綜合物探方法在病險水庫安全評價鑒定檢測中的應用

劉 斯 萬

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

綜合物探方法在病險水庫安全評價鑒定檢測中的應用

劉 斯 萬

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

單一檢測我國堤防質量的方法眾多，由于無法對堤防質量作出準確分類，因此，單一的物探檢測方式給出的辨識結果存在無法解釋的地方，給質量檢測留下諸多隱患。但是，如果將綜合物探方法充分應用其中就可以有效避免上述問題。

綜合物探,堤防質量檢測,高密度電法

最常用的綜合物探方法有高密度電法，瑞雷面波法，激化法和探地雷達法等。這些方法應用于堤防質量的檢測中通常能發(fā)揮重大的作用。然而，一般病險水庫修建年限較長，而堤防土質又十分復雜，因此，僅用一種物探方法進行檢測就非常容易產(chǎn)生出多種解釋。這樣很難正確判斷堤防質量，并對其進行系統(tǒng)分類。綜合物探方法的選擇原則是首先盡量選擇不同物性參數(shù)的物探方法，并將其進行組合，從不同的物探參數(shù)角度來表現(xiàn)同一個探測目的體，這樣得到的測試參數(shù)就具備了多樣化；其次，在探測深度上遵循了“選擇探測深度淺、精度高、探測深度大、精度相對較低”的方法進行組合，使得探測信息更加豐富、完整，解釋成果更加全面，對水庫安全評價評估和對水庫堤壩設計加固處理更加富有指導意義。

1 工程簡介

本項目為重慶市某區(qū)水庫大壩安全鑒定項目，要求對轄區(qū)內(nèi)21座小二型水庫開展大壩安全鑒定工作，以確保水庫安全。21座水庫中,其中人和水庫屬于混凝土重力壩，建成時間為2003年；馬甲塘水庫為漿砌石拱壩，建成時間為1978年；其余19座水庫均為均質土壩，建成時間為1958年—1979年。除蔡家溝水庫壩高25.8 m外，其余水庫壩高均為幾米至十幾米，水庫為均質土壩。防護堤的構造比較均勻(見圖1)。而填筑堤身所用到的材料主要是為第三系的紫紅色泥巖、泥質構造的粉砂巖、風化的板巖巖土和粉色、黃紅色網(wǎng)狀的粘土；每個水庫中涉及的水文地質都比較簡單，地下水一般都是松散巖層的孔隙水。本次檢測了11座電站的安全。因此，實驗從重慶市某區(qū)幾個水庫堤防的實際特點出發(fā)，先用高密度阻率法對堤身進行檢查，在相對異常的地段再運用探地雷達測試和激化極化法來詳細對其進行檢查，再進行淺部用瑞雷波法對其中一些有代表性的地段進行詳細分層檢測，以得到壩堤身土體分層的具體狀況。根據(jù)驗證以及分析，對堤防質量進行正確的判斷，進而對其作出客觀的評價。

2 檢測方法

根據(jù)任務要求，采用高密度電阻率法、地質雷達法與瑞雷面波法及激化極化法的綜合地球物理勘探方法對重慶市某區(qū)11個水庫壩址進行探測。

野外現(xiàn)場采集的原始數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)轉儲、預處理后，利用Surfer軟件繪制ρs視電阻率斷面圖，根據(jù)斷面圖中顯示的電性分布特征，判斷出地質體的視電阻率范圍，圈定出電性異常點，分析引起異常點的原因，從而剔除干擾異常，留下真異常。

采用高密度電法反演軟件RES2DIV進行反演，從而得出視電阻率層析成像圖，使其能夠準確反映地下介質視電阻率分布的真實情況，從而對地層進行劃分。

2.1地質雷達

地質雷達是利用時間域脈沖信號，通過接收反射信號達到探測地下目標的目的。本次地質雷達法探測采用的儀器為瑞典進口的MALA地質雷達(ProEx第二代)，針對不同的探測深度，配合使用100 MHz和50 MHz兩種頻率地面耦合型天線。

2.2瞬態(tài)面波原理

瞬態(tài)面波勘探法具有操作簡便，探測速度快、對檢測場地要求不高且能一次獲得與深度相關的地層瑞雷面波速度參數(shù)的特點，所以，在工程地質勘察和工程質量檢測方面應用廣泛。

瞬態(tài)面波法儀器利用在一個波長深度范圍內(nèi)傳播的瑞雷波來進行測試。隨深度變化的地層中，彈性波以不同的波速傳播，具有不同頻率(或波長)的瑞雷波就在不同的深度進行傳播。本次檢測采用瞬態(tài)法，采用WZG-24A地震儀，由人工瞬時激發(fā)出瑞雷波信號，通過頻譜分析，計算出各頻率的波速，并形成頻散曲線，進而分析填筑層的密實情況，達到勘測的目的。

2.3激發(fā)極化原理

激發(fā)極化法(簡稱激電法，以下同)找水主要用于研究地下介質二次場的強度和衰減速度。在研究過程中根據(jù)半衰時TH、衰減度D、極化率η等值，找出含水異常。TH指二次場電位衰減至一半(50%)時所需的時間，衰減度D是對二次場電位衰減速度的反映，TH與D值越大，二次場衰減速度越慢，則地質體的含水性越好。激電法儀器測試的參數(shù)基本上有以下幾種：

極化率(η)：是表示巖石激發(fā)極化作用強弱的參數(shù)，在數(shù)值上為二次場某一規(guī)定時刻的電位差ΔV2與一次場電位差ΔV1比值的百分數(shù)。

半衰時(TH)：是激發(fā)極化作用強弱的重要參數(shù)，設斷電后延時到200 ms時，二次場第1子樣ΔV2(M1)，則半衰時為二次場衰減到ΔV2(M1)/2時的時間值，單位為ms。

衰減度(D)：是研究二次場電位差的衰減規(guī)律與一次場電位差不發(fā)生任何關系，因此衰減度參數(shù)是激電二次場找水的主要參數(shù)。

即衰減度為二次場子樣在5 s內(nèi)均值與第1個子樣(M1)之比。地下水位的探測主要是利用二次場的衰減特性來研究地下水。本次地下水浸潤線測試工作以衰減度(D)作為主要的衰減特征參數(shù)。

本次工作采用對稱四極裝置，最小供電極距(AB極距)3.0 m，最大供電極距(AB極距)50 m，測量極距(MN距)選用2.0 m，用大電流、高電壓供電，選擇極差小且穩(wěn)定的測量電極(不極化電極)，以確保各種參數(shù)的準確性和有效性。

野外現(xiàn)場采集的原始數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)轉儲、預處理后，利用Surfer軟件繪制視電阻率ρs、半衰減時TH、視衰減度Ds斷面圖，根據(jù)斷面圖中顯示的電性分布特征，結合有關的水文資料及觀測曲線的特征(曲線類型、異常幅度等)，以區(qū)分第四紀覆蓋層含水及干擾背景，推斷巖性變化及構造發(fā)育情況，進而區(qū)分獨立含水體，確定穩(wěn)定地下水位，如圖2所示是有代表性的衰減度D值曲線，分析認為在地下一定深度存在地下水位，也就是本次工作要尋找的地下浸潤線的所在。

3 應用實例

本次重慶市某區(qū)11個水庫測區(qū)均屬侵蝕—剝蝕淺切低山、丘陵地貌。沿線出露的地層主要包括：第四系(Q4)覆蓋層，下伏侏羅系中統(tǒng)的上沙溪廟組(J2S)、下沙溪廟組(J2XS)、新田溝組(J2X)，中下統(tǒng)的自流井組(J1-2Z)和下統(tǒng)珍珠沖組(J1Z)的基巖。地質構造和水文地質條件較簡單。沿線自然邊坡穩(wěn)定。本文列舉其中“六一水庫”的綜合物探方法運用實例中所取得的測試成果，進行主要的舉例分析。該庫主要建筑物為土壩。

探測結果(見圖3)表明：高密度電阻率法所反映該土壩整體均勻性較差，表層填筑較致密；測線18 m～25 m處的低阻體為溢洪道的反應，測線0 m～65 m段，135 m～177 m段存在的高阻反應，推斷為左右壩肩基巖的反應，測線65 m～135 m段低阻推測為土壩壩體含水且密實度較差，均勻性較差，不排除存在滲漏的可能，也可能為壩后建筑物基礎的影響。根據(jù)電阻率阻值推算的壩基界面不清晰。未發(fā)現(xiàn)明顯的洞穴、裂縫、松散體、高含砂層及滲漏通道等隱患。地質雷達法探測表明：測線20 m～90 m段，反射波形相對紊亂，判斷為土壩壩體的反應，土壩大壩壩體整體填筑料分布均勻性一般。瑞雷面波法探測表明：如圖4所示為瞬態(tài)面波測試Vs分布剖面圖，Vs波速分布層狀明顯，分層明顯。土壩的面波速度VR=150 m/s～330 m/s，地表以下9 m左右波速相對偏低，為壩體的反應。從壩頂往下，面波速度逐漸增高，表明密實度越來越好。

激法極化法地下水浸潤線平面分布圖(如圖5所示)表明：90 m～108 m段激電測點是布置在水庫土壩與壩肩上，地下水浸潤線相對比較高，高程為323.00 m，且有向中部延伸的趨勢，從而也可以發(fā)現(xiàn)平面圖的左側是地下水浸潤線相對較低的地段，圖5中的橫坐標0 m～70 m段，地下水浸潤線在平面上有呈左低右高的分布。總體上看地下水浸潤線分布基本是隨地形變化而變化。

實驗發(fā)現(xiàn)瞬態(tài)面波法能夠有效分層水庫壩身，高密度電阻率法與地質雷達法可以判定高阻或低阻洞穴的隱患，利用激法極化法地下水浸潤線平面分布來判斷地下水的動向。由此可見，幾種物探的方法運用在實例中，才能夠幫助我們對水庫壩身的質量作出充分的判定，進而對所判斷的水庫壩身作出客觀的評價。

4 結語

1)本次采用高密度電阻率法、地質雷達法、瞬態(tài)面波法及激化極化法綜合物探方法對重慶市某區(qū)水庫安全鑒定評價探測，查明了所鑒定水庫土壩中的洞穴、裂縫、松散體、高含砂層、護坡脫空和滲漏通道等隱患的規(guī)模、位置與埋深和大壩清基程度、巖體風化深度、裂隙發(fā)育程度；查明均質土壩填筑材料的層位、均勻性等，判定填筑介質的密實度。綜合物探成果各方法之間相互應證效果較好，尤其是對物探異常位置的定位判斷是基本一致的，物探成果能有效地反映出水庫壩身的宏觀地質形態(tài)特征。2)通過這次綜合物探方法在病險水庫的安全鑒定取得較好的效果，為今后物探工作的開展拓寬了思路，展現(xiàn)了綜合物探方法的新思維。3)單一物探方法測試結果易受地形影響，電法或磁法類方法易受電磁干擾的影響，采用政務通相互驗證、相互補充可以提高物探效果。4)物探方法均遵循從已知到未知、從簡單到復雜，由表及里的認識過程，因此，從搜集已知資料開始到現(xiàn)場踏勘、布置典型實驗性測點或測線，最終分析各種干擾因素的影響程度等一系列環(huán)節(jié)都是整個探測工作過程中必不可少的工作。5)綜合物探方法的優(yōu)勢在于采用兩種或兩種以上常規(guī)物探方法，各自發(fā)揮探測優(yōu)勢，通過相互補充、取長補短，并相互驗證的方法達到提高探測效果和解釋精度的目的。物探方法選擇取決于勘探目的，根據(jù)探測目的層的深度、精度要求來選擇不同物探及其方法，以提高探測成果準確性和可靠性。本次基于對水庫壩址的工程地質條件安全鑒定，物探方法選定以高密度電阻率法勘探為主，地質雷達法、瞬態(tài)面波法和激化極化法探測方法為輔的技術思路是十分正確的。

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Theapplicationofintegratedgeophysicalmethodindamsafetyevaluationinaspectoftheidentificationdetection

LiuSiwan

(ZhongnanConstructionResearchInstituteofChinaElectricPowerConstructionGroupCo.,Ltd,Changsha410014,China)

There are many detective method for dikes quality in our country. The identification results given by a single geophysical detection method are beyond interpretation because the quality of embankments cannot be accurately classified which leave a lot of risks to the quality detection. However, the full application of the integrated geophysical method can effectively avoid the above problem.

complex geophysical prospecting, embankment quality inspection, high density resistivity method

1009-6825(2017)32-0197-03

2017-09-04

劉斯萬(1962- )，男，工程師

P631

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