高密度電法儀在天子崗水庫大壩滲漏探測中的應(yīng)用

李　波，何愷愷，羅　安，朱森強(qiáng)

(1.安吉縣天子崗水庫管理處，浙江　安吉　313310；2．浙江錢江科技發(fā)展有限公司，浙江　杭州　310012)

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高密度電法儀在天子崗水庫大壩滲漏探測中的應(yīng)用

李波1，何愷愷2，羅安2，朱森強(qiáng)2

(1.安吉縣天子崗水庫管理處，浙江安吉313310；2．浙江錢江科技發(fā)展有限公司，浙江杭州310012)

摘要：高密度電法是在常規(guī)電法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型物探方法。針對傳統(tǒng)土石壩滲漏安全隱患探測方法的不足，采用高密度電法對天子崗水庫土石壩滲漏安全隱患進(jìn)行了無損探測，以檢查評價高密度電法在中型水庫土石壩滲漏安全隱患探測中的有效性和適用性。

關(guān)鍵詞：高密度電法；水庫大壩；隱患探測；滲漏

1工程概況

天子崗水庫位于西苕溪支流渾泥港北源泥河上游，其源流與安徽省廣德縣交界，水庫集水面積23.8 km?？値烊? 801萬m3。是一座以灌溉為主，結(jié)合供水、防洪、發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫。大壩由主壩、副壩組成，全長1 195.00 m,壩型為黏土類均質(zhì)壩。主壩壩頂長1 150.00 m,壩高13.75 m，壩頂高程27.80 m，壩頂寬5.00 m。副壩位于主壩右側(cè)，壩頂長45.00 m，壩高15.20 m，壩頂高程27.80 m，壩頂寬5.00 m。2008年10月進(jìn)行水庫除險加固，2010年10月主體工程完工驗收。經(jīng)過多年運(yùn)行主壩壩腳處有多處滲漏，決定采用以高密度電阻率法對水庫的滲漏隱患進(jìn)行探測。

2高度密度電阻率法工作原理及方法

高密度電阻率勘探方法和普通電阻率方法一樣，以地下巖礦石的電性差異或者地下被觀測的目標(biāo)體與其圍巖之間的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)的一種地球物理勘探方法。向地下施加人工電場，在地表用專門的儀器測量、記錄并研究傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律，以解決相應(yīng)的地質(zhì)問題。在求解上述電場的分布規(guī)律時，理論上通常采取解析法。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，上述電場的分布滿足下面的偏微分方程：

(1)

式中：x0、y0、z0是源點坐標(biāo)，x、y、z是場點坐標(biāo)。當(dāng)x≠x0、y≠y0、z≠z0時，即只考慮無源空間時，上式可變?yōu)槔绽狗匠蹋?/p>

▽2=0

(2)

由于坐標(biāo)系的限制，解析法所能求解出來的地電模型是非常有限的。因此，在研究復(fù)雜的地電模型的電場分布時，通常采用數(shù)值模擬方法。譬如：二維地電模型使用點源二維有限元方法，三維地電模型使用面積分方程等方法。

本次高密度電法系統(tǒng)以WDJD-4多功能直流激電儀為測控主機(jī)，通過選配分布式高密度電阻率或激電電纜、電極，實現(xiàn)分布式二維高密度電阻率測量。通過高密度電法測量系統(tǒng)專門的軟件控制同一多芯電纜上的電極連接與轉(zhuǎn)換，即用1根多芯電纜與多個電極連接，在測量過程中由測量系統(tǒng)的軟件控制電極的連接和轉(zhuǎn)換，從而自動構(gòu)成了多個垂向電測深點和多個電測斷面的組合。從控制系統(tǒng)中選擇不同的測量裝置，來控制電極排列的不同組合，按照電測深點的順序和測量的電測斷面的深度的順序，進(jìn)行逐點和逐層的測量。從而實現(xiàn)了供電電極和測量電極的全部一次布設(shè)，自動供電、自動跑極、自動測量、自動計算、自動記錄、自動存儲。把測量系統(tǒng)中采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)，經(jīng)過相應(yīng)的處理獲得整體的地電斷面圖像。圖1為有60個電極的二維高密度電阻率測量系統(tǒng)野外施工布線示意圖。

野外采集數(shù)據(jù)時，給供電電極A、B 提供電流I，測量2個測量電極M、N之間的電位差U，從而就獲得了視電阻率。視電阻率表示為：

(3)

式中：K為裝置系數(shù)，ΔU是電極M、N之間的電位差(V)。

視電阻率的大小反映地下電場所達(dá)到區(qū)域的巖石電性的綜合性質(zhì)，視電阻率的值不僅與地下不同導(dǎo)電性的巖礦石有關(guān)，而且與所用的裝置類型以及地形有關(guān)。

本系統(tǒng)支持16 種測量裝置，包括溫納排列(α)、偶極排列(β)、微分排列(γ)、聯(lián)剖排列A(δA)、聯(lián)剖排列B(δB)、AM 排列、AMN 排列、ABM 排列、ABMN 排列、MNB 排列、施倫貝謝爾排列(α2)、自電M、自電MN、充電M、充電MN 排列和跨孔偶極排列。本次實測主要采用了溫納排列(α)和施倫貝謝爾排列(α2)。溫納排列(見圖2)在測量時，AM=MN=NB 為1個電極間距，A、B、M、N 逐點同時向右移動，得到第1條剖面線；接著AM、MN、NB 增大1個電極間距，A、B、M、N 逐點同時向右移動，得到另一條剖面線；這樣不斷進(jìn)行掃描測量，得到倒梯形斷面。

施倫貝謝爾排列(見圖3)測量時，AM=MN=NB 為1個電極間距，A、B、M、N 逐點同時向右移動，得到第1條剖面線；接著AM、NB 增大1個電極間距，MN 始終為1個電極間距，A、B、M、N 逐點同時向右移動，得到另一條剖面線；這樣不斷進(jìn)行掃描測量，得到倒梯形斷面。

3儀器設(shè)備

重慶奔騰WGMD-4高密度電法系統(tǒng)，具有存儲量大、測量準(zhǔn)確快速、操作方便等特點，并且可方便地與國內(nèi)常用高密度電法處理軟件配合使用，使解釋工作更加方便直觀。同時集先進(jìn)的發(fā)射、接收功能于一體，體積小、重量輕，所有電極排列全部采用滾動測量方式，斷面收尾亦變得輕而易舉；通過移動電極可使斷面無限接續(xù)，且系統(tǒng)自動計算并提示需要移動的電極，大大方便了使用者操作。采用帶背光的160×160點陣液晶顯示，32位單片機(jī)實現(xiàn)全中文人機(jī)界面及采集控制，采集參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示與存儲、各種曲線繪制等快捷直觀， 高達(dá)1 GB可存貯超過 5 000 000 組測量值，支持通過USB接口導(dǎo)出存儲數(shù)據(jù)，儀器將被計算機(jī)自動識別成通用U盤存儲器，數(shù)據(jù)文件的拷貝、剪切等操作和普通U盤完全相同，使用極其方便。采用多極濾波及信號增強(qiáng)技術(shù)，測量精度高。

4野外數(shù)據(jù)采集

本次探測的目的是了解高密度電法儀在檢測大壩滲漏的適用情況，在平行主壩方向共布置了3條測線。測線57201距離壩頂1 m，樁號0+400～0+695 m，電極距5 m，電極數(shù)60，分別采用溫納排列、施倫貝謝爾排列測量。測線57202距離壩頂12 m，樁號0+400～0+695 m，電極距5 m，電極數(shù)60，分別采用溫納排列、施倫貝謝爾排列測量。測線57203距離壩頂12 m，樁號0+870～0+929 m，電極距1 m，電極數(shù)60，分別采用溫納排列、施倫貝謝爾排列測量(見圖4)。

數(shù)據(jù)采集的基本步驟：

(1)按照設(shè)計好的測線、電極距布設(shè)電極，并將開關(guān)電纜線與電極連接好。

(2)把主機(jī)的電源線、地線連接好，并把主機(jī)接在電源上且給其供電。

(3)確保所有的電線都連接好后，然后打開主機(jī)的電源開關(guān)。

(4)檢測各電極接地情況。在主界面下按“R 地”鍵，進(jìn)入接地電阻測量界面。測量每根電極的對地電阻值。系統(tǒng)默認(rèn)以第1根電極作為參考電極，因此測量前必須確保第1根電極的可靠接地。若測得的接地電阻大于5 kΩ，系統(tǒng)提示接地電阻過大。若測得的接地電阻過大，應(yīng)采取澆水、打深電極等措施減小接地電阻。接地電阻檢測也可判斷電極與主機(jī)間的連線是否斷線，電極漏插的情況。

(5)打開采集系統(tǒng)進(jìn)行采集參數(shù)的設(shè)置，如裝置類型、電極數(shù)、電極距、測量的層數(shù)等。

(6)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，一個裝置采集完成后進(jìn)行保存并存盤。

5數(shù)據(jù)處理與解釋

現(xiàn)場記錄：天子崗大壩類型為黏土類均質(zhì)壩；樁號之間的間隔為1 m；樁號0+418～0+420 m、樁號0+500～0+505 m處是鋼筋混凝土臺階；樁號0+610～0+611 m、樁號0+898～0+899 m處是混凝土水渠；樁號0+900 m附近大壩底部有滲漏點。

現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)通過2DRES反演軟件進(jìn)行最小二乘反演，迭代5次，使每條測線的迭代誤差小于2%，得到如下反演成果圖5，圖中橫坐標(biāo)為測線長度，縱坐標(biāo)為測深。

測線57201布置在距離壩頂1 m處，樁號0+400～0+695 m，由圖5～6可知測線16 m深以下視電阻率<40 Ω·m是潛水層，12 m深度以上視電阻率>80是第四系全新統(tǒng)人工堆積層的高阻區(qū)，分布著大大小小的高阻閉合圈，是由地下含水率差異或者地下黏土分布不均勻?qū)е碌?。圖5～6可知溫納排列與施倫貝謝爾排列的反演結(jié)果沒有很明顯的差別。

測線57202布置在距離壩頂12 m處，樁號0+400～0+695 m，由圖7～8可知樁號0+400～0+440 m處有明顯的低阻異常，可能是受降雨等影響，表層積水未完全排出，導(dǎo)致表層填土局部含水率較高，電阻率偏低。測線9 m深度以下視電阻率<40是潛水層，6 m深度以上視電阻率>60是第四系全新統(tǒng)人工堆積層的高阻區(qū)。對比測線57201可知測線57202的高阻區(qū)視電阻率明顯偏低，是由于測線57201在壩頂，測線57202在壩中，壩頂?shù)娜斯ざ逊e層部分含水率比壩中低。

測線57203布置在距離壩頂12 m處，樁號0+870～0+929 m，由圖9可知在樁號0+898 m附近0～1 m深度范圍內(nèi)視電阻率ρS較小,視電阻率值為100～350 有明顯的高阻異常閉合圈，該高阻異常的形狀呈橢圓形，輪廓清晰，與現(xiàn)場記錄的樁號0+898～0+899 m處混凝土水渠相符。同時在0+896～0+905 m范圍內(nèi)有低阻異常閉合圈，與樁號0+900 m附近大壩底部有滲漏點相符合。在深度2～7 m范圍內(nèi)有2處低阻異常區(qū)并未在相對應(yīng)的大壩底部發(fā)現(xiàn)滲漏點，可能此處有微小滲漏或者沒有完全滲透。對比圖9和圖10可以發(fā)現(xiàn)施倫貝謝爾排列在樁號0+896～0+905 m范圍內(nèi)檢測出2個低阻異常體，而溫納排列檢測的是一個大范圍的低阻異常。

綜合以上可知，電極距設(shè)為5 m時，測量范圍大，能得到295 m長的剖面，但是精度明顯降低，在樁號0+418～0+420 m、樁號0+500～0+505 m、樁號0+610～0+611 m處看不到高阻閉合圈，而實際上這幾處有臺階。溫納排列與施倫貝謝爾排列測量的反演結(jié)果差別不大，施倫貝謝爾排列測量在深度方向上的分辨率較高。

6結(jié)論

高密度電法儀在天子崗水庫大壩檢查滲漏有一定的適用性，從取得的探測效果看，高密度電法不失為一種有效的水庫滲漏探測方法，總結(jié)以下幾點結(jié)論：

(1)電極距為1 m時基本能檢測出滲漏位置而且與實際符合較好，缺點是測量范圍和深度降低了很多。

(2)電極距5 m時精度不能滿足水庫滲漏的檢測要求，只能大致區(qū)分地層分布情況。

(3)溫納排列與施倫貝謝爾排列測量的結(jié)果差別不大，可以互相對比驗證，防止測量誤差；在有些地質(zhì)情況下，施倫貝謝爾排列測量在深度方向上的分辨率較高。

(4)本次探測的高密度電阻率法反演結(jié)果很好地反映該水庫大壩存在滲漏隱患，達(dá)到預(yù)期探測目的。

參考文獻(xiàn)：

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(責(zé)任編輯郎忘憂)

收稿日期：2015-09-28

作者簡介：李波(1978-)，男，工程師，大學(xué)本科，主要從事水利工程管理工作。

中圖分類號：TV698.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1008-701X(2016)02-0092-04

DOI：10.13641/j.cnki.33-1162/tv.2016.02.027