地球物理方法在某水庫壩體隱患探測中的應用研究

孫禮釗

(上?？睖y設計研究院有限公司，上海 200434)

1 前 言

水庫是一種十分重要的水利工程，具有供水、防洪、灌溉、養(yǎng)殖等多方面的效益。我國9萬多座水庫95%以上采用土石壩，不少壩體存在嚴重隱患，包括洞穴、土體疏松帶、裂縫、滲漏、滑坡等[1～2]，每逢汛期可能演變?yōu)殡U情，危及下游居民生命財產(chǎn)安全。因此，早發(fā)現(xiàn)壩體隱患并采取相應治理措施具有重要意義。

我國壩體隱患探測技術始于20世紀80年代，90年代后國家設立科技攻關課題、舉辦學術研討會等，有力地推動了壩體隱患探測技術的發(fā)展[3～4]。地球物理方法具有快速檢查、連續(xù)掃描、無損、成本低的特點，有效地彌補了傳統(tǒng)鉆孔取芯、開挖取樣方法費時費力、破壞程度大等缺陷，因此得到越來越廣泛的應用。目前物探技術還沒完全適用于堤壩隱患探測，方法和儀器在分辨率、可靠性等方面還需要進一步研究。本文以某水庫為例，探討物探技術在壩體隱患探查中的應用。

某水庫采用土石壩，始建于20世紀50年代，開始為低矮攔水壩，其后經(jīng)過多次加高加厚。由于建壩時期的特殊性，壩體沒有做過完善的選址工作，施工過程中經(jīng)常遇到停工、人員變動等問題，運行中缺乏有效的管理與監(jiān)督，目前該水庫壩體出現(xiàn)工程質(zhì)量問題。故查明隱患位置、分析其原因等問題亟須解決，為壩體治理提供依據(jù)。筆者分析壩體介質(zhì)物性特征，采用瑞雷波法、高密度電阻率法、地質(zhì)雷達法三種方法綜合應用查找壩體隱患，取得良好應用效果。

2 工程概況及地球物理特征

2.1 工程概況

某水庫所在河流發(fā)源于鳳陽山麓，地處江淮分水嶺北側(cè)，集水面 42.4 km2，來水區(qū)大部分為丘陵區(qū)。水庫設計洪水標準為50年一遇，洪水位 72.7 m，庫容 1 950萬m3。壩體全長 1 740 m，壩頂寬度 5.0 m，最大壩高 18.2 m；壩體迎水坡采用干砌塊石護坡，坡比1∶2.5；背水坡采用草皮護坡并設有 4.0 m寬平臺，平臺以上坡比為1∶2.5，以下坡度1∶3。

鉆孔資料顯示：壩頂有碎石路面厚 0.3 m，碎石粒徑 1 cm～15 cm，呈棱角狀。壩身填土深度為壩頂以下 9.80 m～13.30 m不等，主要由灰黃色、黃褐色黏性土組成，濕，可塑，局部為軟塑，含少量鐵錳質(zhì)斑點，土色及土質(zhì)不均勻，含水率高，結構疏松。局部深度 2.0 m以上見有少量水泥團粒，粒徑 0.2 cm～0.5 cm；6.8～7.5m含粉細砂，土體密實度差。孔深 8.6 m以下壩身土體結構變密實。9.8 m～20.0 m為壩基土，黃褐色粉質(zhì)黏土、黏土，濕，硬塑，含大量鐵錳質(zhì)斑，土體結構密實，未鉆穿。圖1為工程地質(zhì)剖面圖。

2.2 地球物理特征

壩體土質(zhì)主要為黏性土，壩身與壩基土體結構密實度不同。壩體內(nèi)部出現(xiàn)隱患(如空洞、裂縫等)時，在地層中形成一個小規(guī)模的空間，其與周圍土體存在明顯的彈性性質(zhì) (波速) 差異。當隱患在水位面以上

圖1 工程地質(zhì)剖面圖

時，其充填的空氣電阻率大于周圍土體電阻率、介電常數(shù)小于土體介電常數(shù)，隱患表現(xiàn)為高阻～低介電常數(shù)特征；當隱患在水位面以下時，其充填的河水電阻率小于周圍土體電阻率、介電常數(shù)大于土體介電常數(shù)，隱患表現(xiàn)為低阻～高介電常數(shù)特征[5～6]。表1為壩體不同介質(zhì)的物性參數(shù)表。

壩體正常介質(zhì)與隱患之間的彈性、電阻率、介電常數(shù)差異為采用地球物理方法探測壩體隱患提供了良好的前提條件，擬采用瑞雷波法、高密度電阻率法、地質(zhì)雷達法進行綜合探測。

堤身不同介質(zhì)物性參數(shù)表 表1

3 野外施工方法

3.1 瑞雷波法

圖2 瞬態(tài)瑞雷波法數(shù)據(jù)采集示意圖

圖2為瞬態(tài)瑞雷波勘探數(shù)據(jù)采集示意圖，本次瑞雷波法采用錘擊激振方式，24道接收，4 Hz檢波器，偏移距 10.0 m。

3.2 高密度電阻率法

高密度電阻率法與常規(guī)電阻率法原理相同，隨著科技進步，發(fā)展成為一種陣列式電阻率測量方法，它將電阻率法與計算機數(shù)字技術結合，集電剖面和電測深于一體，采用高密度布點，進行二維地電斷面的測量，既能揭示地下某一深度水平巖性的變化，又能提供巖性沿縱向的變化情況[7～8]。

本次電阻率數(shù)據(jù)采集選擇溫納裝置，電極距 2.0 m，最大隔離系數(shù)16層，供電電壓 200 V。

溫納裝置(如圖3所示)：測量時，AM=MN=NB為一個電極間距，A、B、M、N逐點同時向右移動，得到第一條剖面線；接著AM、MN、NB增大一個電極間距，A、B、M、N逐點同時向右移動，得到另一條剖面線；這樣不斷掃描測量下去，得到倒梯形斷面。

圖3 溫納裝置測量方式圖

3.3 地質(zhì)雷達法

地質(zhì)雷達法是一種運用電磁波傳播理論來進行勘探的地球物理方法，探測時由發(fā)射機向地下介質(zhì)發(fā)射高頻(107 Hz～ 109 Hz)短脈沖電磁波，電磁波在介質(zhì)中傳播時，主要受到介質(zhì)的相對介電常數(shù)的變化，發(fā)生類似光學的反射和折射，反射的強弱與介質(zhì)常數(shù)直接有關。

常見巖土介質(zhì)一般為非磁性介質(zhì)，相鄰介質(zhì)的相對介電常數(shù)ε有差異時，其電磁波阻抗η也存在差異，用電磁波反射系數(shù)R表示這種差異：

式中：ε1、ε2分別為上、下介質(zhì)的相對介電常數(shù)；

η1、η2分別為上、下介質(zhì)的波阻抗。

當R達到一定值時，入射到該介質(zhì)分界面上的電磁波會發(fā)生反射，形成發(fā)射波。發(fā)射天線與接收天線以固定的間距同時沿測線移動時，可以得到反映測線下不同介質(zhì)界面分布情況的地質(zhì)雷達圖像。根據(jù)接收到地質(zhì)雷達波形、強度、雙程傳播時間等，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，可得到各測線下隱蔽目標物的分布情況。

本次采用美國SIR-20型地質(zhì)雷達，天線主頻為 70 MHz，時窗為 600 ns，采樣點為 1 024點/道。

3.4 方法分析

各種地球物理方法有著自身的優(yōu)缺點和適應性，根據(jù)異常體的特性選擇合理的方法，才能達到有效勘探的目的。①高密度電阻率法基于地層電性差異，且對低阻目標體反應靈敏；壩體隱患常在水的作用下發(fā)生，水的導電性較周圍土體好得多，其在地電斷面中表現(xiàn)明顯；故高密度電阻率法適合壩體隱患普查及安全預報工作。②瑞雷波法基于地層彈性差異，土體瑞雷波速度為剪切波速度的0.91倍～0.98倍，而土體的剪切波速度是評價巖土體強度的重要指標；當?shù)貙哟嬖谲浫鯅A層時易激發(fā)產(chǎn)生高模式瑞雷波，多模式瑞雷波頻散能量譜中，高模式波占主導地位，疊加頻散曲線會出現(xiàn)明顯“之”字形回折現(xiàn)象[9～11]，故瑞雷波法適應于壩體軟弱層或疏松土體探測。③地質(zhì)雷達法采用高頻電磁波，其分辨率優(yōu)于其他方法，但是考慮到水庫壩區(qū)地下水位較高，高頻信號衰減迅速，難以達到探測深部異常體的目的，故地質(zhì)雷達法適合壩體淺部隱患的詳查[12]。

4 成果分析

4.1 測線布置

根據(jù)工區(qū)實際情況，在某水庫壩頂中心位置布設高密度電阻率法與瑞雷波法測線，起點樁號0+000，終點樁號0+120；另外根據(jù)此兩種方法的探測結果在0+060～0+110段補充地質(zhì)雷達法，對異常部位進行詳查。圖4為物探測線布置示意圖。

圖4 物探測線布置示意圖

4.2 高密度電阻率法分析

高密度電阻率法數(shù)據(jù)處理包括：壞點剔除、濾波、網(wǎng)格化以及最小二乘法二維反演，最終得到電阻率等值線斷面圖，如圖5所示。

壩身土體電阻率縱向上整體呈現(xiàn)出上低下高的電性特征；橫向上，深度 1.0 m以上地層電阻率變化復雜，呈高低相間展布，推測壩頂碎石路面及路基引起淺部地層電性不均勻。深度 3.0 m～8.7 m段，電阻率呈現(xiàn)低～高～低～高～低相間展布特征，共圈出3處低阻異常部位，分別為樁號0+014～0+022、樁號0+058～0+064、樁號0+078～0+096；前兩處異常具有封閉性特征，為可能存在的含水空洞，易演變?yōu)閴误w滲漏通道；第三處異常與地表連通，呈條帶狀，推測為壩身裂縫，為潛在的滑動面，異常壩頂位置與已知裂縫吻合。深度 8.7 m以下部位，電阻率較高，推測為壩基土，未見明顯異常。

圖5 電阻率等值線斷面圖

4.3 瑞雷波法分析

瑞雷波法數(shù)據(jù)處理包括：壞道剔除、濾波、計算頻散譜、提取頻散曲線等。選取兩道典型的頻散曲線(圖6)進行分析，該兩道排列記錄點分別位于樁號0+036、0+084處。

從圖6中可以看出，0.0 m～1.0 m段未能提取頻散曲線，表明該段為瑞雷波法探測盲區(qū)；1.0 m～8.0 m段瑞雷波速介于 120.0 m/s～ 150.0 m/s之間，在 3.0 m～5.0 m出現(xiàn)相對低速區(qū)，推測該段為壩身填筑土，上部土體在外來壓力(行車，等)作用下被壓實，下部土體未被擾動，形成上密下疏的結構特征；8.5 m以下地層瑞雷波速大于 160.0 m/s，且隨深度增大，波速逐漸增大，推測該段為壩基土，在上覆土體應力作用下，結構越來越密實。樁號0+084處在 2.0 m～4.0 m段波速明顯增大，頻散曲線出現(xiàn)“之”型特征，此時高階面波占主導地位，推測為壩身土體疏松部位。

圖6 典型頻散曲線圖

4.4 地質(zhì)雷達法分析

地質(zhì)雷達法數(shù)據(jù)處理包括：時間零點校正、濾波、距離歸一化、振幅均衡等，最終得到地質(zhì)雷達時間剖面圖(圖7)。

深度1.5 m以上，雷達波同相軸連續(xù)；1.5 m～8.5 m段，剖面中多次反射波較強，持續(xù)時間長，側(cè)向散射不明顯，具有局部孤立的特點，推測該反射信號由壩身土質(zhì)不均勻?qū)е陆殡姵?shù)存在差異所引起，這些異常現(xiàn)象在瑞雷波法、高密度電阻率法成果中均未有明顯表現(xiàn)，體現(xiàn)了地質(zhì)雷達分辨率高的特點；樁號0+074～0+095段深度 3.0 m～7.0 m，反射波同相軸連續(xù)性較好，呈約30°傾斜展布，推測為堤身裂縫，與高密度電阻率法異常結果相符。

圖7 地質(zhì)雷達時間剖面圖

5 結 論

綜合三種地球物理方法的解釋成果及鉆孔資料可知：某水庫樁號0+000～0+120段深度約 8.5 m以下部位土體結構密實，推測為壩基土，未見明顯異常；雖然鉆孔資料揭示 8.6 m～ 9.8 m段仍為壩身土體，但其土體結構變密實，在物探成果中不能與壩基土明顯區(qū)分。 8.5 m以上部位為壩身填筑土，土體不均勻，具有上密下疏的結構特征；在樁號0+014～0+022、樁號0+058～0+064、樁號0+078～0+096共圈出3處異常部位，前兩處推測為可能存在的含水空洞，易演變?yōu)闈B漏通道，第三處異常與地表連通，呈條帶狀，推測為壩身裂縫，為潛在的滑動面，異常壩頂位置與已知裂縫吻合。

6 結 語

瑞雷波法、高密度電阻率法、地質(zhì)雷達法三種方法綜合應用探測某水庫隱患，取得良好的實際應用效果，得到以下結論：

(1)某水庫壩體隱患部位較正常土體電阻率低，介電常數(shù)大，表現(xiàn)出低阻～高介電常數(shù)異常特征；高階瑞雷波占主導地位，頻散曲線出現(xiàn)“之”字形回折現(xiàn)象。

(2)某水庫壩體地電斷面中含水空洞呈封閉性低阻異常，壩身裂縫呈低阻異常與地表連通的條帶狀。

(3)高密度電阻率法適合壩體隱患普查及安全預報工作，瑞雷波法適應于壩體軟弱層或疏松土體探測，地質(zhì)雷達法適合壩體淺部隱患詳查。

(4)利用合理的地球物理方法探測壩體隱患效果明顯，且具有方便、快捷、無損的特點；多種方法綜合應用可以消除單一方法的多解性，得出較合理的解釋結果。