壩體隱患強密度電阻率勘測法探測的實驗分析

趙 晶

(宜昌市水利水電勘察設(shè)計院有限公司，湖北 宜昌 443005)

壩體隱患探測是水工壩體建造和安全維護始終重視的技術(shù)和實踐課題，良好的檢測手段和技術(shù)，關(guān)系到工程測量的效率和精度，更事關(guān)工程的建造質(zhì)量和維護使用安全。本文基于對案例實驗工程實施隱患工程預(yù)設(shè)實施強密度電阻率勘測法隱患探測及解析，分析判斷該測量結(jié)果與隱患工程預(yù)設(shè)的基本符合程度，驗證壩體隱患探測應(yīng)用強密度電阻率勘測法探測的可靠程度，以期為同類工程應(yīng)用提供借鑒和技術(shù)參考。

1 強密度電阻率勘測法原理

強密度電阻率勘測法的主要工作機理與常用的電阻率測量法大體相同，也是一種基于壩體內(nèi)介質(zhì)導(dǎo)電性電阻率差異的電子測探方法。通常情況下，由孔洞、土性或裂隙等構(gòu)成的地下介質(zhì)，其具體設(shè)計填埋深度、大小以及性質(zhì)等經(jīng)人工加載電場的傳播作用，電流傳導(dǎo)分布與各賦存狀態(tài)發(fā)生各具特點的關(guān)聯(lián)反應(yīng)狀態(tài)。只要探測到這些傳導(dǎo)電流所呈現(xiàn)的互有差異的分布規(guī)律，區(qū)域地層介質(zhì)電阻率分布就會被逐一解析出來，然后通過反向推演，可以知悉區(qū)域地層的地質(zhì)存在狀態(tài)。強密度電阻率勘測法偵測機理見圖1。

圖1 強密度電阻率勘測法偵測機理

強密度電阻率勘測法的供電頻率一般相對比較低，而且通常都是相對固定不變的，因此一定程度上就本質(zhì)而言，強密度電阻率勘測法還是屬于電子勘測法的技術(shù)范疇。相較于常規(guī)電測方法，強密度電阻率勘測法通常都設(shè)置具有相對較大密度的區(qū)域測點。強密度電阻率勘測法將電剖面勘測和深區(qū)勘測功能合成一體，可以輕松獲取目標(biāo)地域電勘測斷面的空間二維信息，故其信息量通常遠遠高于基于普通電測法的測量信息量。

強密度電阻率勘測法對壩體隱患的探測規(guī)律一般為：均質(zhì)地層的電阻率一般比較均勻平緩，隱患地質(zhì)和位置則呈現(xiàn)電阻局部異常。如弱軟參構(gòu)體、軟弱結(jié)構(gòu)層或者漏滲通道等等，基本都有呈現(xiàn)為較高的介電、較低的密度以及較低的電阻率反應(yīng)探測狀態(tài)；而空洞和裂隙等隱患狀態(tài)，通常呈現(xiàn)為低介電、低密度、高電阻探測反應(yīng)狀態(tài)。

在野外操作的強密度電阻率勘測法探測，其基本過程是：地面布設(shè)幾十甚至幾百個工作電極，經(jīng)過多芯引線連接串聯(lián)，接至專業(yè)的電極轉(zhuǎn)換器，交由智能電子主機控制區(qū)域測點，操控掃描電極排列狀態(tài)和陣列極距，不斷操控電極位置，借以測度出相關(guān)底層部位的差異化電位分布，進而收到對不同測度深度的壩體目標(biāo)的精確勘測。

2 模型壩體及實驗方案

案例實驗選取在黃河沿線河南境內(nèi)的一處某崗李水庫，實驗壩體劃分為1#壩和2#壩。1#壩：長度100 m，坡度1∶2，壩底寬22 m，壩頂寬2 m，系在既有舊壩體邊新建的壩體。2#壩：長度100 m，坡度1∶3，壩底寬32 m，壩頂寬2 m，系由既有舊壩體改造而成。兩實驗壩于距離壩頂?shù)?.6 m位置交匯，壩頂中線距離為16 m，形成一個梯形的橫截空間。見圖1、圖2。

舊實驗壩2#的隱患設(shè)計預(yù)設(shè)，壩體頂部制作施工中，于開挖回填恢復(fù)后，即要做一次強密度電阻率勘測法的探測，通過解析數(shù)據(jù)并與真實隱患工程預(yù)設(shè)實施比對。選用施倫伯格電測法裝，電極距0.5 m，電極數(shù)60，探測距離每次30 m。為盡可能降低梯型勘測面所造成的相關(guān)正常數(shù)據(jù)的失缺，相鄰間隔探測間要始終保持電極至少10個重合，總測線程長度100 m。選用AGI軟件對電測資料實施推演。

圖2 基于橫截面的實驗壩示意

圖3 基于平面的實驗壩示意

實驗壩1#在距離壩頂5 m的壩基部分開始堆筑隱患工程預(yù)設(shè)。堆筑同時，分別在距離壩頂2及3.5 m處和壩頂部位，3次探測壩體隱患工程預(yù)設(shè)。選用專業(yè)AGI智能系統(tǒng)，對勘測所獲得的一手數(shù)據(jù)資料開展進一步推演，比對實驗所確定的壩體隱患基本預(yù)設(shè)，解析驗證強密度電阻率勘測法的探測準(zhǔn)確度和精度。

3 強密度電阻率勘測法分析結(jié)果檢測

3.1 對實驗壩2#的探測結(jié)果及比對

見圖4-圖7。

圖4 壩頂部位距離0～30 m推演結(jié)果

圖5 壩頂部位距離25～55 m推演結(jié)果

圖6 壩頂部位距離50～80 m推演結(jié)果

圖7 壩頂部位距離75～105 m推演結(jié)果

案例實驗壩2#隱患工程預(yù)設(shè)部位見圖8。

圖8 案例2#中線縱剖面示意

壩段0～30 m區(qū)段，設(shè)計4個隱患存在，分別系空洞態(tài)低阻值介電體2個和洞狀高阻體2個。隱患1為洞狀高阻體，探測系在0.7～1.3 m的設(shè)計填埋深度，基于水平向測量值系在4.7～5.7 m的標(biāo)準(zhǔn)距離；隱患2系空洞態(tài)低阻值介電體，探測顯示2.7～3.6 m設(shè)計填埋深度，基于水平向測量值系在12～13 m的標(biāo)準(zhǔn)距離；洞狀高阻體為第3個隱患，探測部位顯示為1.5～2.4 m的設(shè)計填埋深度，基于水平向測量值系在19.5～20.5 m的標(biāo)準(zhǔn)距離。

比對隱患工程預(yù)設(shè)設(shè)計，3部位測量結(jié)果基本與隱患工程預(yù)設(shè)設(shè)計相符。隱患工程預(yù)設(shè)直徑為0.5 m，推演結(jié)果比對實際隱患發(fā)生了非正常放大。其原因在于探測電阻率并非是真實電阻率，而為視電阻率。隱患3顯示異常的電阻率是水平方向電阻率，最有可能是施工中混入了諸如小石塊等電阻率較大的雜質(zhì)，也可能為不均勻土質(zhì)所致。隱患4系空洞態(tài)低阻值介電體，未能顯示在圖中的原因在于梯形是強密度電阻率勘測法的二維探測面的基本幾何形狀，測線端點的下方存在一個三角形測定盲區(qū)。此亦為要求第1次和第2次觀測要留有5 m重合的原因。

壩段25～55 m，共存有隱患4個，為空洞態(tài)低阻值介電體2個、板狀高阻體1個以及洞狀高阻體1個。隱患1系圖中未顯示的空洞態(tài)低阻值介電體隱患，探測部位顯示為1.5～2.5 m設(shè)計填埋深度，水平位在1.5～3 m，結(jié)合前面的25 m，可作26.5～28 m標(biāo)準(zhǔn)距離換算。隱患2系洞狀高阻體，探測顯示為2.7～3.6 m的設(shè)計填埋深度，基于水平向測量值系在換算后的34.5～35.5 m標(biāo)準(zhǔn)距離；隱患3系空洞態(tài)低阻值介電體，探測顯示為0.6～1.4 m的設(shè)計填埋深度，基于水平向測量值系在換算后41.6～42.6 m的標(biāo)準(zhǔn)距離。比對隱患設(shè)計預(yù)設(shè)部位，3個探測結(jié)果與隱患設(shè)計預(yù)設(shè)基本符合，推演結(jié)果也是發(fā)生了非正常的異常放大現(xiàn)象，其原因大致基本同上。非正常的異常放大的倍數(shù)有所差異當(dāng)屬正常，因為隱患周邊土質(zhì)不盡相同，其對應(yīng)視電阻率當(dāng)然有所不同。隱患4系板狀高阻體，探測部位顯示為0.7 m頂部設(shè)計填埋深度，基于水平向測量值系在為換算后52.5～53 m的標(biāo)準(zhǔn)距離，隱患4下半部分未有顯示，此暫不予解析。以上推演結(jié)果均符合于隱患設(shè)計預(yù)設(shè)的部位所在。

在50～80 m壩段，共存在隱患3個，均為板狀高阻體。隱患1在上文已然有述，此不再解析；隱患2系板狀高阻體，探測部位顯示為1.3～4 m設(shè)計填埋深度。此處設(shè)計設(shè)計填埋深度是2～4 m，基于水平向測量值系在換算后59.5～60 m的標(biāo)準(zhǔn)距離。隱患3系板狀高阻體，探測部位顯示為0.7～3 m設(shè)計填埋深度，此處設(shè)計設(shè)計填埋深度是1～3 m，基于水平向測量值系在換算后69.5～70.5 m的標(biāo)準(zhǔn)距離。比對隱患工程預(yù)設(shè)部位設(shè)計，此2處測量結(jié)果符合于隱患工程預(yù)設(shè)水平設(shè)計，都發(fā)生0.3 m豎向上的提增，非正常放大現(xiàn)象越接近探測地面越明顯。

在75～105 m壩段，只存在板狀高阻體1個隱患。探測位顯示為0.7～3 m設(shè)計填埋深度，基于水平向測量值系在換算后80～80.5 m的標(biāo)準(zhǔn)距離。比對隱患工程預(yù)設(shè)設(shè)計，上述探測結(jié)果符合于隱患工程預(yù)設(shè)設(shè)計，同樣都發(fā)生了0.3 m的豎向上的增益。除掉土質(zhì)不均和異常放大現(xiàn)象帶來的誤差，將實驗壩2#探測結(jié)果跟實際設(shè)計隱患作對比，探測結(jié)果符合于實際隱患部位。

在推演圖中，有3種背景體顏色，分別是黃色、綠色和天藍色。發(fā)生藍色系之向紅色系演變，表明電阻率在逐漸放大。因為施工條件的一些限制，采用的工程土體粒質(zhì)不夠均勻。天藍色對應(yīng)較大水分的黏土，綠色對應(yīng)較少水分的黏土，黃色則對應(yīng)沙土。

3.2 實驗壩1#的探測結(jié)果與實際隱患比對

3.2.1 距壩頂3.5 m部位的比對

見圖9-圖12。

圖9 距壩頂3.5 m部位，距離0～30 m推演結(jié)果

圖10 距壩頂3.5 m部位，距離25～55 m推演結(jié)果

圖11 距壩頂3.5 m部位，距離50～80 m推演結(jié)果

圖12 距壩頂3.5 m部位，距離75～105 m推演結(jié)果

實驗壩1#實際隱患部位示意圖見圖13。

圖13 案例壩1#中線縱剖面隱患工程預(yù)設(shè)

在0～30 m壩段，共存在隱患2個，為洞狀高阻體和空洞態(tài)低阻值介電體各1個。隱患1系空洞態(tài)低阻值介電體，探測部位顯示為1～2 m設(shè)計填埋深度，聯(lián)系3.5 m至壩頂距離，換算后為4.5～5.5 m的設(shè)計填埋深度，基于水平向測量值系在14.5～15.5 m的標(biāo)準(zhǔn)距離。隱患2系洞狀高阻體，探測部位顯示為換算后3.7～4.5 m設(shè)計填埋深度，基于水平向測量值系在24.5～25.5 m的標(biāo)準(zhǔn)距離。比對隱患工程預(yù)設(shè)設(shè)計，除異常放大的推演結(jié)果外，探測結(jié)果均符合隱患工程預(yù)設(shè)設(shè)計填埋深度，仍發(fā)生了水平方向的電阻率異?，F(xiàn)象，原因如前文所述。

在25～55 m壩段，存在隱患2個，為洞狀高阻體和空洞態(tài)低阻值介電體各1個。隱患1系空洞態(tài)低阻值介電體，探測部位顯示為換算后3.7～4.5 m設(shè)計填埋深度，基于水平向測量值系在換算后34.7～35.5 m的標(biāo)準(zhǔn)距離：隱患2系洞狀高阻體，探測部位顯示為換算后4.7～5.4 m的設(shè)計填埋深度，基于水平向測量值系在換算后44.5～45.4 m的標(biāo)準(zhǔn)距離。比對隱患工程預(yù)設(shè)設(shè)計，除異常放大的推演結(jié)果外，探測結(jié)果均符合隱患工程預(yù)設(shè)設(shè)計填埋深度，仍發(fā)生了水平方向的電阻率異常現(xiàn)象，原因如前文所述。在50～80 m壩段和75～105 m壩段，沒有探測隱患顯示，實際部位事實上也不存在隱患設(shè)定。

3.2.2 距壩頂2 m部位的比對解析

見圖14-圖17。

圖14 距壩頂2 m部位，距離0～30 m推演結(jié)果

圖15 距壩頂2 m部位，距離25～55 m推演結(jié)果

圖16 距壩頂2 m部位，距離50～80 m推演結(jié)果

圖17 距壩頂2 m部位，距離75～105 m推演結(jié)果

實驗壩1#實際隱患部位示意圖見圖18。

圖18 案例壩1#中線縱剖面隱患工程預(yù)設(shè)

在0～30 m壩段，存在隱患2個，為洞狀高阻體和空洞態(tài)低阻值介電體各1個。隱患1系空洞態(tài)低阻值介電體，探測部位顯示為換算后4.7～5.3 m的設(shè)計填埋深度，基于水平向測量值系在4.3～15 m多年標(biāo)準(zhǔn)距離；隱患2為洞狀高阻體，探測部位顯示為換算后3.5～4.5 m的設(shè)計填埋深度，基于水平向測量值系在24.5～25.5 m的標(biāo)準(zhǔn)距離。與設(shè)計隱患工程預(yù)設(shè)相對，探測結(jié)果符合設(shè)計隱患工程預(yù)設(shè)。

在25～55 m壩段，存在隱患2個，為洞狀高阻體和空洞態(tài)低阻值介電體各1個。隱患1系空洞態(tài)低阻值介電體，探測部位顯示為換算后3.8～4.5 m的設(shè)計填埋深度，基于水平向測量值系在換算后34～35 m的標(biāo)準(zhǔn)距離；隱患2為洞狀高阻體，探測部位顯示為換算后4.7～5.4 m的設(shè)計填埋深度，基于水平向測量值系在換算后44.6～45.6 m的標(biāo)準(zhǔn)距離。比對隱患設(shè)計預(yù)設(shè)，探測結(jié)果符合隱患設(shè)計預(yù)設(shè)。在75～105 m壩段，沒有探測隱患顯示，實際部位事實上也不存在隱患設(shè)定。在50～80 m壩段，存在軟弱夾層隱患1個，換算后2.7～3.3 m的設(shè)計填埋深度，水平位在65.5～71 m。比對隱患工程預(yù)設(shè)設(shè)計，亦符合實際隱患工程預(yù)設(shè)設(shè)計。

4 結(jié) 語

本文介紹了強密度電阻率勘測法基本原理；基于案例壩模型展開壩體隱患強密度電阻率勘測法檢測實驗；介紹了隱患實驗壩強密度電阻率勘測法檢測結(jié)果并進行了分析；驗證和體現(xiàn)了壩體隱患探測應(yīng)用強密度電阻率勘測法探測的符合程度，可為同類工程應(yīng)用提供借鑒和技術(shù)參考。