高密度電阻率法和被動(dòng)源面波法在水庫(kù)堤壩隱患辨識(shí)中的應(yīng)用

李兆鋒，楊宏智，魏 杰，鐘楚峰

(1.長(zhǎng)江地球物理探測(cè)(武漢)有限公司，湖北 武漢 430010； 2.山東省物化探勘查院，山東 濟(jì)南 250013)

近年來，愈多的中小型水庫(kù)在人民生活生產(chǎn)中發(fā)揮著越來越重要的作用，但隨著運(yùn)行年限增長(zhǎng)，也顯現(xiàn)出不少安全隱患，如壩體壩基堤防等不同部位的變形、滲漏、管涌、空洞、裂縫、滑坡、庫(kù)底淤積嚴(yán)重等，一些隱患已經(jīng)發(fā)展成威脅水庫(kù)安全運(yùn)行的嚴(yán)重病害，其中最為典型的是大壩堤防滲漏問題。為了有效探測(cè)大壩堤防隱患或病害，國(guó)內(nèi)已經(jīng)開展很多相關(guān)隱患探測(cè)技術(shù)研究工作，在多種探測(cè)方法的研究上也取得了良好的應(yīng)用效果。如高密度電法[1]、地質(zhì)雷達(dá)法[2]、淺層地震反射波法、瞬變電磁法等方法均為重要的堤防隱患探測(cè)技術(shù)方法，不同方法的組合應(yīng)用能有效探測(cè)不同典型隱患類型。劉潤(rùn)澤等[3]提出將時(shí)間推移勘探技術(shù)用于堤防隱患探測(cè)的新思路；李文忠等[4]開展了堤防隱患時(shí)移高密度電法探測(cè)技術(shù)的研究，并在長(zhǎng)江干堤堤防監(jiān)測(cè)中得到了較好的應(yīng)用。

本文所介紹的實(shí)例是將高密度電法和被動(dòng)源面波法2種隱患辨識(shí)方法、以時(shí)間推移的勘探方式，應(yīng)用于平原水庫(kù)堤壩隱患探測(cè)工作中，查明水庫(kù)堤壩滲漏原因及部位，為后續(xù)隱患處理、除險(xiǎn)加固提供重要依據(jù)。

1 方法技術(shù)

1.1 高密度電阻率法

高密度電阻率法實(shí)質(zhì)是一種直流電阻率法(圖1)，是將常規(guī)電測(cè)深法和電剖面法的跑極方式使用儀器自動(dòng)控制的野外組合陣列勘探方式。外業(yè)時(shí)根據(jù)探測(cè)目標(biāo)的位置和大小，將一定數(shù)量的電極按需要的電極距布置在設(shè)計(jì)測(cè)線上，電極布設(shè)后選擇所需裝置進(jìn)行自動(dòng)掃描數(shù)據(jù)采集，通過高密度反演軟件對(duì)視電阻率剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和反演，最終獲取目標(biāo)測(cè)線下地層電性分布斷面，具有自動(dòng)化、高效化和智能化的特點(diǎn)。高密度電法溫納裝置測(cè)點(diǎn)分布如圖2所示。

圖1 2個(gè)異性點(diǎn)電流源電場(chǎng)分布Fig.1 Electric field distribution of two anisotropic point current sources

圖2 高密度電法溫納裝置跑極示意Fig.2 Pole running mode of Wenner array of high-density resistivity method

1.2 被動(dòng)源面波法

被動(dòng)源面波法，系基于天然被動(dòng)源的地震面波探測(cè)方法，優(yōu)點(diǎn)是成本低、布設(shè)簡(jiǎn)單、采集速度快、無環(huán)境破壞。該方法利用的是地表附近一直存在的各種天然的或人為產(chǎn)生的震動(dòng)，特別是其中能量占比超70%的面波[5]，通過采集一定時(shí)間長(zhǎng)度的震動(dòng)信號(hào)、使用ESPAC法從信號(hào)中提取面波頻散特征曲線，再對(duì)頻散曲線進(jìn)行反演獲取視橫波速度—深度剖面，通過地下介質(zhì)視橫波速度變化信息從而推定地層結(jié)構(gòu)特征。由于ESPAC法在用第一類零階Bessel函數(shù)進(jìn)行擬合時(shí)，是通過空間自相關(guān)系數(shù)與臺(tái)陣關(guān)系進(jìn)行擬合獲取頻散曲線[6]，所以該法適用于常規(guī)圓形臺(tái)陣(圖3)和L形臺(tái)陣、直線形臺(tái)陣等非圓形臺(tái)陣(圖4)，具有較好的方法適用性。

圖3 圓形臺(tái)陣Fig.3 Circular array

圖4 非圓形臺(tái)陣Fig.4 Noncircular array

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程地質(zhì)概況

某平原水庫(kù)壩基主要由第三系卞橋組二段泥巖、泥灰?guī)r、砂巖及三段泥巖、角礫巖、第四系中更新統(tǒng)殘坡積山前組的黏土和壤土、全新統(tǒng)沖洪積臨沂組的壤土和沙壤土及沂河組的沙壤土和礫質(zhì)粗砂。壩址區(qū)內(nèi)無活動(dòng)斷層穿過壩體。滲漏區(qū)域附近壩體呈扁折線型，測(cè)區(qū)段壩體為近東西向，為均質(zhì)土壩，壩前表層為干砌石護(hù)坡，壩后區(qū)為草皮護(hù)坡。

壩體中的壤土為均質(zhì)土料，具極微—弱透水性，砂壤土大部分不符合均質(zhì)土料要求，具弱透水性。壩基由上至下主要為礫質(zhì)粗砂、沙壤土、礫質(zhì)黏土、角礫巖、泥灰?guī)r和泥巖，其中砂壤土和礫質(zhì)粗砂具有中等—強(qiáng)透水性，泥灰?guī)r巖溶一般發(fā)育，具中等透水性，但巖層傾向庫(kù)內(nèi)，傾向大致為北東向35°。壩后約200 m樹林中常年有水量較大的地下泉水冒出，壩后約100 m樹林中常年有2個(gè)水量較小的滲水點(diǎn)形成小溪流。

2.2 采集設(shè)備

高密度電法勘探采用自主研發(fā)的MD-12堤防隱患智能探測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一款創(chuàng)新的多通道全數(shù)字化電阻率和激電成像電法系統(tǒng)。系統(tǒng)采用獨(dú)特的集中分段式布線模式，布線靈活高效，內(nèi)設(shè)豐富的裝置并可進(jìn)行腳本自定義編輯，支持2個(gè)裝置同時(shí)測(cè)量，最大發(fā)射電壓可達(dá)1 200 V，電流精度優(yōu)于0.1%。主機(jī)可對(duì)電阻率斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行多維顯示，豐富的功能可在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)并解決所有問題。

被動(dòng)源面波法采用SmartSolo智能地震傳感器，該傳感器以專為單點(diǎn)接收應(yīng)用而設(shè)計(jì)的高靈敏度地震檢波器DT-SOLO為核心，融合物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的電子和軟件技術(shù)，形成可在任何惡劣環(huán)境下獲取高保真高質(zhì)量的地震波信號(hào)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)時(shí)間及位置、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但智能可靠的傳感器。該智能傳感器在野外無任何外部連接器，體積小，內(nèi)置用于高精度定位與時(shí)間同步的GPS模塊和智能無線閃存，連續(xù)工作模式下續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)達(dá)25 d，真正實(shí)現(xiàn)在任何惡劣環(huán)境下開展長(zhǎng)周期、高保真度、高分辨率、高信噪比的被動(dòng)源面波數(shù)據(jù)采集。

2.3 工作布置

根據(jù)水庫(kù)壩體特征與滲漏點(diǎn)位置，在壩體下游草皮護(hù)坡壩頂、壩腰和壩腳上布置3條探測(cè)剖面。高密度電法剖面沿測(cè)線每次布設(shè)120道電極，電極間距1.0 m，采用溫納裝置和施倫貝謝裝置進(jìn)行剖面探。被動(dòng)源面波法使用36個(gè)傳感器，在經(jīng)過一致性試驗(yàn)和線圓型試驗(yàn)可用后，沿測(cè)線布設(shè)36個(gè)傳感器，間距1 m，布置成直線形臺(tái)陣，記錄時(shí)長(zhǎng)30 min，采樣間隔2 ms，每個(gè)測(cè)點(diǎn)使用其中25個(gè)相鄰傳感器組成并進(jìn)行線性滾動(dòng)測(cè)量。隱患探測(cè)工作3條壩體探測(cè)剖面在八月份豐水期和一月份枯水期2個(gè)時(shí)段開展了時(shí)移探測(cè)工作，通過2期探測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)分析異常的發(fā)展變化，更準(zhǔn)確可靠地捕捉可能隱患的分布和發(fā)展規(guī)律。

2.4 資料分析

根據(jù)測(cè)區(qū)壩頂鉆孔揭露，自上而下的地層巖性大致分別為粉細(xì)砂與黏土、砂壤土與壤土、含礫粗砂、黏土及泥巖。壩后壩頂WT1和壩腳WT3兩條剖面高密度電法和被動(dòng)源面波法的豐水期和枯水期兩期探測(cè)成果如圖5所示，由于防洪庫(kù)容調(diào)節(jié)的需要，枯水期水庫(kù)水位較豐水期高1 m。由圖5可見，2條測(cè)線2期等值線變化趨勢(shì)及幅值變化總體相近；測(cè)線WT1中部相對(duì)高阻呈平緩層狀結(jié)構(gòu)，深部為相對(duì)低阻層，反映壩頂下方壩體填筑較均勻平整；壩腳WT3上部相對(duì)高阻呈平緩層狀結(jié)構(gòu)，深部亦為相對(duì)低阻層，在樁號(hào)K0+580～K0+600m、高程+144～+137 m附近見一低阻異常區(qū)，在枯水期范圍略有擴(kuò)大。由圖6被動(dòng)源面波法2期探測(cè)成果可見，壩體由上至下視橫波波速呈層狀結(jié)構(gòu)并逐漸升高，深部壩基視橫波波速大于400 m/s。壩頂WT1剖面在樁號(hào)K0+590～K0+610 m、高程+145～+133 m附近為下凹低速區(qū)域，枯水期較豐水期區(qū)域范圍有所擴(kuò)大，但波速略有提高；壩腳WT3剖面在樁號(hào)K0+580～K0+600 m、高程+142～+135 m附近為下凹低速區(qū)域，枯水期較豐水期區(qū)域范圍有所變化且波速略有下降。2條測(cè)線高密度電法和被動(dòng)源面波法的豐水期和枯水期探測(cè)成果結(jié)合分析，壩頂測(cè)線WT1在樁號(hào)K0+580～K0+610 m、高程+145～+133 m附近圈定低速、相對(duì)低阻異常，其在枯水期異常范圍略有擴(kuò)大，推斷為壩基含礫粗砂層、黏土層和泥巖局部松散破碎，且黏土層視電阻率為相對(duì)低阻，推斷該層含水較豐富；淺部黏土層粉砂層和砂壤土層視電阻率和視橫波速度成層性較好，推斷結(jié)構(gòu)較完好。壩腳測(cè)線WT3在樁號(hào)K0+580～K0+600 m、高程+142～+135 m附近圈定低阻低速異常，其在枯水期異常范圍略有擴(kuò)大，推斷為黏土層局部松散破碎，且黏土層和泥巖視電阻率為相對(duì)低阻，推斷該層含水較豐富。

圖5 高密度電法探測(cè)成果Fig.5 High-density electrical detection results

圖6 被動(dòng)源面波法探測(cè)成果Fig.6 Passive surface wave method detection results

綜合壩頂壩腳兩條測(cè)線物探成果，推斷在樁號(hào)K0+580～K0+610 m、高程+145～+133 m附近壩基含礫粗砂和黏土存在局部松散破碎，可能為滲漏通道；推斷深部泥巖和黏土存在一定的滲漏現(xiàn)象，為壩基滲漏，最終形成壩基或壩體滲漏隱患。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)通過開展高密度電法和被動(dòng)源面波法綜合物探方法的時(shí)間推移探測(cè)，觀測(cè)水庫(kù)堤壩地層電阻和波速隨時(shí)間的變化特征，能較好地查明地層結(jié)構(gòu)， 辨識(shí)堤壩隱患發(fā)育情況，且有較好的空間分辨率。

(2)在水庫(kù)堤壩中采用綜合物探時(shí)移隱患檢測(cè)辨識(shí)技術(shù)，結(jié)合測(cè)區(qū)水文地質(zhì)資料綜合分析研究，能較準(zhǔn)確辨識(shí)堤壩隱患部位，再通過鉆探驗(yàn)證，可為水庫(kù)堤壩的安全運(yùn)行和除險(xiǎn)加固提供科學(xué)指導(dǎo)。