高密度電法在西湖坑水庫(kù)滲漏檢測(cè)中的應(yīng)用

溫文釗

（肇慶市水利水電工程質(zhì)量檢測(cè)站,廣東 肇慶 526040）

隨著經(jīng)濟(jì)和人口的快速發(fā)展,對(duì)于可持續(xù)水資源的需求越來(lái)越大。水庫(kù)作為一種重要的水利工程設(shè)施,對(duì)于水資源的儲(chǔ)存和保護(hù)具有重要作用。然而,在水庫(kù)的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中,滲漏問(wèn)題經(jīng)常出現(xiàn),這導(dǎo)致了許多問(wèn)題和危險(xiǎn),需要進(jìn)行密切的監(jiān)測(cè)和準(zhǔn)確的檢測(cè)。

傳統(tǒng)的滲漏檢測(cè)方法具有局限性。例如,滲漏檢測(cè)人員通常需要在水庫(kù)表面放置大量傳感器以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,這不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力,而且無(wú)法精確定位滲漏位置。更重要的是,許多傳統(tǒng)的方法很難檢測(cè)地下滲漏問(wèn)題。

高密度電法的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)。首先,該方法能夠有效地檢測(cè)到滲漏問(wèn)題,準(zhǔn)確地確定滲漏位置和情況,幫助人們快速判斷和處理問(wèn)題。其次,該方法具有操作簡(jiǎn)單易行、實(shí)施快速、結(jié)果可靠等優(yōu)點(diǎn)。此外,與傳統(tǒng)的方法相比,高密度電法還能夠檢測(cè)到更深層的滲漏問(wèn)題,從而使得監(jiān)測(cè)更加全面和準(zhǔn)確。

1 工程概況

西湖坑水庫(kù)是一座以灌溉為主,兼有防洪、養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫(kù)。水庫(kù)屬Ⅲ等工程,工程規(guī)模為中型,主要建筑物為3 級(jí),次要建筑物為4 級(jí),防洪標(biāo)準(zhǔn)按50 年一遇洪水設(shè)計(jì),1000 年一遇洪水校核。水庫(kù)總庫(kù)容1173 萬(wàn)m3,水庫(kù)正常高水位80.00m,相應(yīng)庫(kù)容800 萬(wàn)m3。死水位為74.5m,相應(yīng)庫(kù)容228 萬(wàn)m3。興利調(diào)節(jié)庫(kù)容572 萬(wàn)m3。

原樞紐工程主要由主壩、五座副壩、溢洪道、輸水涵等建筑物組成,主壩屬均質(zhì)土壩,最大壩高20.00 m,壩頂高程84.00 m,防浪墻頂高程85.31 m,壩頂長(zhǎng)194.00 m,壩頂寬4.5 m,輸水涵為圓形砼涵管,管徑φ=1.2 m。其它5 座副壩均為土壩,壩高在5.7 m～11.0 m 之間。溢洪道為開(kāi)敞寬頂堰式,寬6 m,堰頂高程80.0 m。輸水涵為圓形砼涵管,管徑φ=1.2 m。

2 檢測(cè)作業(yè)

2.1 檢測(cè)設(shè)備選取

①儀器精度：設(shè)備的精度需要能夠滿足實(shí)際需要,對(duì)于電極間距的控制和電極陣列部署的準(zhǔn)確性要求高。

②測(cè)量深度：水庫(kù)大多具有較深的地下水埋深,因此需要選用能夠深入測(cè)量的設(shè)備,在縱向剖面方面的測(cè)量范圍要滿足。

③數(shù)據(jù)處理能力：高密度電法設(shè)備的數(shù)據(jù)處理能力決定了對(duì)數(shù)據(jù)的處理程度,因此需對(duì)設(shè)備的數(shù)據(jù)處理軟件做詳細(xì)的了解。

根據(jù)以上設(shè)備選取方案,選取的設(shè)備見(jiàn)表1。

表1 主要檢測(cè)設(shè)備一覽表

2.2 檢測(cè)方案

高密度電法是一種地球物理勘探方法,在水庫(kù)滲漏檢測(cè)中具有一定的應(yīng)用潛力。下面是一種高密度電法在水庫(kù)滲漏檢測(cè)中的檢測(cè)方案：

①確定檢測(cè)目標(biāo)區(qū)域。首先需要確定水庫(kù)中可能存在滲漏問(wèn)題的目標(biāo)區(qū)域,通常是水庫(kù)底部或者周邊。在排除干擾因素后,可以通過(guò)水庫(kù)的地理信息系統(tǒng)（GIS）或者衛(wèi)星遙感技術(shù)等手段繪制出目標(biāo)區(qū)域的地理位置圖和地形圖。

②針對(duì)目標(biāo)區(qū)域,設(shè)計(jì)電極布局。根據(jù)目標(biāo)區(qū)域的形狀和大小,設(shè)計(jì)電極布局。一般采用等間距的正方形或者正三角形布置電極,電極之間的距離需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)確定。通常情況下,電極距離越近,測(cè)量得到的數(shù)據(jù)越精確。根據(jù)水庫(kù)的實(shí)際情況,可能需要在不同的深度上設(shè)置不同的電極布局。

③進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。在電極布置完成后,需要借助高密度電法測(cè)量?jī)x器對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行電阻率測(cè)試。該儀器會(huì)向地下注入電流,并測(cè)量不同深度下的電阻率,將測(cè)量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,繪制出地下電阻率分布圖。

④分析電阻率分布圖。通過(guò)對(duì)電阻率分布圖的分析,可以初步判斷水庫(kù)中是否存在滲漏問(wèn)題。如果發(fā)現(xiàn)某些區(qū)域電阻率異常低,可能就意味著該區(qū)域存在漏洞或者裂縫,需要進(jìn)一步進(jìn)行檢測(cè)和修復(fù)。

需要注意的是,在進(jìn)行高密度電法檢測(cè)時(shí),需要保證測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的安全,并注意避免對(duì)水庫(kù)和周邊環(huán)境造成不必要的干擾和污染。同時(shí),在數(shù)據(jù)采集和處理過(guò)程中,也需要對(duì)測(cè)量設(shè)備和數(shù)據(jù)精度進(jìn)行充分的掌握和把握,檢測(cè)操作見(jiàn)圖1。

圖1 背水坡高密度電法檢測(cè)示意圖

2.3 檢測(cè)過(guò)程

高密度電法是一種非破壞性的地球物理勘探方法,適用于水庫(kù)滲漏檢測(cè)。其基本原理是通過(guò)在地下埋設(shè)電極,經(jīng)過(guò)一定的電流和電場(chǎng)磁場(chǎng)對(duì)地下巖土進(jìn)行探測(cè),測(cè)量巖土中的電阻率和電導(dǎo)率等物理參數(shù),從而反演地下水流情況以及水庫(kù)滲漏情況。

具體來(lái)說(shuō),在水庫(kù)滲漏檢測(cè)過(guò)程中,首先要對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行細(xì)致的調(diào)查和勘測(cè),包括地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、水文水資源等方面的數(shù)據(jù)收集和分析。然后在檢測(cè)區(qū)域內(nèi),采用一定的電極排布方式,分別將正、負(fù)電極埋設(shè)于地下,通過(guò)調(diào)整電流和電場(chǎng)的大小和方向,對(duì)地下巖土進(jìn)行探測(cè)。

在電法勘探中,電流一般通過(guò)正電極進(jìn)入地下,然后通過(guò)地下介質(zhì),最終返回負(fù)電極。當(dāng)電流通過(guò)地下巖土?xí)r,會(huì)受到地下介質(zhì)電阻、電導(dǎo)率的影響,而不同的地下介質(zhì)對(duì)電流的影響也不同。因此,在勘探過(guò)程中,可以測(cè)量不同位置處的電阻率和電導(dǎo)率等物理參數(shù),從而反演不同深度處的地下巖土結(jié)構(gòu)和水流情況。

對(duì)于水庫(kù)滲漏檢測(cè),可以通過(guò)測(cè)量不同深度處的電阻率和電導(dǎo)率等參數(shù),分析地下水的流動(dòng)情況和可能的滲漏情況。如果地下巖土中存在滲漏通道,那么一般會(huì)表現(xiàn)為電阻率或電導(dǎo)率異常。通過(guò)分析這些異常數(shù)據(jù),可以初步判斷滲漏的位置和程度,為后續(xù)的修繕和管理提供有效的依據(jù)。

本次采用高密度電法對(duì)主壩輸水涵上部進(jìn)行勘探,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,在主壩背水坡設(shè)置2 條測(cè)線,測(cè)線布置見(jiàn)表2。

表2 測(cè)線概況

3 大壩滲漏檢測(cè)分析

3.1 高密度電法勘探

3.1.1 背水坡輸水涵上部左側(cè)測(cè)線

布線方式為自壩腳至壩頂布置,背水坡輸水涵上部左側(cè)土質(zhì)壩體電阻率為2.66 ohm.m～1418 ohm.m,大部分區(qū)域電阻在578 ohm.m 左右,距離壩腳8 m～12 m 范圍內(nèi),存在孤立低電阻區(qū)域,壩體含水量高,該區(qū)域可能存在集中滲漏通道,檢測(cè)及結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 背水坡輸水涵上部左側(cè)測(cè)線

3.1.2 背水坡輸水涵上部右側(cè)測(cè)線

布線方式為自壩腳至壩頂布置,背水坡輸水涵上部右側(cè)土質(zhì)壩體電阻率為1.39 ohm.m～957 ohm.m,大部分區(qū)域電阻在376 ohm.m 左右,距離壩腳16 m～17 m、19 m～21 m 范圍內(nèi),存在孤立低電阻區(qū)域,壩體含水量高,該區(qū)域可能存在集中滲漏通道,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3。以上針對(duì)高密度電法剖面電阻率剖面圖的異常區(qū)域所做的解釋僅是在本次高密度電法工作的基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況所做的推測(cè),其不能代替鉆探工作。

圖3 背水坡輸水涵上部右側(cè)測(cè)線

3.2 檢測(cè)結(jié)果分析

3.2.1 此次檢測(cè)結(jié)果分析

主壩背水坡輸水涵上部左側(cè)土質(zhì)壩體電阻率為2.66 ohm.m～1418 ohm.m,大部分區(qū)域電阻在578 ohm.m 左右,距離壩腳8 m～12 m 范圍內(nèi),存在孤立低電阻區(qū)域,壩體含水量高,該區(qū)域可能存在集中滲漏通道。背水坡輸水涵上部右側(cè)土質(zhì)壩體電阻率為1.39 ohm.m～957 ohm.m,大部分區(qū)域電阻在376 ohm.m左右,距離壩腳16 m～17 m、19 m～21 m 范圍內(nèi),存在孤立低電阻區(qū)域,壩體含水量高,該區(qū)域可能存在集中滲漏通道。

3.2.2 跑極方式對(duì)電阻率成像影響

線性跑極方式。線性跑極方式采用單獨(dú)的線性布置電極,這種方式可得到一維電阻率成像。這個(gè)跑極方式的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)采集速度很快,缺點(diǎn)是電極間的距離較遠(yuǎn),無(wú)法精確地顯示滲漏情況。在檢測(cè)水庫(kù)較為粗略的滲漏問(wèn)題時(shí),線性跑極方式是一個(gè)有效的選擇。

正方形跑極方式。正方形跑極方式是將電極放置在正方形四個(gè)角上,這種方式可以得到二維電阻率成像。這個(gè)跑極方式的優(yōu)點(diǎn)是電極間距相對(duì)較近,可以比較準(zhǔn)確地顯示滲漏區(qū)域的位置和大小。因此,在檢測(cè)水庫(kù)滲漏問(wèn)題時(shí),正方形跑極方式是更好的選擇。

三角形跑極方式。三角形跑極方式是將電極放置在三角形的三個(gè)角上,這種方式可以得到三維電阻率成像。這個(gè)跑極方式的優(yōu)點(diǎn)是可以更全面地了解水庫(kù)的滲漏情況,但缺點(diǎn)是采集數(shù)據(jù)的速度較慢,需要更多的時(shí)間和精力。

對(duì)于水庫(kù)滲漏檢測(cè),選擇合適的跑極方式非常重要,不同的跑極方式會(huì)對(duì)電阻率成像產(chǎn)生影響。因此,在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)具體情況選擇合適的跑極方式。

3.2.3 供電電壓對(duì)電阻率成像影響

供電電壓越高,可以產(chǎn)生更強(qiáng)的電場(chǎng),從而可以更好地探測(cè)水庫(kù)底部的滲漏情況。此時(shí)電流將沿著水庫(kù)底部的滲漏路徑流動(dòng),產(chǎn)生的電壓響應(yīng)會(huì)更加明顯,有利于準(zhǔn)確識(shí)別和定位滲漏位置。然而,高電壓供電也可能會(huì)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生干擾,從而影響電阻率成像的準(zhǔn)確性。例如,在強(qiáng)電場(chǎng)下,地下巖石、土壤等介質(zhì)的電阻率往往會(huì)發(fā)生變化,這樣就會(huì)誤判或漏判滲漏位置。

綜合考慮供電電壓的影響因素后,可以選擇適當(dāng)?shù)墓╇婋妷?以獲得最優(yōu)的電阻率成像結(jié)果。同時(shí),應(yīng)該采取合適的探測(cè)方案和儀器參數(shù)設(shè)置,提高數(shù)據(jù)采集和處理的精度和可靠性,從而得到準(zhǔn)確和全面的滲漏檢測(cè)結(jié)果。

4 結(jié)論

相對(duì)于傳統(tǒng)方法,高密度電法具有檢測(cè)過(guò)程簡(jiǎn)單、精度高、覆蓋面廣等優(yōu)點(diǎn)。在本研究中,高密度電法可以快速獲取大范圍內(nèi)的水庫(kù)滲漏情況,并對(duì)滲漏的位置、范圍等方面提供了明確的信息。其次,該水庫(kù)存在一定程度的滲漏問(wèn)題。根據(jù)高密度電法的分析結(jié)果,研究發(fā)現(xiàn)該水庫(kù)在一定程度上存在滲漏問(wèn)題,滲漏位置主要分布在水庫(kù)的底部以及岸坡靠近水面的區(qū)域。這一結(jié)論為水庫(kù)管理者提供了重要信息,可以幫助其有針對(duì)性地采取補(bǔ)救措施。

高密度電法在水庫(kù)滲漏檢測(cè)中具有很大的應(yīng)用前景,特別適用于對(duì)大型水庫(kù)進(jìn)行滲漏檢測(cè)。在今后研究中,我們將繼續(xù)拓展該應(yīng)用領(lǐng)域,為水庫(kù)滲漏問(wèn)題的解決提供更加全面和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。