并行電法探測水庫壩肩滲漏

夏玉立，江曉益 ，譚 磊

(1. 浙江省水利發(fā)展規(guī)劃研究中心，浙江 杭州310019； 2. 浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設計研究院），浙江 杭州310020； 3. 浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州310020； 4. 浙江省水利防災減災重點實驗室，浙江 杭州310020)

我國建設于20世紀80年代前的水庫大壩，其超齡期運行引發(fā)的不安全因素逐漸增多，尤其隨著氣候異?，F(xiàn)象的頻發(fā)而愈發(fā)突出，因此采取合理的整治措施成為避免災害事故發(fā)生的關鍵。工程實踐表明，查明水庫大壩的隱患及病因是實施有的放矢治理的前提，經(jīng)眾多工程技術人員不斷的努力，已形成了一系列水庫滲漏探測設備及方法。其中，高密度電法是查找土石壩滲漏隱患應用最為廣泛的物探方法[1-2]，但專門針對大壩壩肩部位滲漏通道探測的研究應用實例不多。賈海磊等[3]采用高密度電法對南京某水庫土壩壩肩的滲漏問題進行試驗研究，采用網(wǎng)格化布置測線，克服了壩肩場地狹小難以布設電極的缺點。陳勇等[4]針對南京市赭山頭水庫壩肩滲漏采用綜合物探手段查明壩肩滲漏部位，并采取防滲處理解決滲漏險情。譚磊等[5]根據(jù)所在團隊多年來的水庫滲漏探測及防滲處理實踐，得出由于水庫兩壩肩壩基開挖缺陷、巖體構造及接觸沖刷作用，壩肩巖土接觸帶及巖基部位是水庫滲漏隱患的多發(fā)區(qū)。尤其是水庫大壩一般均建于山區(qū)，兩壩肩受場地條件限制，測線延伸難度較大，二維電阻率測試斷面上造成測線兩端存在固有的盲區(qū)問題，同時傾斜的壩肩高阻巖體對電阻率成像產生畸變，從而導致對探測疑似滲漏部位成果判斷的不確定性問題。

為提高水庫壩肩滲漏隱患的診斷水平，本文通過室內構建水庫壩肩滲漏通道模型，利用并行電法技術研究壩肩滲漏通道的地電特征。結合工程實例，利用并行電法裝置對青山水庫壩肩進行滲漏隱患探測，并通過鉆探揭示滲漏通道，為類似水庫大壩的壩肩滲漏診斷及防滲處理提供技術支撐。

1 并行電法滲漏探測原理

圖1 AM法解編后電極電位分布及數(shù)據(jù)采集Fig. 1 Potential distribution and data acquisition of electrode after AM method

1.1 并行電法技術

電阻率是評價巖土體介質之間物性差異的重要指標，利用專門的儀器設備采集地下空間的地電響應特征及變化規(guī)律成為工程勘察的重要手段。隨著電子技術及數(shù)據(jù)處理技術的不斷發(fā)展，電阻率法也從一維的電剖面、電測深發(fā)展成為高密度電法、三維電阻率成像等技術，在探測精度、目標體分辨率及抗干擾能力方面都得到新的提升。并行電法與高密度電法的基本原理及裝置類型都相同，差異在于數(shù)據(jù)收錄方面參考地震的數(shù)據(jù)采集思想，在整個采集過程中不再以單一裝置控制電極的供電及采樣，從而保證了所有電極電位都處于同一電極形成的穩(wěn)恒電場中，有力壓制不同時刻外來信號的干擾，同時也提高了現(xiàn)場的工作效率[6]。

根據(jù)形成電流場供電點的不同，并行電法的測量方式可劃分為AM法和ABM法[7]，其中AM法是收錄點電源向地質體供電形成電場的時空電位值，具有高效、便捷的特點，在水庫大壩滲漏探測中得到廣泛應用。圖1（a）給出了測量點與供電點不同位置的電位衰減曲線，根據(jù)不同電極之間的電位差及供電電流值即可得到電阻率數(shù)據(jù)體，圖1（b）為數(shù)據(jù)的采集方式，選擇排列上的某一個電極與無窮遠電極形成供電回路，其余電極全部進行電位數(shù)據(jù)的測量，依次更換排列上的供電電極，最終獲得點電源電場的電阻率數(shù)據(jù)體，為地質體的精細化解譯提供依據(jù)[8]。

并行電法反演采用的是基于圓滑約束的最小二乘法，通過不斷地迭代計算給定場源、邊界條件及初始模型的地電單元，并把正演計算值與測量值作擬合逼近，當二者達到一定的約束條件時，即把得到的重構模型作為地質體電性剖面，否則將不斷地修正模型。反演是一個根據(jù)觀測數(shù)據(jù)來重建模型參數(shù)的過程，即從數(shù)據(jù)空間矢量y=col(y1,y2, ···,yN)成像到f=col(f1,f2, ···,fM)模型空間的過程[9]。具體表達式為：

式中：F為二維平滑濾波矩陣；qk為模型的電阻率值取對數(shù)形成的向量；λ為阻尼系數(shù)。

1.2 土石壩滲漏隱患區(qū)的地電特征

土石壩因其整體結構分布差異明顯，其內部巖土體導電性存在一定的分布規(guī)律。通常，壩體表層填土大多為透水性較好的非飽和粗粒土，在非降雨等外界因素影響時，含水率低，具有高電阻率特征；壩體內部填筑黏性土由于浸潤線影響，呈飽和狀態(tài)，表現(xiàn)為相對較低的電阻率，視電阻率曲線呈層狀分布；大壩巖基結構致密、防滲能力強，含水率低，相對于壩體其電阻率值高。從以上分析可知，不考慮碾壓過程的差異性，根據(jù)土石壩的電阻率特性垂向上可概化為H型3層地電模型[10]。當大壩內部發(fā)生異常滲流現(xiàn)象時，滲流薄弱帶的低阻將打破原大壩地電模型在縱橫向的漸變及均勻性，尤其是滲透破壞帶的電阻率相對周圍介質更低，因此通過測量電阻率的相對變化可推斷出大壩內部的隱患部位。但也要考慮到由于大壩形成穩(wěn)定滲流后壩體飽和黏性土本身的低電阻率特征，會降低電法探測對導水通道等異常的分辨率，使得較小的異常滲漏等空間分辨不出來，所以單純以低阻區(qū)判斷壩體滲漏隱患區(qū)仍然存在誤判的風險，但壩體與巖基接觸帶附近的低阻區(qū)可視為探測疑似滲漏部位。

從目前的水庫滲漏探測實踐看，沿壩軸線河床段壩體及壩基H型電性特征較為明顯，兩壩肩由于受測線延伸限制及傾斜巖體的高阻對電流的排斥作用，常規(guī)高密度電法的不同裝置探測的滲漏隱患電性特征差異較大。

2 壩肩滲漏的物理模型試驗

圖2 填筑料電阻率隨含水率的變化曲線Fig. 2 Relation curve between resistivity and water content of clay medium

2.1 不同含水率的填筑料電阻率變化

首先測試黏土體在不同含水率下的電阻率值，通過對原狀土經(jīng)過篩選、烘干、碾碎等處理后進行土工試驗?？紤]到土石壩填筑材料的差異性，為保證室內試驗填筑料與實體大壩的相似性，填筑料中黏土與細砂的比例為4∶1。把黏土與砂的混合填筑料分成6份，每份加入不同量的水，并讓填筑料內的水分均勻分布，把6份填筑料分別在輕型擊實儀內進行擊實試驗，總擊實次數(shù)為80次，從而形成6個不同含水率的柱狀樣。利用并行電法儀測試的6組柱狀樣的電阻率值如圖2所示。

從圖2中的填筑料電阻率隨含水率的變化曲線可知，總體上電阻率值隨含水率的增加而不斷降低，但在整個變化過程中呈現(xiàn)出漸變-突變-漸變-穩(wěn)定的態(tài)勢；在含水率小于12%時，電阻率值大于120 Ω·m；當含水率增加到14%時，電阻率值降低到30 Ω·m左右；其后，隨著含水率的不斷增大，電阻率值基本保持不變，可能含水率達到一定的值時，電阻率的主要影響因素發(fā)生變化。通過填筑料的含水率與電阻率試驗可知，為獲得較為理想的探測成果，在物理模型試驗中填筑料應控制一定的含水率[11]。

2.2 物理模型試驗

土石壩室內試驗模擬裝置采用高0.6 m、長1.3 m、寬0.8 m的有機玻璃水槽作為骨架，該裝置內可進行壩體、壩肩及滲漏通道等復雜土石壩模型的構建。土石壩的填筑過程模型見圖3，其中圖3（a）用于模擬壩肩結構及滲漏特征，通過在水槽短邊澆筑兩段楔型混凝土，采用紗布包裹砂土制作滲漏通道（埋深為0.2 m，通道長0.08 m，寬0.03 m），并把滲漏通道埋設于壩肩混凝土與黏土壩體接觸部位，滲漏通道中心與壩頭邊界的距離為0.20 m；選擇含水率為12.5%的黏土-細砂作為填筑料，壩體填筑過程中，采用分層碾壓的施工工藝，保證填筑質量符合試驗要求，圖3（b）即為室內構建的高0.42 m、壩頂寬0.1 m的微型土石壩壩肩滲漏模型。

在微型大壩的壩頂中軸線上布置并行電法測線，所有電極固定在模板上，保證電極與填土充分耦合；控制電極進入大壩土體深度為0.01 m，總計布設電極32個，相鄰電極距為0.04 m，測線長度為1.24 m。通過多次測試后將無窮遠極布置于模型中測線首端的壩腳處以盡量遠離測線；試驗時向土石壩模型一側注入自來水，最終保持水位低于壩頂0.07 m；當背水坡壩肩滲漏部位發(fā)生滲漏時，利用并行電法儀中的AM法采集地電場數(shù)據(jù)，供電時間為0.5 s，采樣間隔為0.05 s。

圖3 土石壩壩肩滲漏模型及測試Fig. 3 Leakage model and test of earth rock dam abutment

2.3 試驗成果分析

從圖4（a）的視電阻率剖面圖可看出，并行電法AM裝置對整體視電阻率成層性比較好，但壩肩未見明顯可解譯為滲漏的低阻隱患區(qū)，底部相對高阻可能與邊界有機玻璃材質有關；從圖4（b）電阻率反演結果看，壩肩存在異常低阻區(qū)，其異常位置歸位較好，可判定為設定的通道位置，由于體積效應，反演后的隱患尺寸比實際要大，其形態(tài)也不規(guī)整，反演后通道核心深度變淺，說明室內水槽空間具有一定的邊界效應。盡管反演深度與實際模型有一定的差距，但仍可以直觀反映出預設模型的存在，這表明利用并行電法的反演成果探測壩肩滲漏在理論上是可行的。

圖4 壩肩接觸帶滲漏模型探測結果Fig. 4 Results of electrical survey on leakage model for abutment contact zone

3 工程應用實例

3.1 水庫概況

青山水庫坐落于長興縣和平鎮(zhèn)境內，總庫容109.90萬 m3，是一座以灌溉為主，結合防洪、供水等綜合利用的?。?）型水庫。大壩為黏土心墻砂殼壩，壩頂高程60.2 m，最大壩高為22 m，壩頂長178 m。水庫于1971年12月動工興建，至1978年完工。水庫建成蓄水后右壩段背水坡長年潮濕、滲水，且在右壩肩山體側有漏水現(xiàn)象。2001年6月大壩進行套井回填及帷幕灌漿處理，2004年又進行除險加固處理。目前大壩右壩頭下游壩坡排水溝仍存在滲漏點，漏水點實測高程46.60 m。為查明大壩滲漏原因及通道，現(xiàn)場采用并行電法結合鉆探對右壩頭進行探查。

3.2 現(xiàn)場測線布置

并行電法測線布置在大壩中軸線，并由右岸向左岸布設，采用AM法采集，電極距為1 m，測線長度為63 m，擬探查右壩肩滲漏問題?，F(xiàn)場測線布置及探測如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場測線布置及探測Fig. 5 Layout and detection of field survey line

3.3 數(shù)據(jù)處理及解譯

從圖6（a）的視電阻率剖面來看，壩體填土與右岸巖體的電阻率差異較為明顯，視電阻率均較高，高阻形態(tài)與岸坡地形一致，剖面未見明顯低阻異常區(qū)，但壩體與壩基接觸帶下部明顯存在高阻缺失異常現(xiàn)象。根據(jù)圖6（b）反演電阻率剖面，高低阻區(qū)明顯得到收斂，右壩肩巖體表部為高阻，但下部巖體電阻率呈明顯下降趨勢，與常規(guī)巖基地層電阻率形態(tài)不符，說明壩肩巖體區(qū)域可能存在巖體破碎滲漏帶。在異常區(qū)位置布置3個鉆孔，深度為16～18 m，地質鉆探剖面如圖6（c）所示，圖中陰影部分即揭示的壩基巖體破碎帶，水文地質試驗結果為中等透水性，地下水位明顯偏低，鉆孔CK02與CK03在巖基鉆進過程中出現(xiàn)間歇性無回水，下游壩肩排水溝漏水量增大，在鉆孔CK02孔中注入紅墨水，3 h后滲漏點有明顯紅色水流出。物探及鉆探結果表明，右壩肩巖體破碎存在滲漏通道是導致水庫右壩坡排水溝出現(xiàn)滲漏的主要原因。

圖6 右壩頭地電剖面Fig. 6 Geoelectric section of right dam head

4 結 語

水庫兩壩肩巖土接觸帶及巖基部位是水庫滲漏隱患的多發(fā)區(qū)，通過室內構建水庫壩肩滲漏通道模型，利用并行電法探測技術探測得到的低阻隱患區(qū)與模型結果較為吻合，并行電阻率反演采用電流、電位差數(shù)據(jù)進行模型重構，避免常規(guī)電阻率法受裝置格式的限制，提高了對壩肩滲漏的探測精度，試驗表明AM法反演圖像能較好揭示出預設滲漏通道模型的位置。通過水庫實例探測，得出青山水庫的大壩滲漏部位位于右壩肩，鉆探及水文地質試驗驗證了結果的準確性，說明并行電法技術具有探測水庫壩肩滲漏隱患區(qū)的可行性。