高密度電阻率法在某水庫(kù)南堤滲漏探測(cè)中的應(yīng)用研究

孫禮釗，鄭 琳，包偉力

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高密度電阻率法在某水庫(kù)南堤滲漏探測(cè)中的應(yīng)用研究

孫禮釗1，鄭 琳2，包偉力1

( 1.上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434；2.上海新地海洋工程技術(shù)有限公司，上海 200083)

某水庫(kù)在蓄水過程中，南堤出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，危害大堤安全。根據(jù)大堤介質(zhì)電性差異，應(yīng)用高密度電阻率法對(duì)某水庫(kù)南堤滲漏通道進(jìn)行探測(cè)。針對(duì)工區(qū)特殊性通過改善電極接地條件、選擇合適電極排列方式，有效地降低了瀝青混凝土路面的高阻屏蔽效應(yīng)；采用合理數(shù)據(jù)處理技術(shù)，得到較真實(shí)的地電斷面。準(zhǔn)確推斷出某水庫(kù)南堤滲漏通道的位置，并鉆孔驗(yàn)證，查明滲漏通道形成原因。探測(cè)結(jié)果表明：高密度電阻率法在某水庫(kù)南堤滲漏探查中具有可行性，有效地彌補(bǔ)了以往鉆孔探查周期長(zhǎng)、成本高、具有破壞性的不足。

水庫(kù)南堤滲漏；高密度電阻率法；高阻屏蔽；電極排列

( 1.ShanghaiInvestigation,Design&ResearchInstitute,Shanghai200434,China;2.ShanghaiXDHYEngineeringTechnologyCo.Ltd.,Shanghai200083,China)

1 引 言

水庫(kù)是一種十分重要的水利工程，具有防洪、灌溉、供水、發(fā)電、養(yǎng)殖等多方面效益。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)有水庫(kù)8萬(wàn)多座，其中95%以上為土石壩[1，2]。在水庫(kù)運(yùn)行過程中，堤壩滲漏是一種常見的病害現(xiàn)象。

堤壩滲漏探測(cè)方法中，由于地球物理方法具有快速檢查、連續(xù)掃描、無損、成本低的特點(diǎn)，有效地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的鉆孔取芯、開挖取樣方法的費(fèi)時(shí)費(fèi)力、破壞程度大等缺陷，因此得到越來越廣泛的應(yīng)用。目前水庫(kù)大壩滲漏探測(cè)較成熟的地球物理方法包括高密度電阻率法、地質(zhì)雷達(dá)法、自然電場(chǎng)法、地震反射波法、同位素示蹤法等[2-4]。本文主要探討高密度電阻率法在某水庫(kù)滲漏探查中的應(yīng)用。

某水庫(kù)位于長(zhǎng)江口南支下段南北港分流口水域，為蓄淡避咸型飲用水水源地水庫(kù)，在非咸潮期自流引水入庫(kù)供水，在咸潮期通過水庫(kù)預(yù)蓄的調(diào)蓄水量來滿足受水區(qū)域的原水供應(yīng)需求。2015年水庫(kù)蓄水過程中，南堤輸水管線穿越段背水坡青坎位置出現(xiàn)滲水冒砂現(xiàn)象，且隨水位升高滲水量增大，若不及時(shí)處理可能會(huì)導(dǎo)致管涌、堤身滑坡等現(xiàn)象，危及大堤安全及輸水管的正常使用。因此查明滲漏原因、確定滲漏通道位置等問題亟需解決，為大堤搶修治理提供依據(jù)。由于某水庫(kù)南堤存在高阻屏蔽、用電設(shè)備干擾大等現(xiàn)象，加大了滲漏探查的難度，筆者通過改善電極接地條件、選擇有效裝置、采用合理數(shù)據(jù)處理技術(shù)，最終查明了大堤滲漏情況。

2 地質(zhì)概況及地球物理特征

2.1 地質(zhì)概況

水庫(kù)南堤輸水管線穿越段(樁號(hào)：ND0+030～ND0+090)堤身是在原老海塘的基礎(chǔ)上改造形成，加固前已經(jīng)將原堤頂?shù)缆贰⒎姥磯?、護(hù)坡下拋石全部清除。

堤頂現(xiàn)狀高程為8.00 m，堤頂路面采用瀝青混凝土結(jié)構(gòu)，寬10.50 m，厚約0.6 m，瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)自上而下分別為0.08 m厚瀝青混凝土路面、0.5 m厚粉煤灰三渣及石渣墊層。高程3.0～7.4 m，堤身采用回填土分層壓實(shí)堆載，回填土為粉砂及砂質(zhì)黏土。高程3.0 m以下為第四紀(jì)沉積物，屬第四系河口、濱海、淺海、沼澤相沉積層，主要由飽和黏性土、粉性土以及砂土組成，具有成層分布特點(diǎn)；為防止堤身加寬加高引起下臥深厚軟弱土層不均勻沉降，對(duì)盾構(gòu)隧道(輸水管)的安全造成不利影響，采用真空—堆載預(yù)壓施工工藝進(jìn)行地基處理。某水庫(kù)南堤堤身斷面示意圖見圖1。

為滿足大堤防滲要求，對(duì)堤身采用高壓旋噴施工工藝進(jìn)行防滲處理；防滲體為Φ900@300(單位：mm)的高壓旋噴樁，樁長(zhǎng)24.7 m，樁頂高程為7.50 m，樁底高程為-17.20 m。

圖1 水庫(kù)南堤堤身斷面示意圖Fig.1 Diagram of Nan dam section

2.2 地球物理特征

水庫(kù)南堤(ND0+030～ND0+090)堤頂以下至0.6 m范圍內(nèi)為瀝青混凝土結(jié)構(gòu)，其電阻率較高約為1 000·m。堤身經(jīng)高壓旋噴處理，高壓旋噴樁是以高壓旋轉(zhuǎn)的噴嘴將水泥漿噴入土層與土體混合，形成連續(xù)搭接的水泥加固體，其電阻率值介于砂質(zhì)黏土電阻率及水泥電阻率之間；水泥電阻率與摻合料及齡期有關(guān)[5-7]，其電阻率值大于200·m，砂質(zhì)黏土(濕潤(rùn))電阻率值約為60·m。堤身滲漏通道中充填河水，河水電阻率約為20·m，由于河水電阻率低于堤身背景的電阻率，因此滲漏通道表現(xiàn)為低阻異常。

可以看出水庫(kù)南堤(ND0+030～ND0+090)滲漏通道與堤身介質(zhì)存在明顯的電性差異(表1)，為采用地球物理方法探測(cè)滲漏通道提供良好前提條件，擬采用高密度電阻率法進(jìn)行探測(cè)。

表1 水庫(kù)南堤堤身不同介質(zhì)電阻率值

3 野外工作方法及數(shù)據(jù)處理

3.1 高密度電阻率法基本原理

電阻率法是通過接地電極將直流電供入地下，建立穩(wěn)定的人工電場(chǎng)，在地表觀測(cè)某點(diǎn)垂直方向或某剖面的水平方向電阻率變化，從而了解巖層的分布或地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)。

A、B為供電電極，M、N為測(cè)量電極，當(dāng)AB供電時(shí)用儀器測(cè)出供電電流I(mA)和MN處的電位差ΔV(mV)，則巖層的電阻率按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：ρ為巖層的電阻率，·m； ΔV為測(cè)量電極間的電位差，mV；I為供電回路的電流強(qiáng)度，mA；K為裝置系數(shù)，與供電和測(cè)量電極間距有關(guān)，其計(jì)算公式為：

(2)

實(shí)際工作中所遇到的地層既不同性又不均質(zhì)或地表起伏不平，若按式(1)計(jì)算，所得電阻率則為視電阻率，是不均質(zhì)體的綜合反映。

高密度電阻率法是一種陣列式電阻率測(cè)量方法，它將電阻率法與計(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)結(jié)合，集電剖面和電測(cè)深于一體，采用高密度布點(diǎn)，進(jìn)行二維地電斷面的測(cè)量，既能揭示地下某一深度水平巖性的變化，又能提供巖性沿縱向的變化情況[8]。

3.2 測(cè)線布置

根據(jù)高密度電阻率法工作特點(diǎn)，本次勘查在水庫(kù)南堤共布置2條平行測(cè)線，分別布設(shè)在大堤道路距兩側(cè)邊緣約1.5 m處，并沿堤身軸線方向向工區(qū)兩側(cè)延伸30 m，每條測(cè)線共長(zhǎng)120 m，相距約7 m，樁號(hào)為ND0+000～ND0+120(圖2)。

圖2 高密度電阻率法測(cè)線布置Fig.2 Surveying line of high-density resistivity method

3.3 裝置選擇

高密度電阻率法電極排列方式具有很多種，野外施工應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況選擇具有高分辨率和較強(qiáng)觀測(cè)信號(hào)的測(cè)量裝置，保證探測(cè)結(jié)果的可靠性。

水庫(kù)南堤堤頂為瀝青混凝土路面，電極接地條件差。張凌云等指出接地電阻不均勻會(huì)導(dǎo)致反演結(jié)果形成假異常[9]，所以筆者對(duì)電極埋設(shè)點(diǎn)進(jìn)行鉆孔，孔內(nèi)填土、澆鹽水，堤面圍土等方法處理，將接地電阻控制在2.5～3.5 k范圍內(nèi)。

電極接地電阻較大，導(dǎo)致供電電流較小。高密度電阻率法各裝置中偶極-偶極裝置分辨率最高[10]，介于本次工況，小供電電流情況下，偶極-偶極裝置觀測(cè)信號(hào)很微弱，難以測(cè)準(zhǔn)，可能會(huì)帶來假異常，而偶極-偶極裝置的變種裝置——偶極排列()裝置，具有較高分辨率和較強(qiáng)觀測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)[11,12]；溫納裝置具有較高垂向分辨率和觀測(cè)信號(hào)強(qiáng)的特點(diǎn)，且在水庫(kù)滲漏調(diào)查中廣泛使用[13,14]。所以本次野外數(shù)據(jù)采集采用偶極排列()裝置、溫納裝置兩種電極排列方式。

3.3.1 溫納裝置

測(cè)量時(shí)，AM=MN=NB為一個(gè)電極間距，A、B、M、N逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng)，得到第一條剖面線；接著AM、MN、NB增大一個(gè)電極間距，A、B、M、N逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng)，得到另一條剖面線；這樣不斷掃描測(cè)量下去，得到倒梯形斷面(圖3)。

測(cè)量時(shí)，AB=BM=MN為一個(gè)電極間距，A、B、M、N逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng)，得到第一條剖面線；接著AB、BM、MN增大一個(gè)電極間距，A、B、M、N逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng)，得到另一條剖面線；這樣不斷掃描測(cè)量下去，得到倒梯形斷面(圖4)。

本次使用的儀器為重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所研制和生產(chǎn)的WGMD-9超級(jí)高密度電法系統(tǒng)，供電電壓為300 V，電極距為1 m，最大隔離系數(shù)為16層。

圖3 溫納裝置測(cè)量方式示意圖Fig.3 Diagram of Wenner

圖4 偶極排列(β)裝置測(cè)量方式示意圖Fig.4 Diagram of dipole electrode array (β)

3.4 數(shù)據(jù)處理

本次數(shù)據(jù)處理使用2DRES二維高密度電法反演軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，反演流程如圖5。

圖5 數(shù)據(jù)處理流程Fig.5 Flowing chart of data process

基于本次工況特殊性及原始數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，采用了以下關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理：

1)水庫(kù)堤壩配有路燈、監(jiān)控器等用電設(shè)備，對(duì)視電阻率原始數(shù)據(jù)造成一定程度的干擾，設(shè)置阻尼系數(shù)為0.3，用以壓制干擾。

2)選擇有限元方法計(jì)算模型的視電阻率。有限元方法中內(nèi)部邊界條件為自然邊界條件，自動(dòng)滿足，在處理較復(fù)雜幾何形狀異常體時(shí)適應(yīng)性較強(qiáng)。

3)網(wǎng)格剖分時(shí)，水平方向采用均勻剖分，垂直方向采用不均勻剖分。由于電阻率法的分辨率隨著深度增加而呈指數(shù)下降，選擇模型中下層比相鄰上層的層厚增加率為10%。

4)水庫(kù)堤壩為瀝青路面，其電阻率遠(yuǎn)大于下部地層電阻率，采用精細(xì)網(wǎng)格方法，將模型子塊寬度設(shè)置為電極距的1/2，以保證視電阻率計(jì)算精度。

5)計(jì)算最小二乘法方程雅克比矩陣時(shí)選擇每一次迭代時(shí)都計(jì)算雅克比矩陣。

6)選擇使用“標(biāo)準(zhǔn)高斯牛頓”最小二乘法，得到最小二乘法的精確結(jié)果。

4 綜合分析

4.1 高密度電法成果分析

圖6、圖7分別為測(cè)線1和測(cè)線2高密度電阻率法反演成果圖，測(cè)試結(jié)果具有較高的一致性。圖中所示電阻率值為對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下電阻率值(下同)。

圖6 測(cè)線1高密度電阻率法成果Fig.6 Result of line 1(a) The inversion result chart of Wenner; (b) The inversion result chart of dipole electrode array (β)

圖7 測(cè)線2高密度電阻率法成果Fig.7 Result of line 2(a) The inversion result of Wenner; (b) The inversion result of dipole electrode array (β)

1)縱向分析。工區(qū)表層深度0.8 m范圍內(nèi)，電阻率值較高，大于2.5·m，且呈水平展布，推測(cè)為表層瀝青路面及下部砂石墊層；高程1.0 m以下，電阻率值大于2.0·m，推測(cè)該處土體經(jīng)真空預(yù)壓處理后較為密實(shí)，含水率較低，且經(jīng)過高壓旋噴處理。

2)橫向分析。電阻率值呈低阻～高阻～低阻相間展布特征，ND0+000～ND0+030、ND0+090～ND0+120電阻率值較低，介于1.0～1.4·m之間，局部高阻異常為有限元反演邊緣效應(yīng)引起的假異常現(xiàn)象，推測(cè)該區(qū)域?yàn)檩斔芫€穿越段兩側(cè)原堤身未經(jīng)防滲處理區(qū)域，介質(zhì)為原狀土體且土體含水率較高；ND0+030～ND0+090段電阻率值相對(duì)較高，多數(shù)介于1.5～2.0·m之間，推測(cè)為高壓旋噴處理區(qū)域。電阻率分布特征與堤身地質(zhì)資料對(duì)應(yīng)良好。

在測(cè)線1(圖6)、測(cè)線2(圖7)反演成果圖中，在ND0+048～ND0+052段、ND0+058～ND0+078段高程4.0～5.0 m范圍均存在明顯的低阻異常，推測(cè)為水庫(kù)南堤輸水管線穿越段的滲水通道。根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查資料，水位高于4.5 m堤壩背水側(cè)有明顯滲水現(xiàn)象，水位低于4.0 m時(shí)，堤外側(cè)滲水現(xiàn)象消失。推測(cè)滲水通道與現(xiàn)狀調(diào)查資料相吻合，進(jìn)一步證實(shí)了ND0+048～ND0+052段、ND0+058～ND0+078段為滲水通道的可能性。

在測(cè)線1(圖6)反演成果圖中，ND0+030～ND0+046段高程4.0～5.0 m范圍存在低阻異常，在測(cè)線2(圖7)反演成果圖中，該區(qū)域不存在低阻異常，推測(cè)該段堤壩迎水側(cè)已形成了一定程度的沖蝕，但尚未貫穿整個(gè)堤身，存在潛在的滲水隱患，為防滲薄弱段。

4.2 鉆孔驗(yàn)證

根據(jù)高密度電法分析結(jié)果，在 ND0+074處布設(shè)一鉆孔，鉆孔資料(圖8)顯示，高程8.0～7.0 m段為瀝青路面及砂石墊層；高程7.0～5.0 m段為碎石與原狀土混合物，局部存在短狀水泥土；高程5.0～4.0 m段為堤身回填土體。表明某水庫(kù)南堤高壓旋噴樁未能形成完整的有效防滲墻體，驗(yàn)證結(jié)果與物探成果一致。

圖8 ND0+074處鉆孔芯樣照片F(xiàn)ig.8 Photo of ND0+074 core sample

5 綜合評(píng)價(jià)

綜合分析高密度電阻率法反演成果及鉆孔成果，表明：

1)水庫(kù)南堤輸水管線段滲漏通道位于ND0+048～ND0+052段、ND0+058～ND0+078段高程4.0～5.0 m范圍，近似呈水平狀展布；

2)堤壩ND0+030～ND0+046段高程4.0～5.0 m范圍迎水側(cè)已形成了一定程度的沖蝕，但尚未貫穿整個(gè)堤身，存在滲水隱患；

3)滲漏通道的形成，是由于高壓旋噴樁未能形成完整的有效防滲墻體，在水庫(kù)運(yùn)行使用過程中，形成了滲漏通道。

6 結(jié) 語(yǔ)

1)某水庫(kù)南堤堤頂為瀝青混凝土結(jié)構(gòu)，布設(shè)電極時(shí)采用鉆孔、圍土、澆鹽水等方法處理，并采用溫納裝置和偶極排列()裝置，能取得可靠的視電阻率數(shù)據(jù)，有效地降低高阻屏蔽效應(yīng)。兩種裝置成果綜合分析，相互印證，取得了更好的探測(cè)效果。

2)本文數(shù)據(jù)處理采用合適的技術(shù)參數(shù)，壓制干擾，得到了較真實(shí)的地電斷面，查明了滲水通道位置及成因，與滲水現(xiàn)狀調(diào)查資料相吻合，為大堤搶修治理提供了依據(jù)。

3)高密度電阻率法在某水庫(kù)南堤滲漏通道探查中具有可行性，有效地彌補(bǔ)了以往鉆孔探查周期長(zhǎng)、成本高、具有破壞性的不足，對(duì)以后某水庫(kù)開展物探工作具有借鑒意義。

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The Application of High-density Resistivity Method to Leakage Detection in Nan Dam of One Reservoir

Sun Lizhao1,Zheng Lin2,Bao Weili1

In the process of water storage, the leakage is found in the Nan dam of the reservoir, which may have a threat to the dam safety. According to the dielectric difference, high-density resistivity method is applied to detecting Nan dam leakage. Due to the particularity of work area, we reduce the high resistance shielding of asphalt concrete pavement effectively, by improving the conditions of ground electrode and choosing suitable electrode arrangements. Using reasonable data processing techniques, we get realistic geo-electric section and infer the location and the reason of Nan dam leakage accurately. Finally we drill a hole to prove the deduction. It shows that: high-density resistivity method is feasible in the exploration of Nan dam leakage and it can make up for the lack of the long period, high cost and destructiveness for the previous drilling exploration.

Nan dam leakage; high-density resistivity method; high resistance shielding; electrode arrangement

1672—7940(2016)05—0574—06

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.05.003

孫禮釗(1989-)，男，助理工程師，碩士，主要從事工程物探及主體結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)工作。E-mail：sunlizhao@126.com

P631.3

A

2016-05-18