基于高密度電法的土石壩滲漏探測(cè)

(1.莒南縣澇坡水利服務(wù)中心，山東 莒南 276628；2.莒南縣水利局，山東 莒南 276600)

滲漏是土石壩最常見的危害之一，準(zhǔn)確地探明滲漏位置是進(jìn)行土石壩除險(xiǎn)加固、消除滲漏危害的前提。目前，土石壩滲漏探測(cè)的方法有多種，如電阻率法、電磁法和震動(dòng)法，其中電阻率法是最直觀、最有效的滲漏探測(cè)方法[1-3]。樊炳森等[4]采用高密度電法對(duì)水庫進(jìn)行滲漏探測(cè)，查明了該水庫中漏水點(diǎn)、溶洞及溶蝕發(fā)育帶位置。李文忠等[5]研究了測(cè)線布置、探針布置距離及探測(cè)參數(shù)對(duì)高密度電法探測(cè)結(jié)果的影響。涂丹等[6]介紹了高密度電法的探測(cè)原理，分析了降低高密度電法干擾因素的方法，并以實(shí)例分析了高密度電法在水庫大壩滲透探測(cè)應(yīng)用中的可行性。賈海磊等[7]采用網(wǎng)格化的布線方式進(jìn)行高密度電法探測(cè)，并根據(jù)視電阻率的數(shù)值以及等值線形態(tài)進(jìn)行滲漏分析，并根據(jù)鉆探結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

高密度電法雖然目前在滲漏探測(cè)中應(yīng)用廣泛，但由于存在明顯的體積效應(yīng)使其探測(cè)精度降低，難以準(zhǔn)確探明滲漏位置[8-9]。為消除高密度電法滲漏探測(cè)時(shí)存在的體積效應(yīng)，準(zhǔn)確探明土石壩滲漏位置，本文通過對(duì)壩體抽芯取樣土進(jìn)行不同含水率的土體電阻率測(cè)量，建立了壩體填筑土電阻率與含水率的相關(guān)關(guān)系，并應(yīng)用于高密度電法滲漏探測(cè)中。

1 工程概況

前河崖水庫位于沭河水系高榆河上游，水庫總庫容為11.04萬m3，興利庫容8.81萬m3，流域面積0.31km2，流域形狀為長(zhǎng)方形，流域地勢(shì)四周高中間低，干流長(zhǎng)度0.65km，分水嶺最高高程為249.9m。1971年10月，水庫開工，1972年12月竣工，完成了大壩、放水洞、溢洪道等主體工程施工。受當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件限制，工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低、質(zhì)量差，雖經(jīng)2009年應(yīng)急除險(xiǎn)加固，仍存在防洪能力低、工程質(zhì)量差等安全問題。

大壩為東西走向，壩型為均質(zhì)壩，現(xiàn)狀大壩全長(zhǎng)172m，壩頂高程163.91～164.35m，壩頂寬4.5～5.0m，最大壩高12.6m。上游坡坡比1∶2.59～1∶2.71，下游坡坡比1∶2.04～1∶2.8。壩體高程163.45～163.63m以上巖性為礫石土，礫石土具中等透水性，不能作為防滲體。高程163.45～163.63m以下巖性為壤土，來源于第四系沖積物及少量的坡殘積物，鉆探巖芯完整，連續(xù)均勻，長(zhǎng)柱狀，壤土的黏粒含量為23.1%～33.5%，塑性指數(shù)11.1～15.5，土料各項(xiàng)指標(biāo)基本符合規(guī)范一般土防滲料質(zhì)量指標(biāo)技術(shù)要求。

壩前迎水坡表層為塊石護(hù)坡，小石子灌縫，護(hù)坡石巖性為砂巖、二長(zhǎng)巖，個(gè)別砂巖塊石已風(fēng)化破碎，護(hù)坡石大小、厚度基本符合規(guī)范技術(shù)要求，石縫之間雜草叢生，護(hù)坡石局部有隆起、沉陷，平整度、砌縫寬度不符合規(guī)范要求，護(hù)坡石砌筑質(zhì)量一般。護(hù)坡石下為碎石墊層，碎石粒徑1～3cm，墊層厚度0.03～0.08m不等，局部無墊層，護(hù)坡石直接放置于壩體土上，碎石墊層與壩體土之間缺乏過渡層，不符合規(guī)范反濾層料質(zhì)量指標(biāo)技術(shù)要求，波浪淘刷，壩體土易被帶出。

壩后背水坡表層為自然草皮護(hù)坡，壩后背水坡表層設(shè)有條石砌筑橫向排水溝，砂漿勾縫、抹底，砂漿老化、剝落，排水溝多處出現(xiàn)斷折、坍塌、缺失，排水溝出口沖刷壩腳。壩后主河床段坡腳有亂石壓腳，無反濾排水體。

2 電阻率測(cè)試

取典型具有代表性的大壩鉆孔土樣置于烘箱內(nèi)烘干，將烘干土樣碾碎攤平后按含水率5%、10%、15%、20%、30%、40%和50%進(jìn)行配水，配水時(shí)采用噴壺分多次噴灑，噴灑同時(shí)不停攪拌土樣保證其混合均勻，待土樣充分混合均勻后置于密閉容器中靜置24h以保證水分均勻分散，24h后將土樣取出采用擊實(shí)設(shè)備將其擊實(shí)至壓實(shí)度0.95。并通過電阻率測(cè)試儀進(jìn)行電阻率測(cè)試(見圖1)?？梢钥闯觯S含水率逐漸增大，電阻率逐漸減小，且當(dāng)含水率大于30%時(shí)，含水率對(duì)電阻率影響趨于不明顯，電阻率與含水率存在明顯的冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系:

ρ=aω-b

(1)

式中ρ——土體電阻率；

ω——土體含水率；

a、b——關(guān)系常數(shù)。

圖1 土體電阻率與含水率關(guān)系曲線

3 高密度電法探測(cè)

3.1 探測(cè)原理

高密度電法探測(cè)原理見圖2，假定探測(cè)壩體為各向同性的半無限空間，電極A、B向壩體輸出強(qiáng)度為I的電流時(shí)，則在M和N電極處可接收到的電位值UM、UN可表示為[10-12]

(2)

(3)

式中 AM、BM——供電電極A、B與觀測(cè)電極M間的距離;

AN、BN——供電電極A、B與觀測(cè)電極N間的距離。

M、N間的電位差可表示為

(4)

電阻率ρ可表示為

(5)

圖2 高密度電法探測(cè)原理

3.2 探測(cè)方式

隨著高密度電法的快速發(fā)展，其探測(cè)方法已由最開始的α、β、γ三種演變?yōu)槟壳暗氖畮追N，最常用的方法有單極-單極、兩極、三極、對(duì)稱四極和溫納法等，其中溫納法由于其豎向探測(cè)精度高而被廣泛采用[13]。該次探測(cè)采用溫納裝置,電極排列方式見圖3，電極排列順序依次為A、M、N、B，電極間距AM、MN和NB均控制為2m，且四個(gè)測(cè)線均保持同步。

圖3 電極排列方式

采用EarthImager 2D進(jìn)行視電阻率反演分析，分析方法為阻尼最小二乘法，最小二乘法可通過多次迭代、擬合使反演結(jié)果趨于真實(shí)情況，其表達(dá)式為

JTJ+λCTC)P=JTg

(6)

式中J——偏導(dǎo)矩陣;

JT——其轉(zhuǎn)置矩陣；

λ——拉格朗日乘數(shù)，本次反演取0.15；

C——光滑濾波矩陣；

P——參數(shù)校正矢量；

g——理論與實(shí)測(cè)比值參數(shù)值之差。

4 探測(cè)結(jié)果分析

將反演結(jié)果導(dǎo)入Surfer，繪制視電阻率等值線云圖(見圖4)?？梢钥闯?，壩體表面由于大氣降雨等環(huán)境因素影響導(dǎo)致其含水率偏高，使得表層土體出現(xiàn)各向異性的低阻異常，電阻率在100～200Ω·m，根據(jù)式(1)可推測(cè)其含水率在20%～28%；壩體6m以下存在局部低阻異常，電阻率在50～80Ω·m，壩體含水率偏高，通過對(duì)比浸潤(rùn)線發(fā)現(xiàn)該處高程高于浸潤(rùn)線高程，壩體可能在該處存在滲漏；壩體6m以上土體電阻率在210～600Ω·m，估算其含水率在10%～15%；左壩肩出現(xiàn)高阻異常，可能是由于探測(cè)部位接近左岸山體，該部分為巖土電阻率偏高。

圖4 高密度電法探測(cè)等值線云圖

5 結(jié) 語

通過室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試了含水率為5%、10%、15%、20%、30%、40%和50%的壩體填筑土土樣的電阻率，建立了壩體填筑土電阻率與含水率相關(guān)關(guān)系，并將其用于解譯高密度電法探測(cè)結(jié)果。主要結(jié)論如下：隨含水率逐漸增大，電阻率逐漸減小，且當(dāng)含水率大于30%時(shí)，含水率對(duì)電阻率影響趨于不明顯，電阻率與含水率存在明顯的冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系；壩體表面和6m深度以下均存在低阻異常，壩體表面低阻異常原因?yàn)榇髿饨涤甑拳h(huán)境因素影響導(dǎo)致其含水率偏高，而6m深度以下壩體低阻異常原因?yàn)閴误w滲漏；建立的壩體填筑土電阻率與含水率相關(guān)關(guān)系可定量分析壩體填筑土的含水率，明顯提高高密度電法解譯精度，更加準(zhǔn)確地判斷土石壩滲漏情況。