高密度電阻率法在土壩滲漏通道探測(cè)中的應(yīng)用

李 焱 鄒晨陽(yáng) 吳永風(fēng)

(1.江西省水利科學(xué)研究院, 江西 南昌 330029;2. 江西省水工安全工程技術(shù)研究中心, 江西 南昌 330029;3. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院, 陜西 楊凌 712100)

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高密度電阻率法在土壩滲漏通道探測(cè)中的應(yīng)用

李 焱1,2,3鄒晨陽(yáng)1,2吳永風(fēng)1,2

(1.江西省水利科學(xué)研究院, 江西 南昌 330029;2. 江西省水工安全工程技術(shù)研究中心, 江西 南昌 330029;3. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院, 陜西 楊凌 712100)

利用高密度電阻率法對(duì)水庫(kù)大壩滲漏通道進(jìn)行探測(cè)，并用地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，基本探明了滲漏通道的走向和埋深，表明高密度電阻率法在探測(cè)滲漏通道方面具可信度。同時(shí)指出在滲漏通道探測(cè)工作中，應(yīng)使用兩種以上方法，以使結(jié)論互相印證。

大壩； 滲漏通道； 高密度電阻率法； 探測(cè)

Application of high density resistivity method in earth dam seepage channel detection

1 前 言

高密度電阻率法探測(cè)技術(shù)自20世紀(jì)80年代發(fā)明以來(lái)，廣泛應(yīng)用于工程勘探、地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估、工程檢測(cè)等領(lǐng)域。在水利水電工程中，主要應(yīng)用于混凝土防滲墻質(zhì)量檢測(cè)、堤壩隱患滲漏探測(cè)等。關(guān)于高密度電阻率法在堤壩滲漏通道探測(cè)中的應(yīng)用，前人進(jìn)行了大量的研究，基本明確了高密度電阻率法的應(yīng)用方法,并指出了在應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)。本文在參考這些研究的基礎(chǔ)上，對(duì)水庫(kù)大壩實(shí)例的滲漏通道進(jìn)行探測(cè)，排查大壩滲漏通道并確定走向和位置，同時(shí)根據(jù)走向?qū)炷练罎B墻進(jìn)行質(zhì)量判定，利用高密度電阻率法和地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)大壩下游壩體進(jìn)行探測(cè)。

2 工程概況

江西省貴溪市界牌水庫(kù)大壩為均質(zhì)土壩，最大壩高20.30m，壩長(zhǎng)147m，壩頂高程59.78m(假設(shè)高程)，總庫(kù)容196萬(wàn)m3，該水庫(kù)為小(1)型水庫(kù)工程。水庫(kù)始建于20世紀(jì)60年代，由于年久失修，大壩滲漏嚴(yán)重，下游常出現(xiàn)滲水、管涌等險(xiǎn)情。

3 探測(cè)原理及儀器

高密度電阻率法探測(cè)技術(shù)是在傳統(tǒng)的四極對(duì)稱直流電探測(cè)法基礎(chǔ)上，對(duì)地下介質(zhì)的導(dǎo)電性差異進(jìn)行分析，從而確定地下介質(zhì)分布的一種電學(xué)勘探方法。其工作過(guò)程是首先施加并接收一個(gè)人工電場(chǎng)，研究地下傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律，從而推斷地下具有不同電阻率地質(zhì)體的位置。該方法可以同時(shí)布設(shè)大量電極，檢測(cè)密度高，但探測(cè)深度和布設(shè)導(dǎo)線的長(zhǎng)度有關(guān)。使用的儀器為DUK-4全波形分布式高密度電阻率法儀，該儀器集電流電位全波形記錄、32位A/D、大功率控制、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)于一體，現(xiàn)場(chǎng)可編程陣列邏輯；儀器具備完善的測(cè)量控制過(guò)程，具有接地電阻檢測(cè)、電極自檢功能、電極電位超限自延測(cè)量功能和自動(dòng)增益功能，可確保在受到干擾的情況下仍能獲得高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)。

4 探測(cè)工作流程

為探測(cè)水庫(kù)滲漏通道，共進(jìn)行兩次測(cè)試，兩次探測(cè)的平面位置均為大壩0+000～0+080，高程分別為53.78m、49.78m；測(cè)線均布置于背水坡并平行于壩軸線。

每次探測(cè)選用8根10道電纜，共80道電極，電極間距1m。斷面測(cè)量時(shí)所有電極一次性鋪設(shè)完成，為確保電極接地良好、各電極接地電阻均一，剖面測(cè)量前對(duì)所有電極進(jìn)行接地電阻檢查，采取澆鹽水等手段保證各電極接地電阻均小于7kΩ。采集過(guò)程中供電電壓采用400V。

5 成果分析及驗(yàn)證

5.1 高密度電阻率法探測(cè)成果

a.大壩0+000～0+080斷面。大壩0+000～0+080，高程53.78m處斷面共布置高密度點(diǎn)電法測(cè)線1條(見圖1)，布置于背水坡一級(jí)馬道上，馬道高程53.78m。采用溫納排列進(jìn)行測(cè)量。

圖1 JP1線高密度電法反演電阻率剖面(▽53.78m)

JP1線起點(diǎn)樁號(hào)為0+000(圖1右側(cè))，終點(diǎn)樁號(hào)為0+080(圖1左側(cè))，道間距1m(反演后加密為0.5m)，共80道電極。從視電阻率等值圖可以看出，在測(cè)線橫坐標(biāo)35～43(樁號(hào)0+037～0+045附近)出現(xiàn)低阻異常帶,電阻率約為70Ω·m。對(duì)地下水電阻率值的探測(cè)結(jié)果，推斷該處可能為隱伏的滲漏通道。其深度大約為測(cè)線以下9～12m左右，即高程約為44.78～41.78m。

b.大壩0+000～0+080斷面。大壩0+000～0+080，高程49.78m斷面布置高密度點(diǎn)電法測(cè)線1條(見圖2)，布置于二級(jí)馬道上。采用溫納排列進(jìn)行測(cè)量。

圖2 JP2線高密度電法反演電阻率剖面(▽49.78m)

JP2線起點(diǎn)樁號(hào)為0+000(圖2右側(cè))，終點(diǎn)樁號(hào)為0+080(圖2左側(cè))，道間距1m(反演后加密為0.5m)，共80道電極。從視電阻率等值圖可以看出，在測(cè)線橫坐標(biāo)37～60(樁號(hào)0+020～0+043附近)出現(xiàn)明顯低阻異常,電阻率約為70Ω·m，推斷可能為滲漏通道，深度約為測(cè)線以下5～7m，即高程約為44.78～42.78m。

5.2 地質(zhì)雷達(dá)法驗(yàn)證

地質(zhì)雷達(dá)法，利用超高頻電磁波探測(cè)地下介質(zhì)分布，基本原理是：發(fā)射天線發(fā)射脈沖電磁波訊號(hào)。當(dāng)這一訊號(hào)在巖層中遇到地層變化或地質(zhì)體變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反射訊號(hào)。直達(dá)訊號(hào)和反射訊號(hào)通過(guò)接收天線輸入接收機(jī)，放大后由示波器顯示并由主機(jī)記錄。隨著地質(zhì)雷達(dá)的行進(jìn)和地下物體的變化，波形不斷增加并改變。根據(jù)波形變化，即可以判斷地下地層和地質(zhì)情況變化；根據(jù)被探測(cè)物體的介電常數(shù)，即可對(duì)地下地層和地質(zhì)情況進(jìn)行深度分析。其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)介電常數(shù)變化較大的地質(zhì)體可清晰分辨。該次探測(cè)地質(zhì)雷達(dá)操作平臺(tái)為Windows CE，主機(jī)可適配所有高中低頻雷達(dá)天線，頻率范圍從16MHz到2.2GHz，掃描速率最高300線/s，具備連續(xù)測(cè)量、測(cè)量輪、點(diǎn)測(cè)三種模式，測(cè)量范圍0～8000ns。

共進(jìn)行1次驗(yàn)證探測(cè)，位置為大壩0+000～0+080，高程49.78m，探測(cè)總長(zhǎng)度80m；探測(cè)位置同高密度電阻率法。

選用80MHz非屏蔽低頻組合天線，天線中心頻率為80MHz，為了對(duì)自然界的雜波、儀器雜波及其他信號(hào)雜波進(jìn)行過(guò)濾，僅采集20～200MHz電磁波信號(hào)。結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料，選擇合適介電常數(shù)和記錄長(zhǎng)度，使測(cè)試達(dá)到預(yù)期深度。選擇點(diǎn)測(cè)模式，并通過(guò)增大發(fā)射率和疊加次數(shù)以提高測(cè)量精度。收發(fā)天線間距固定為1.20m，步長(zhǎng)選定為0.50m。

探測(cè)雷達(dá)原始圖經(jīng)時(shí)間零點(diǎn)確認(rèn)→背景去除→表面范化→橫向擴(kuò)展→反卷積處理后，形成雷達(dá)成像圖(見圖3)。

圖3 大壩0+000～0+080地質(zhì)雷達(dá)成像(▽49.78m)

圖3中縱坐標(biāo)為深度，橫坐標(biāo)右側(cè)為0+000，左側(cè)為0+080。

根據(jù)圖3可以看出：圖中深度0～1m存在較多異常情況，但考慮到1m以內(nèi)為雷達(dá)盲區(qū)(盲區(qū)范圍隨雷達(dá)頻率不同)，判定為干擾雜波。在樁號(hào)0+020～0+040范圍內(nèi)，深度5m向下，波形起伏較大，推斷為該區(qū)域?yàn)楹^高區(qū)域。但由于土體含水率較高，干擾較大，因此無(wú)法對(duì)其深度進(jìn)行準(zhǔn)確定位。結(jié)合高密度電阻率法，認(rèn)為深度為5.0m向下，即高程44.78m以下均為高含水區(qū)。

綜合高密度電阻率法和地質(zhì)雷達(dá)法的探測(cè)結(jié)果，推斷滲漏通道高程為44.78～41.78m處，平面位置由0+037～0+045逐漸變?yōu)?+020～0+043，說(shuō)明隨著滲漏的產(chǎn)生，高含水體范圍呈擴(kuò)大趨勢(shì)。

6 結(jié) 論

利用高密度電阻率法，對(duì)大壩滲漏通道進(jìn)行了探測(cè)，并用地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行了驗(yàn)證，基本確定了滲漏通道位置和走向。對(duì)堤壩滲漏通道進(jìn)行探測(cè)時(shí)，應(yīng)使用兩種以上方法互相驗(yàn)證探測(cè)結(jié)果，結(jié)論更可靠。

地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)滲漏通道探測(cè)成果可信度弱于高密度電阻率法，相比后者，耗時(shí)更長(zhǎng)，操作更復(fù)雜，建議地質(zhì)雷達(dá)法作為高密度電阻率法的驗(yàn)證和補(bǔ)充方法。

[1] 李雷,張國(guó)棟.我國(guó)堤壩隱患探測(cè)技術(shù)及面臨的問(wèn)題與建議[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2009(4):91-99

[2] 鄧居智,劉慶成,莫撼.高密度電阻率法在探測(cè)水壩隱患中的應(yīng)用[J].華東地質(zhì)學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，24(4):282-285.

[3] 董延朋,萬(wàn)海.高密度電阻率法在堤壩洞穴探測(cè)中的應(yīng)用[J].物探裝備，2006，16(1):56-58.

LI Yan1, 2, 3, ZOU Chenyang1,2, WU Yongfeng1, 2

(1.JiangxiWaterResourcesScienceResearchInstitute,Nanchang330029,China; 2.JiangxiHydraulicSafetyEngineeringTechnologyResearchCenter,Nanchang330029,China; 3.NorthwestAgricultureandForestryUniversity,WaterResources

andArchitecturalEngineeringInstitute,Yangling712100,China)

High density resistivity method is utilized for the detection of the reservoir dam leakage passage. Geological ground penetrating radar method is used for validating the detection result. The direction and buried depth of seepage channel are basically detected. It is obvious that the high density resistivity method has high credibility in the aspect of seepage channel detection. Meanwhile, it is pointed out that the two methods should be applied in seepage channel detection work for confirming the conclusions mutually.

dam; seepage channel; high density resistivity method; detection

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.11.018

TV698.2+3

B

1005-4774(2016)11- 0065- 04