高密度電法在斯木塔斯水電站古河槽滲漏勘察中的應(yīng)用

何耀京

[摘要]高密度電法是一種新型的電阻率方法，可以實(shí)現(xiàn)電阻率的快速采集和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，它集電剖面和電測(cè)深于一體，采用高密度布點(diǎn)，進(jìn)行二維地電斷面測(cè)量，提供的數(shù)據(jù)量大、信息多，并且觀測(cè)精度較高、速度快，是尋找漏水通道及其它電性差異較大介質(zhì)界面最直觀而有效的物探方法。在斯木塔斯水電站古河槽滲漏勘察中收到了良好的效果。

[關(guān)鍵詞]高密度電法 滲漏勘察 古河槽 斯木塔斯水電站

[中圖分類號(hào)] TV22 [文獻(xiàn)碼] B [文章編號(hào)] 1000-405X（2015）-9-216-2

1概況

斯木塔斯水電站工程于2009年8月正式開(kāi)工，次年9月30日實(shí)施河道截流，2012年7月大壩具備下閘蓄水條件，當(dāng)月28日實(shí)施并完成了下閘工作， 下閘蓄水后因左岸古河槽滲漏，最大滲流量達(dá)4.5m3/s左右。在滲水發(fā)生后直至水庫(kù)放空期間，對(duì)古河槽滲漏通道進(jìn)行了詳查，采取一些古河槽防滲處理。水庫(kù)于2013年10月26日開(kāi)始二次蓄水，古河槽出口又出現(xiàn)滲漏，且隨著蓄水位的逐漸提高，滲漏量有跟隨逐漸加大趨勢(shì)。截止12月23日，總滲漏量1.23m3/s。從兩個(gè)階段的滲漏總量及1#古河槽水位變化可知：古河槽經(jīng)防滲處理后，滲漏量有明顯的降低，但滲漏量值還是較大。并且二次蓄水后，由于古河槽存在滲漏通道，高水頭水流擠壓古河槽內(nèi)空隙空氣，進(jìn)口水面出現(xiàn)3處水泡現(xiàn)象；1#、2#水泡在1#古河槽末端（原砼心墻段），3#水泡出現(xiàn)在1#、2#古河槽之間的岀露山體間。經(jīng)研究，采用高密度電法對(duì)1#、2#古河槽進(jìn)行全面的檢測(cè)，并進(jìn)行鉆探輔助，查明兩河槽的滲漏通道的滲漏原因和滲漏部位，為河槽加固方案提供必要的依據(jù)。

方法和原理。高密度電阻率法是以地下介質(zhì)導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，通過(guò)觀測(cè)和研究與這些差異有 關(guān)人工電場(chǎng)的分布規(guī)律，可達(dá)到查明地下地質(zhì)構(gòu)造和尋找地下電性不均勻體（巖溶、 風(fēng)化層、滑坡體等）的一種地球物理勘探方法。高密度電法的勘探原理，與一般電法勘探原理相同。設(shè)地表水平，地下充滿均勻各向同性半無(wú)限介質(zhì)，在地面上任意兩點(diǎn)用供電電極 A，B 供電，另外兩點(diǎn)用測(cè)量電 M，N 測(cè)量電位差。A，B 電極在 M 點(diǎn)產(chǎn)生的電位為：

同理可得到他們?cè)?N 點(diǎn)產(chǎn)生的電位：

于是 M，N 兩點(diǎn)間的電位差為：

由此可得到均勻大地電阻率的計(jì)算公式：

式中：

稱為裝置系數(shù)，它是一個(gè)與各電極間的距離有關(guān)的物理量。野外工作中，裝置形式和極距一經(jīng)確定，K 值便可計(jì)算出來(lái)。

獲得巖石電阻率的方法之一，是用小極距的四極裝置在巖石露頭上進(jìn)行測(cè)定。此 外，通過(guò)電測(cè)井或標(biāo)本測(cè)定也可以獲得巖石的電阻率。根據(jù)地下地質(zhì)體電性差異而劃分界限的斷面，稱為地電斷面。地電斷面所劃分的界線可能同地質(zhì)體，地質(zhì)層位的界面吻合，也可能不一致。這時(shí)向充滿非均勻介質(zhì)的地下通電并進(jìn)行測(cè)量，也可按（1-1）式求出一“電阻率”值。不過(guò)它不是某一地層或地質(zhì)體的電阻率，而是與電流有效作用范圍內(nèi)所有地質(zhì)體的電阻率都有關(guān)系的物理量，并稱之為視電阻率，用符號(hào)ρs表示。即

視電阻率實(shí)際上是電場(chǎng)有效作用范圍內(nèi)地形和各種地質(zhì)體電阻率的綜合影響值。 雖然（1-1）式和（1-2）式變量右側(cè)的形式完全一樣，但左端的 ρ和 ρs 卻是兩個(gè)完全不同的概念。只有在地面水平且地下介質(zhì)均勻各向同性的情況下，ρ和 ρs 才是相同的。

視電阻率的基本公式（1-2）可以換成一個(gè)便于對(duì)地電斷面進(jìn)行定性分析的公式， 即視電阻率與地表電阻率，電流密度的關(guān)系式。設(shè)地面水平，當(dāng) M，N電極間的距離 MN 很小時(shí)，其間的電場(chǎng)強(qiáng)度可認(rèn)為是均勻的，因此有

所以

式中jMN， ρMN分別為M，N電極間任意點(diǎn)的電流密度和介質(zhì)的電阻率。將（1-3）帶入（1-2） 式中得到

設(shè)均勻各向同性半無(wú)限介質(zhì)的電阻率為 ρ，MN 間的電流密度為 j0，此時(shí)（1-4）式 可寫(xiě)成

因討論的是均勻介質(zhì)，故ρs 應(yīng)等于 ρ，于是便有

將（1-5）代入到（1-4）

式中 ρMN 只決定于裝置的類型和大小，對(duì)于確定的裝置，可以認(rèn)為它是已知的。

本次高密度電法勘察采用α排列，溫納-施倫貝爾裝置。該裝置數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好，測(cè)試效果對(duì)垂向電性變化反映最為明顯，反演深度準(zhǔn)確。剖面采用電極距5m、局部采用3m，采用60個(gè)電極進(jìn)行采集。

2資料解釋

在獲得各勘察剖面圖后，對(duì)其進(jìn)行合理的地質(zhì)解釋至關(guān)重要。據(jù)已有資料顯示，本場(chǎng)地勘察深度范圍內(nèi)主要的巖、土層有：風(fēng)積黃土層、砂卵礫石層和黑云母花崗巖。

滲漏區(qū)域或者通道通過(guò)的區(qū)域在砂卵礫石層和黑云母花崗巖中都表現(xiàn)為低阻異常。

通過(guò)對(duì)勘察剖面的分析，以及根據(jù)以往的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，我們對(duì)本勘察區(qū)內(nèi)的巖、土層對(duì)的電阻率有如下認(rèn)識(shí)：

（1）介質(zhì)的電阻率在各勘察剖面中有明顯相對(duì)強(qiáng)弱，有數(shù)值范圍，單位為Ω·m；

（2）富水砂卵礫石層和乏水砂卵礫石層的電阻率差異明顯；

（3）完整基巖和節(jié)理裂隙發(fā)育的基巖電阻率差異明顯；

為此，對(duì)區(qū)內(nèi)的地質(zhì)現(xiàn)象分為下述三類，同時(shí)，對(duì)巖、土層采用下述圖例表示：

富水砂卵礫石層：電阻率較低，一般介于20Ω·m-80Ω·m；

乏水砂卵礫石層：電阻率較高，一般大于300Ω·m；

節(jié)理裂隙發(fā)育的基巖（富水、形成滲漏通道）：電阻率較低，一般介于50Ω·m-150Ω·m。

從排列一的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析不難看出，有4處明顯的低阻異常，三個(gè)小異常，一個(gè)大異常，里程分別為K0+72～K0+78、K0+159～K0+179、K0+233～K0+239、K0+233～K0+239，編號(hào)為Y01、Y02、Y03、Y04，如圖1。從排列二的觀測(cè)結(jié)果分析看出，有2處較大的低阻異常，里程分別為K1+50～K1+84、K1+93～K1+132，編號(hào)為Y04、Y05，如圖2。

本次斯木塔斯水電站古河槽滲漏勘察在9條測(cè)線上共發(fā)現(xiàn)19處滲漏區(qū)域，從各條測(cè)線分析主要的滲漏區(qū)域出現(xiàn)在以1#古河槽和2#古河槽分界的山脊兩側(cè)，以及1#古河槽靠近主壩的岸坡山體之間。

3成果驗(yàn)證

根據(jù)高密度電法勘查出的滲漏部位，分別在1#古河槽和2#古河槽里程為K0+233～K0+239、K1+50～K1+84、K1+93～K1+132處布置了三個(gè)鉆孔進(jìn)行取芯及壓水試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鉆孔巖芯較為破碎，而且節(jié)理裂隙發(fā)育，滲水嚴(yán)重。這與物探結(jié)果基本吻合，證明高密度電法勘查成果可信。

4結(jié)論

高密度電法具有點(diǎn)距小、數(shù)據(jù)采集密度大的特點(diǎn)，能較直觀、形象地反映斷面電性異常體的形態(tài)、規(guī)模、產(chǎn)狀等。通過(guò)斷面電性異常體的形態(tài)、規(guī)模、產(chǎn)狀，結(jié)合地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，可以較為準(zhǔn)確地推測(cè)出地質(zhì)體空間形態(tài)情況、地層巖性、斷裂等情況。

在斯木塔斯水電站古河槽滲漏勘察中高密度電法的應(yīng)用取得了良好的效果，既避免了鉆探工作的盲目性，又節(jié)省了經(jīng)費(fèi)。但也存在不足之處。（1）道間距的大小直接影響高密度電法的精度，在存在較大質(zhì)量問(wèn)題的防滲墻區(qū)段，應(yīng)盡量縮短道間距，進(jìn)行較詳細(xì)的勘查，但會(huì)影響勘查深度；（2）當(dāng)?shù)仉娦圆钶^小時(shí)，高密度電法的分辨率較低，效果較差，分層劃分模糊不清。