高密度電法對水庫滲漏判斷及指導(dǎo)地質(zhì)勘察的應(yīng)用研究

陳文銳

（廣東中灝勘察設(shè)計(jì)咨詢有限公司,廣東 廣州 510000）

1 工程概況

本工程水庫位于云浮市云城區(qū)南盛鎮(zhèn)大枧村,距城區(qū)20 km,在新興江一支流的上游,是一座以防洪、灌溉為主,結(jié)合發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫,其運(yùn)行管理單位為云浮市云城區(qū)水務(wù)管理服務(wù)中心。本工程水庫樞紐由水庫大壩（分主、副壩）、泄洪洞、輸水洞、灌區(qū)建筑物、電站等主要建筑物組成。

由于大壩施工過程中盲目追求速度,趕進(jìn)度,沒有把好質(zhì)量關(guān),致使水庫投入運(yùn)行以來,存在嚴(yán)重的滲漏問題,針對主壩、副壩滲漏問題,經(jīng)歷多次防滲搶險(xiǎn)措施,水庫一直處于控制運(yùn)行狀態(tài),故本工程對大壩滲透原因、滲漏情況進(jìn)行論證。

2 項(xiàng)目技術(shù)背景

地質(zhì)勘察主要目的是判斷水庫土壩填筑狀況、填土的物理力學(xué)參數(shù)、壩體壩基防滲性能,主壩和副壩的地質(zhì)情況、巖土力學(xué)參數(shù)及防滲性能。傳統(tǒng)勘察辦法：通過收集資料、踏勘、工程地質(zhì)調(diào)查、勘探試驗(yàn)和原位測試,查明堤壩范圍的地層分布、成份、性質(zhì)、厚度,各巖土層物理力學(xué)性質(zhì)和地基承載力,檢查壩體填筑質(zhì)量。傳統(tǒng)單一勘探辦法通常耗時(shí)長、費(fèi)用高且效果不理想。

高密度電阻率法是集電測深和剖面法于一體的一種多裝置,多極距的組合方法,它具有僅一次布極就可以進(jìn)行的裝置數(shù)據(jù)采集以及通過求取比值參數(shù)而能突出異常信息,信息多并且觀察精度高,速度快,探測深度靈活等特點(diǎn)。影響因素為成分、含水率、礦化度、溫度,及探測前段時(shí)間長歷時(shí)暴雨、壩基清基、臨側(cè)山體滲水情況等。高密度電法已經(jīng)成為近年來水庫大壩滲漏隱患探測應(yīng)用的重要手段。

3 大壩滲透判斷技術(shù)方法

針對云浮市某水庫滲流安全評價(jià)方法有歷史資料分析法、現(xiàn)場檢查法、監(jiān)測資料分析法、物探檢測、工程地質(zhì)、計(jì)算分析法和經(jīng)驗(yàn)類比法。根據(jù)本次工程現(xiàn)狀滲漏情況、工程地質(zhì)、滲漏監(jiān)測、物探檢測、歷史數(shù)據(jù)分析等資料,采用綜合分析監(jiān)測資料分析與滲流計(jì)算對大壩滲流安全進(jìn)行評價(jià)。

通過歷史數(shù)據(jù)分析法得知大壩施工過程中盲目追求速度,趕進(jìn)度,沒有把好質(zhì)量關(guān),致使水庫投入運(yùn)行以來,存在嚴(yán)重的滲漏問題。且經(jīng)過現(xiàn)場檢查方法以及監(jiān)測資料分析法能初判滲漏的出滲點(diǎn)位置。根據(jù)現(xiàn)場檢查情況和測壓管分析情況,本次采用高低密電法探測壩體的滲水通道滲漏通道范圍、規(guī)模、滲透通道走向與位置,并對鉆探進(jìn)行選擇性鉆孔驗(yàn)證。

4 高密度電法技術(shù)應(yīng)用

4.1 工作原理

高密度電法量測的原理為以地下介質(zhì)導(dǎo)電性的差異作為基礎(chǔ),通過觀測和研究介質(zhì)導(dǎo)電性的差異以及人工電場的分布情況,是一種可查明地下地質(zhì)構(gòu)造和識別地下典型不均勻體的地球物理勘探方法。

本工程通過假設(shè)壩面段水平,壩面下充滿均勻各向同性半無限介質(zhì),在壩面上任意取兩點(diǎn)用供電電極a、b 進(jìn)行通電,取另外兩點(diǎn)用電壓表量測m、n 兩點(diǎn)的之間電位差。a、b 兩個(gè)電極在點(diǎn)m 產(chǎn)生的電位是：

同理,它們在點(diǎn)n 產(chǎn)生的電位是：

推導(dǎo)出點(diǎn)m 與點(diǎn)N 間的電位差是：

因此得出均勻壩體電阻率的計(jì)算公式：

根據(jù)大壩地質(zhì)體電性的不同來進(jìn)行劃分界限的斷面,稱為地電斷面。地電斷面所劃分的界線與地質(zhì)體、地層層位的界面可能吻合也可能不吻合。這時(shí)候向非均勻介質(zhì)的大壩進(jìn)行通電并量測,也可按（1）式求出其“電阻率”的值。但該值不是某一地質(zhì)體或者地層的電阻率,與物理量和電流有效作用范圍內(nèi)的所有地質(zhì)體的電阻率都有關(guān)系,稱它為視電阻率,用ρs表示,即：

視電阻率的值和各種地質(zhì)體電阻率與電場有效作用范圍內(nèi)地形對應(yīng)的。雖然式（2）與式（1）變量右側(cè)的形式是一致的,但左端的ρ和ρs卻是完全不同的兩個(gè)概念。只有在壩面水平且地下介質(zhì)均勻各向同性情況下,ρ和ρs才是相同的。視電阻率的基本公式（2）為便于進(jìn)行定性分析,可以轉(zhuǎn)換公式,即視電阻率與地表電阻率、電流密度的關(guān)系式。

當(dāng)壩面水平,當(dāng)m、n 電極間是很小的距離的時(shí)候,其mn間的電場強(qiáng)度可視為均勻的,則有

所以：

式中：jmn、ρmn分別為m、n 電極之間任意點(diǎn)的電流密度與介質(zhì)的電阻率。

將式（3）代入式（2）式可得到：

把均勻各向同性半無限介質(zhì)的電阻率設(shè)為ρ,電極mn 間的電流密度為j0,此時(shí)式（4）可寫成：

因討論的是均勻介質(zhì),故ρs應(yīng)等于ρ,于是便有：

將（5）代入（4）中得到：

式中：ρ0只受裝置的類型和大小所決定,則對于確定的裝置可認(rèn)為它是已知的。

4.2 工作方法技術(shù)

4.2.1 實(shí)物工作量

物探剖面7 條,測點(diǎn)227 個(gè),剖面總長度880 m,見表1。

表1 完成工作量一覽表

4.2.2 野外工作辦法與技術(shù)

（1）工作裝置及參數(shù)選擇

本項(xiàng)目采用對稱四極（施倫貝謝爾,schlum2 berger）裝置進(jìn)行量測,勘探的工作參數(shù)選擇為：

電極距a=2 m,點(diǎn)距2 m,最小隔離系數(shù)為n=1,最大隔離系數(shù)n=35。

供電波形：方波供電0+0-。

（2）野外工作方法

①利用RTK 進(jìn)行測地工作,按設(shè)計(jì)測線進(jìn)行測點(diǎn)布設(shè),用紅布條做標(biāo)記。

②沿布設(shè)好的測點(diǎn)敷設(shè)電纜,各電極入土深度為電極長度的2/3,電極距2 m,遇到不合適布極處進(jìn)行處理或合理偏移。

③開始測量前,利用儀器自帶功能對所有電極接地進(jìn)行檢查,電極接地較大或不通的,需對電極重新布置,大部分接地電阻小于1 kΩ,少部分小于2 kΩ。

④設(shè)置好儀器各參數(shù),進(jìn)行電極滾動測量,測量過程中需對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,遇到突變點(diǎn)查找原因后進(jìn)行重測。

⑤測量完成后將數(shù)據(jù)及時(shí)傳到計(jì)算機(jī)并進(jìn)行備份,以供后續(xù)處理。

4.3 資料的解釋推斷

根據(jù)歷史資料和現(xiàn)狀情況調(diào)查確定測區(qū)的地球物理特征,大壩處主要以基巖及填充的密實(shí)的粘性土材料為主,均為高阻特征。當(dāng)局部出現(xiàn)通道裂隙后,易充填水變成飽和粘性土和砂礫通道等低阻物質(zhì),從而導(dǎo)致導(dǎo)電率顯著降低,成為低阻甚至超低組地段。因此,結(jié)合7 條測線的電阻率特征,總結(jié)本次高密度電法測量的解釋推斷原則：將電阻率小于100 Ω·m 的部位,推斷為大壩的裂隙或充水孔洞的部位,電阻率在100 Ω·m～300 Ω·m 之間的推斷為裂隙發(fā)育部位。電阻率大于300 Ω·m 的地段,推斷為壩基完整部位。

如圖1 所示,將推斷的18 個(gè)異常投影到平面圖上,可以明顯的顯示出異常所在的平面位置,也是推斷的水庫易發(fā)生滲漏的地段,但影響高密度電法結(jié)果多種因素,包括物質(zhì)成分、含水率、礦化度、溫度,以及探測時(shí)間前段時(shí)間長歷時(shí)暴雨、壩基清基情況、臨側(cè)山體滲水情況等,如圖2 與圖3所示,壩肩均出現(xiàn)電阻率小于100 Ω·m 的部位,可能為山體持續(xù)滲水所致。則高密度電法探測出的大壩滲漏范圍、規(guī)模、滲透通道走向與位置需要進(jìn)行進(jìn)一步認(rèn)證。本項(xiàng)目推薦采用鉆孔實(shí)驗(yàn)進(jìn)行選擇性的鉆探驗(yàn)證。

圖1 水庫高密度電法測量低阻異常分布圖

圖2 主壩L14 線高密度電法測量成果圖

圖3 主壩L12 線高密度電法測量成果圖

本次高密度電法檢測結(jié)論為：

①通過本次工作,獲得了工作區(qū)內(nèi)7 條測線的電阻率斷面圖,了解了大壩的電阻率分布特征。

②圈定了14 個(gè)低阻異常,其中5 個(gè)低阻異常推斷為裂隙充水引起,9 個(gè)低阻異常為孔洞充水引起。

本次物探檢測建議為：

①對圈定的異常擇進(jìn)行選擇性的鉆探驗(yàn)證,驗(yàn)證孔需正對低阻異常中心。

②高密度電法為間接方法,圈定的異常范圍大小與實(shí)際情況可能存在誤差,在運(yùn)用其工作成果時(shí)應(yīng)綜合其他工作成果資料。

③高密度電法初步判斷大壩滲漏范圍、規(guī)模、滲透通道走向與位置,可指導(dǎo)其他鉆探實(shí)驗(yàn)工作,以及其他物理參數(shù)的確認(rèn)。

5 鉆探驗(yàn)證與應(yīng)用

本次根據(jù)高密度電法的結(jié)論和建議,開展鉆探認(rèn)證工作,并把部分鉆孔位置布置在高密度電法推測滲漏通道的典型異常處。

通過鉆孔確認(rèn),高密度電法反映的導(dǎo)電率顯著降低區(qū)域,充填大量碎石和砂礫,裂隙發(fā)育,呈松散狀態(tài)。以ZK6 為例,ZK6 位于物探剖面L12 的138 m 左右,ZK6 于深度5 m～9 m左右充填大量碎石和砂礫,裂隙發(fā)育,呈松散狀態(tài),結(jié)合物探成果分析,進(jìn)一步認(rèn)證改鉆孔位置壩段存在滲透通道。

L12 線長度138 m,方位角30.3°,位于主壩西側(cè)路面,圖3 中四處電阻率較低,推測該4 處異常均為為大壩裂隙或孔洞充水的反映。物探成果和地勘成果相符,在127 m 高程以上壩體填土壓實(shí)不足,填土不均勻,呈中等透水性,尤其在左右兩肩壩體與山體接觸位置漏水較嚴(yán)重。

本次在主壩舊填土層進(jìn)行原位注水試驗(yàn),共進(jìn)行原位注水試驗(yàn)18 段次,本次在副壩舊填土層進(jìn)行原位注水試驗(yàn),共進(jìn)行原位注水試驗(yàn)14 段次,并均取土樣開展室內(nèi)實(shí)驗(yàn),結(jié)果見表2。

表2 大壩注水試驗(yàn)與室內(nèi)滲透試驗(yàn)結(jié)果表

根據(jù)注水試驗(yàn)主副壩填土土料大部分屬中等透水性,局部呈微～弱透水性。

6 結(jié)論

（1）高密度電法成果判斷的滲漏通道范圍、規(guī)模、滲透通道走向與位置成果可信,在其成果指導(dǎo)下開展的鉆孔實(shí)驗(yàn)、注水實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)滲透實(shí)驗(yàn),成果更加真實(shí)和科學(xué),大大節(jié)省勘察的鉆孔工作量、時(shí)間和準(zhǔn)確性,其指導(dǎo)確認(rèn)的力學(xué)物理參數(shù)也更加合理,從而為大壩加固措施和范圍提供技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

（2）本次采取高密度電法為間接物探方法,影響探測解析成果的因素很多,傳統(tǒng)勘探辦法采用鉆探試驗(yàn)和注水試驗(yàn)等傳統(tǒng)勘察方法成果更加直觀,兩者優(yōu)勢互補(bǔ)和相互驗(yàn)證。

（3）物探解析過程中要結(jié)合歷史資料分析法、現(xiàn)場檢查法、監(jiān)測資料分析法、計(jì)算分析法和經(jīng)驗(yàn)類比法等資料進(jìn)行綜合解析,以提高結(jié)果的可靠性。