將黑山水庫(kù)大壩壩基分為兩個(gè)大的滲流帶，分別位于 0+000～0+307段和 0+630～0+750段，位于大壩的兩側(cè)。

在0+000～0+307段軸線布置5個(gè)鉆孔，3條勘察斷面，在0+630～0+750段布置1條勘察斷面。經(jīng)鉆探和壓水驗(yàn)證，在0+000～0+307段壩基為一層1～1.5 m的角礫，下伏中等風(fēng)化變粒巖，角礫透水性很強(qiáng)，其中含有大量的心墻物質(zhì)成分，說明壩體底部已經(jīng)發(fā)生接觸沖刷，影響大壩的安全，而下部的基巖也為中等透水性；在0+630～0+750段壩基下部同樣存在角礫，下部基巖也為中等透水性，由于該段基巖上臺(tái)，透水部位埋深較淺，致使該段大壩的背水坡常形成散浸，電站廠房的墻壁陰濕。

經(jīng)過鉆探驗(yàn)證，高密度電法推測(cè)的范圍內(nèi)的壩體建基層以及建基層以下的基巖滲漏嚴(yán)重，與推測(cè)的結(jié)論比較穩(wěn)和。

4 結(jié)語(yǔ)

1）根據(jù)高密度電法工作原理，當(dāng)具備物理前提時(shí)，將會(huì)取得令人滿意的探測(cè)效果。因其有測(cè)深和剖面的功能，使得視電阻率斷面圖更形象、直觀地反映巖土地電性分布及結(jié)構(gòu)特征，不僅反映其深度變化，而且還反映其范圍。

2）通過具體的工程實(shí)例，說明高密度電法在水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固的勘察中，對(duì)滲漏隱患的分布范圍和危害程度能作出較可靠的分析評(píng)價(jià)，具有預(yù)先指導(dǎo)意義，避免鉆探的盲目性。采用高密度電法與鉆探及試驗(yàn)相配合，將會(huì)達(dá)到較好的勘察效果。

3）對(duì)高密度電法的結(jié)論，應(yīng)進(jìn)行鉆探或其它方法驗(yàn)證，以便對(duì)工程的下一步施工具有準(zhǔn)確的指導(dǎo)意義。

［1］葛如冰，黃偉義.高密度電阻率法在灰?guī)r地區(qū)的應(yīng)用研究［J］.物探與化探，1999（1）：36-38.