高密度電法在新疆某水庫大壩病險(xiǎn)隱患探測中的應(yīng)用

孔繁良，徐 超，李 軍

(1.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 地球物理化學(xué)探礦大隊(duì)，新疆 昌吉 831100；2.中國地質(zhì)大學(xué) 地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

1 引 言

新疆地處歐亞大陸腹地，氣候干旱少雨，灌溉水源對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)發(fā)展極為重要，因此歷來十分重視水庫建設(shè)。截至2018年底，新疆共修建水庫工程451座，總庫容達(dá)到7.9億立方米，這些水庫在防洪、灌溉、供水以及生態(tài)保護(hù)等方面發(fā)揮了重要作用[1,2]。其中大部分水庫興建于20世紀(jì)50～70年代，多為平原水庫，大壩以土石壩為主[3]。受當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件的制約，很多大壩工程設(shè)計(jì)和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏低，缺少必要的工程質(zhì)量控制手段與措施，同時(shí)由于工程管理工作滯后，大部分水庫大壩年久失修，經(jīng)過幾十年的運(yùn)行，40 %以上的水庫大壩存在不同程度的病險(xiǎn)隱患，包括大壩滲漏、裂縫、空洞等問題[4]。這些隱患的存在直接影響到水庫防洪興利功能的發(fā)揮，開展水庫大壩病險(xiǎn)隱患探測工作，對(duì)于指導(dǎo)后期除險(xiǎn)加固工作、保障安全運(yùn)行、保障下游人民生命和財(cái)產(chǎn)安全等方面具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

水庫大壩病險(xiǎn)隱患探測技術(shù)可分為有損探測與無損探測兩類。前者主要有坑探、槽探、鉆探等，具有探測準(zhǔn)確可靠的優(yōu)點(diǎn)，但是破壞工程結(jié)構(gòu)，探測范圍有限、速度慢、投資費(fèi)用大等缺點(diǎn)更為明顯，當(dāng)隱患范圍廣、埋藏深時(shí)將無能為力[5]。無損探測技術(shù)以物探方法為主，包括電法、電磁法和彈性波探測技術(shù)，具有無損性、連續(xù)性、整體性、快速性以及高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，適用于應(yīng)急檢測中快速有效地發(fā)現(xiàn)目標(biāo)隱患[6]。經(jīng)過多年研究，國內(nèi)外專家普遍認(rèn)為在諸多可利用于隱患和滲漏來探測的反映土壩壩身的物理參數(shù)中，電導(dǎo)率與電阻率相反的變化最為明顯[7]，而且探測方法簡便，使得電法探測，尤其是高密度電法成為目前應(yīng)用較為成熟和可靠的無損探測手段之一[8,9]。近二十年來高密度電法在水庫大壩病險(xiǎn)隱患探測領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[10-17]，探測效果顯著，有效指導(dǎo)了后期隱患治理工作。

2 高密度電法原理及特點(diǎn)

高密度電法屬直流電阻率法，基本原理與普通直流電阻率法相同，但其裝置為組合式剖面裝置[18]，如圖1所示。該方法以巖土體導(dǎo)電性差異為物理基礎(chǔ)，采用點(diǎn)陣式電極布設(shè)方式向大地發(fā)射直流電，通過密集采樣觀測，獲取地下介質(zhì)的視電阻率相對(duì)值或梯度變化規(guī)律信息，進(jìn)而達(dá)到認(rèn)識(shí)地下地質(zhì)體電性結(jié)構(gòu)、指導(dǎo)地質(zhì)解釋的目的。高密度電法直接測量的數(shù)據(jù)是電流I(mA)和電位差ΔU(mV)，在介質(zhì)為各向同性時(shí)，測量視電阻率表示為：

ρs=K·ΔU/I

(1)

式中,ρs為巖土體的是電阻率(Ω·m);K為裝置系數(shù)[13]。在設(shè)計(jì)和技術(shù)實(shí)施上，高密度電法測量系統(tǒng)采用先進(jìn)的自動(dòng)控制理論和大規(guī)模集成電路，通過主機(jī)控制電極轉(zhuǎn)換器形成供電、測量及數(shù)據(jù)采集的全自動(dòng)控制，使用的電極數(shù)量多，而且電極之間可自由組合，進(jìn)而提取更多的地電信息[19]。

圖1 高密度電法工作示意圖Fig.1 Schematic diagram of multi-electrode resistivity method

高密度電法具有以下優(yōu)點(diǎn):①電極布設(shè)一次性完成，減少了因電極設(shè)置引起的干擾和由此帶來的測量誤差；②集電測深和電剖面裝置于一體,能進(jìn)行多種電極排列方式的測量，一次布極可以獲得更豐富的地下地電結(jié)構(gòu)狀態(tài)的地質(zhì)信息；③實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化，不僅采集速度快，而且有效避免了人工誤操作；④可以實(shí)現(xiàn)資料的現(xiàn)場實(shí)時(shí)處理和脫機(jī)處理，大大提高了電阻率法的智能化程度[7]。

3 應(yīng)用案例分析

3.1 工程概況

吉林二庫是一座注入式平原水庫，位于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第四師六十七團(tuán)境內(nèi)。水庫始建于1991年8月，設(shè)計(jì)最大蓄水位632 m，1992年5月投入試運(yùn)行后，壩坡多處出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，一直處于低水位運(yùn)行狀態(tài)。2005年對(duì)主壩進(jìn)行了除險(xiǎn)加固工作，將壩頂加高至635 m、加寬至5 m，運(yùn)行10年后，主壩壩基出現(xiàn)滲漏問題，導(dǎo)致水庫調(diào)蓄能力逐年下降，用水時(shí)期作物受旱面積逐年增加。2015年，六十七團(tuán)對(duì)水庫壩體K1+200～K1+700范圍進(jìn)行水泥攪拌樁截滲墻處理，墻體厚度0.3 m，底部深入粉土層3 m，頂部高出設(shè)計(jì)水位0.5 m，運(yùn)行3年后，發(fā)現(xiàn)壩體后坡存在多處滲漏現(xiàn)象。為全面查明吉林二庫壩體、壩基滲漏情況，準(zhǔn)確查找滲漏隱患通道，提供大壩應(yīng)急搶險(xiǎn)和除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)依據(jù)，決定采用高密度電法、地震映像方法對(duì)壩體進(jìn)行無損探測。

3.2 物性特征

吉林二庫壩體和壩基地層大致可以分為上中下三層，上部為人工填土層，以粉土、細(xì)砂為主，狀態(tài)稍濕；中部為風(fēng)積細(xì)砂，下部為粉土，均呈濕-飽和狀態(tài)。根據(jù)實(shí)測，壩體粉土、細(xì)砂電阻率在15～50 Ω·m之間變化，為低阻,且電阻率差異不大；截滲墻水泥土電阻率在100～300 Ω·m間變化，為相對(duì)高阻，與粉土、細(xì)砂電阻率差異明顯；水庫水電阻率在0.1～100 Ω·m之間變化，為相對(duì)低阻，詳見表1。當(dāng)壩體截滲墻水泥土內(nèi)產(chǎn)生裂隙和空洞充填地下水時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)相對(duì)低阻異常圈閉特征；當(dāng)壩體內(nèi)產(chǎn)生塌陷和空洞時(shí)，表現(xiàn)為相對(duì)高阻異常圈閉特征。因此工作區(qū)具有進(jìn)行高密度電法勘探的地球物理前提。

表1 勘查區(qū)地層、巖性電阻率

3.3 測線布置

吉林二庫壩基物探無損檢測段為壩體K1+200～K1+750段前期修建截滲墻區(qū)域，沿壩體水泥土攪拌樁截滲墻地表位置布置高密度電法測線1條，編號(hào)CX1，在壩體外側(cè)坡腳原始地面布置測線1條，編號(hào)CX2，具體位置見圖2。數(shù)據(jù)采集采用溫納裝置，與其他裝置相比，其具有信號(hào)強(qiáng)度大、橫向分辨率高的特點(diǎn)[20],解決本次地質(zhì)問題更有針對(duì)性。采用單排列120道電極滾動(dòng)測量，電極距2 m。

圖2 高密度電法檢測剖面布置Fig.2 Layout of multi-electrode resistivity method detection profile

3.4 檢測結(jié)果分析

CX1線剖面視電阻率反演成果如圖3所示，沿?cái)嗝孀陨隙乱曤娮杪食省暗?高-低”變化趨勢。表層K1+200～K1+330段，0～6.3 m范圍，視電阻率在5～25 Ω·m之間變化，推斷為含水量較高的粉土層;K1+330～K1+778段，0～3.7 m范圍，視電阻率在20～50 Ω·m之間，推斷為含水量較低細(xì)砂；中間層3.7～13.5 m范圍，全線視電阻率100～215 Ω·m之間，對(duì)應(yīng)為水泥土攪拌樁截滲墻；底層13.5～21 m范圍視電阻率降低至20～50 Ω·m，推斷為壩基底部含水量較高的粉土層。剖面水泥土攪拌樁截滲墻深度范圍內(nèi)，K1+336～K1+344、K1+582～K1+592、K1+682～K1+692、K1+730～K1+744段，存在4處直立條帶狀低阻異常(黑色虛線位置)，推斷為水泥土攪拌樁之間咬合不好，存在裂隙，充水后形成，極有可能成為壩基滲漏的通道。

圖3 CX1線高密度電法視電阻率反演斷面Fig.3 Inversion of resistivity profile of CX1 line by multi-electrode resistivity method

CX2線位于在壩體外側(cè)坡腳，距離CX1線35 m左右，高度相差8 m左右，視電阻率反演成果如圖4所示，可以看出CX2線視電阻率特征與CX1線截然不同，這是由于壩體外側(cè)原始地貌為樹木雜草及松散-稍密粉土層,局部地段地下水滲漏出露地表，在低洼處形成濕地，局部地段地表干燥。CX2線視電阻率特征反映的就是壩體外側(cè)原始地貌狀態(tài)下的地電結(jié)構(gòu)。

圖4 CX2線高密度電法視電阻率反演斷面Fig.4 Inversion of resistivity profile of CX2 line by multi-electrode resistivity method

3.5 驗(yàn)證情況

對(duì)CX1線圈定的垂向低阻異常帶地表開挖并進(jìn)行灌漿處理后，壩基滲漏情況基本消失，大壩最大的病險(xiǎn)隱患得以消除，高密度電法探測成果起到了至關(guān)重要的作用。

4 結(jié) 論

1)高密度電法勘探成本低、效率高、反演信息量豐富、易于解譯，可以對(duì)水庫大壩地電結(jié)構(gòu)及滲漏隱患異常特征進(jìn)行高分辨率的刻畫，是進(jìn)行壩基滲漏無損探測行之有效的物探方法之一。

2)全面了解掌握水庫大壩的工程地質(zhì)特點(diǎn)、筑壩材料及物性特征，認(rèn)識(shí)大壩易發(fā)病險(xiǎn)隱患類型與分布情況，分析研究其地球物理異常場響應(yīng)特征，有的放矢地選擇物探方法，是開展水庫大壩病險(xiǎn)隱患無損探測工作取得成功的關(guān)鍵。

3)分析研究同類物探方法在健康大壩和病險(xiǎn)大壩的物探異常分布特征，不同物探方法對(duì)大壩易發(fā)病險(xiǎn)隱患的物探異常響應(yīng)特征和分布規(guī)律，總結(jié)水庫大壩病險(xiǎn)探測的物探方法技術(shù)集成和地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，建立大壩健康狀況的物探評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)判超齡服役的水庫大壩健康狀況，快速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)隱患、預(yù)報(bào)險(xiǎn)情，是地球物理探測技術(shù)與民生工程相結(jié)合的重要應(yīng)用研究方向。