一種改進(jìn)的高密度電法在堤壩滲漏探測中的應(yīng)用

歐陽永永 朱 珺 楊 翼

中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計院有限公司，湖南長沙 410000

湖南省郴州市蘇仙區(qū)橋口鎮(zhèn)境內(nèi)某水庫離郴永大道約120m，面積約12萬m2，水庫存水量較大，周邊有工業(yè)廠房和村莊。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該水庫堤壩壩體滲漏嚴(yán)重，日涌水量超2000m3，對水庫壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及附近基礎(chǔ)設(shè)施安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅?，F(xiàn)場地質(zhì)人員采用傳統(tǒng)地質(zhì)勘察手段均未能查明滲漏位置，因此急需對此堤壩開展工程物探工作，以幫助探明滲漏準(zhǔn)確位置。

當(dāng)前，針對堤壩滲漏的工程的物探方法有很多，探測儀器門類也較豐富，在不同的地質(zhì)及地球物理條件下，通過各種物探方法進(jìn)行滲漏探測，各有優(yōu)劣。高密度電法憑借反映地電信息豐富、施測簡便、工作效率高等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)勘查中。但在工程物探應(yīng)用中，高密度電法由于正反演計算有時也存在一定的局限性，因此在地質(zhì)解釋中常作“半定量”推斷。而在特定工程條件下，若結(jié)合實際，通過對高密度電法進(jìn)行有針對性地“改良”，往往達(dá)到到事半功倍的勘探效果。

1 工區(qū)地質(zhì)及地球物理特征

本次滲漏堤壩所處場地為丘陵地貌，附近基層多裸露，覆蓋層很薄。壩體上方道路長約60m，路面較窄，約5～8m。堤壩迎水面離壩體頂部約3m，堤壩背水面地形陡峭，植被茂盛，滲漏處涌水點較多，涌水流速高。通過地質(zhì)勘察發(fā)現(xiàn)，堤壩道路表層為填方區(qū)，主要為粘土，夾有砂礫；往下為厚度較薄的混凝土層，結(jié)構(gòu)較破碎；下伏基巖為第三系紅砂巖地層。

據(jù)分析，壩體表層粘土電阻率稍高，下伏基巖紅砂巖為低阻地層，兩者存在一定的電阻率差異。而堤壩滲透通道含水庫流水，也屬低阻介質(zhì)，且與周圍的紅砂巖電阻率差異小，很難在地球物理場中分辨出電性異常區(qū)。若通過人工干預(yù)的方法改變滲漏通道的物性，使之與周圍介質(zhì)存在一定的物性差異，可具備開展物探工作的地球物理條件。

2 高密度電法原理及外業(yè)工作方法

高密度電法作為一種陣列電阻率勘探方法，采用高密度布點，進(jìn)行二維地電斷面測量，集電剖面和電測深于一體。高密度電法勘探的前提條件是地下介質(zhì)間的導(dǎo)電性差異，和常規(guī)電法一樣，它通過A、B電極向地下供電（電流為I），然后測量M、N極電位差△U，從而求得該記錄點的視電阻率值ρs=K×ΔU/I。根據(jù)實測的視電阻率剖面進(jìn)行計算、處理、分析，便可獲得地層中的電阻率分布情況，從而解決相應(yīng)的工程地質(zhì)問題。

本文高密度電法采用溫納（α）裝置，通過重慶地質(zhì)儀器廠高密度電法儀器自動轉(zhuǎn)換電極、掃描測量得到二維電法數(shù)據(jù)斷面。室內(nèi)數(shù)據(jù)處理采用RES2DINV自動迭代反演程序，其正演過程采用有限元法，反演采用光滑約束最小平方反演技術(shù)，反復(fù)迭代降低RMS，提高反演精度，從而得到電阻率反演斷面圖。數(shù)據(jù)處理與資料解釋流程示意圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)處理與資料解釋流程示意圖

在外業(yè)工作布置時，沿壩體方向、大致垂直滲透通道走向布置一條高密度電法勘探剖面，敷設(shè)電極總數(shù)為60，電極距為2m，隔離系數(shù)為18，勘探剖面長度118m，勘探覆蓋范圍與深度可滿足工程勘察需要。在數(shù)據(jù)采集時，先保持高密度電法勘探裝置觀測參數(shù)不變，連續(xù)進(jìn)行兩次數(shù)據(jù)采集，經(jīng)二維反演后，發(fā)現(xiàn)電阻率斷面一致性良好，以此證實該觀測系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

根據(jù)前期制定的物探實施方案，結(jié)合現(xiàn)場迎水面及滲漏流速等情況估算，在該堤壩迎水面投入約500kgNaCl粉末，經(jīng)溶解后增加堤壩滲透通道中導(dǎo)電離子的總數(shù)量，從而改善滲漏通道導(dǎo)電性，降低滲透通道電阻率，增大與圍巖介質(zhì)的電性差異。在投鹽5～8min后，再進(jìn)行第二次高密度電法數(shù)據(jù)采集，通過對比分析電阻率反演剖面其中的電性變化，并對電阻率異常區(qū)進(jìn)行解釋推斷，從而達(dá)到查明堤壩滲漏目的。

3 物探資料解釋及推斷

在完成本次高密度電法數(shù)據(jù)采集后，通過將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、剔除壞點、加地形等處理，經(jīng)二維反演得到電阻率斷面圖。根據(jù)電阻率二維反演計算規(guī)律，剖面“兩翼”的三角形區(qū)域一般不作定性或定量解釋。

由投入NaCl前的勘探剖面圖2可知，剖面中間黃色區(qū)段為堤壩壩體，主要對應(yīng)為上部回填壓實的粘土層，厚度在1.5～3m之間；往下為回填土與基巖界面，有輕微破碎并存在一定的滲透現(xiàn)象；在42～46m、55.2～57.5m、72～75m，埋深分別為3～4m、8～10m、5.3～6.3m的三處均存有低阻異常區(qū)，且異常區(qū)形態(tài)較明顯。

圖2 堤壩壩體上方高密度電法反演電阻率斷面圖

當(dāng)投入NaCl間隔5～10min后施測，經(jīng)反演得到勘探剖面圖3可知，在42～46m、55.2～57.5m、72～75m，埋深分別為3～4m、8～10m、5.3～6.3m的三處低阻異常更明顯，反演呈現(xiàn)的低阻閉合圈呈現(xiàn)一定的“放大”或“拉伸”現(xiàn)象，且反演電阻率值變小。經(jīng)分析，主要原因為：當(dāng)巖體致密或較完整，未形成滲透的含水通道，導(dǎo)電離子無法進(jìn)入巖體時，巖體電阻率不會有明顯變化。相反，當(dāng)巖體破碎或含滲透通道，由于水的運移攜帶導(dǎo)電離子，會導(dǎo)致該區(qū)域電阻率下降，從而使二維電阻率反演后的低阻區(qū)域擴(kuò)大。由此可知，低阻異常區(qū)擴(kuò)大以及反演電阻率下降的現(xiàn)象與壩體的滲透通道有關(guān)，一定程度上佐證了低阻異常區(qū)解釋為滲透通道的可能。

圖3 投入NaCl后堤壩壩體上方高密度電法反演電阻率斷面圖

結(jié)合工程地質(zhì)條件，在物探剖面42～46m、55.2～57.5m、72～75m選取3個點進(jìn)行鉆探驗證。經(jīng)鉆探驗證發(fā)現(xiàn)，三處均存在巖體破碎，厚度在0.3～1.1m不等。為進(jìn)一步驗證探測位置的準(zhǔn)確性，在鉆孔中加入木屑等不溶于水材料進(jìn)行了堤壩滲透的連通試驗。試驗充分表明，鉆孔所揭露的滲透通道與壩體背水面滲漏的涌水是完全相連的。因此，表明壩體布置物探剖面所對應(yīng)42～46m、55.2～57.5m、72～75m，埋深分別為3～4m、8～10m、5.3～6.3m的三處位置為堤壩壩體滲透的主要通道。

4 結(jié)語

（1）采用此改進(jìn)的高密度電法方法對堤壩滲漏問題進(jìn)行探測是有效的，且有較高的解釋精度，能較快查明堤壩滲漏空間位置，為堤壩滲漏施工治理提供良好的參考作用。

（2）在解決堤壩滲漏問題時，當(dāng)滲漏規(guī)模相對小，或滲漏通道與周圍介質(zhì)的物性差異性小難于探測時，可結(jié)合工程實際，采用通過人工干預(yù)方法適當(dāng)改變滲漏通道導(dǎo)電性，使之與周圍介質(zhì)產(chǎn)生更大的物性差異，提高地球物理信號響應(yīng)，并通過對比分析人工干預(yù)前后的物性特征變化，更易探測異常目標(biāo)體的存在，且較準(zhǔn)地確定其空間位置，這對于解決類似工程問題具有較好的借鑒和指導(dǎo)意義。