綜合物探在水庫(kù)大壩滲漏隱患檢測(cè)中的應(yīng)用

王永剛,呂 明,張 俊

(中國(guó)電建集團(tuán)貴州電力設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴陽(yáng) 550081)

0 引言

近年來(lái),隨著極端氣候的頻繁發(fā)生,各種自然災(zāi)害(地震、冰雪災(zāi)害、洪災(zāi)、泥石流、山體滑坡等)給各地基礎(chǔ)設(shè)施帶來(lái)了嚴(yán)重挑戰(zhàn),尤其是局部長(zhǎng)時(shí)間的特大暴雨常常威脅著水利工程壩體安全運(yùn)行[1]。因此,水庫(kù)大壩滲漏隱患排查是水利工程安全運(yùn)行及除險(xiǎn)加固工作的重要環(huán)節(jié),對(duì)保障大壩安全運(yùn)行及下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義[2-3]。

水庫(kù)大壩滲漏檢測(cè)的方法中,鉆探、槽探等直接檢測(cè)方法雖然準(zhǔn)確可靠,但其效率低、成本高、加之探測(cè)范圍有限,存在可能破壞壩體結(jié)構(gòu)等風(fēng)險(xiǎn)[4-5]。目前水庫(kù)大壩滲漏檢測(cè)方法主要為無(wú)損檢測(cè),借助無(wú)損檢測(cè)即物探技術(shù),可精準(zhǔn)快速排查出壩體隱患位置及規(guī)模[6-11]。經(jīng)過(guò)前人大量研究,在水庫(kù)大壩存在隱患或發(fā)生滲漏時(shí),由于長(zhǎng)期浸水,導(dǎo)致水庫(kù)大壩滲漏通道位置含水量較高,其電阻率與周?chē)鷫误w電阻率差異較大,電阻率響應(yīng)最為敏感且易于無(wú)損探測(cè)。因此,利用直流電法進(jìn)行土壩滲漏通道追蹤探測(cè)成為目前應(yīng)用較為廣泛的無(wú)損檢測(cè)方法[12-17]。直流電阻率方法中,充電法對(duì)于水庫(kù)大壩滲漏通道追索效果極佳,在滲漏位置設(shè)置充電點(diǎn)便可追壩體內(nèi)有水系滲漏聯(lián)通的通道,是壩體滲漏檢測(cè)最直接有效的方法,但其僅能追索出滲漏通道的平面位置,對(duì)異常規(guī)模刻畫(huà)有限[18-20],而高密度電法對(duì)淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的勘探效果較好,能精確刻畫(huà)隱患發(fā)育規(guī)模,受地形影響相對(duì)較小,且其分辨率相對(duì)較高,施工效率高,是滲漏探測(cè)有效的方法之一[12-17]。因此,筆者在前人研究基礎(chǔ)上,將直流電阻率方法應(yīng)用于貴州某水庫(kù)大壩滲漏檢測(cè)中,首先利用充電法追索壩體滲漏通道,然后結(jié)合高密度電法對(duì)每條測(cè)線(xiàn)二維縱向剖面進(jìn)行解析,圈定滲漏隱患發(fā)育規(guī)模,從而達(dá)到由點(diǎn)及線(xiàn)、由線(xiàn)及面的綜合探測(cè)效果,為水庫(kù)大壩滲漏通道排查及除險(xiǎn)加固提供精確可靠的依據(jù)。

1 工程概況

貴州某水庫(kù)大壩始建于20世紀(jì)60年代,主要功能為灌溉,大壩主要為均質(zhì)土壩,筑壩土料取自水庫(kù)右岸山體土料,壩體土料填筑采用人工夯實(shí),水庫(kù)正常蓄水位1 246.60 m,壩頂高程為1 248.00 m,防浪墻頂高程為1 248.80 m,最大壩高12.24 m,壩頂軸線(xiàn)長(zhǎng)74 m,壩頂寬3 m,最大壩底寬39.7 m。但自水庫(kù)建成后,無(wú)運(yùn)行觀測(cè)管理人員,因此在調(diào)查中不能確切了解大壩運(yùn)行的具體情況。2001年清鎮(zhèn)市水電局委托貴陽(yáng)市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)隊(duì)開(kāi)展水庫(kù)除險(xiǎn)加固勘測(cè)設(shè)計(jì)工作,施工單位及施工資料不詳。經(jīng)蓄水觀察,大壩有局部滲漏現(xiàn)象,經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行后,壩體沉降基本上穩(wěn)定,壩體滲漏現(xiàn)象不再出現(xiàn),但壩基滲漏仍存在。2001年在壩頂進(jìn)行3 m孔間距的帷幕灌漿加固處理,但處理后水庫(kù)仍然存在局部滲漏,而且漏水量無(wú)明顯變化,下游壩坡出現(xiàn)局部因滲漏而引起的跨塌現(xiàn)象,如圖1所示,目前水庫(kù)雖然能蓄水,但存在安全隱患,需對(duì)壩體進(jìn)行滲漏隱患排查。

圖1 水庫(kù)壩體滲漏現(xiàn)狀圖Fig.1 Diagram of reservoir dam leakage status

2 方法原理

2.1 充電法

充電法是水庫(kù)大壩追索滲漏通道平面位置效果極佳的物探方法,通過(guò)在滲漏位置設(shè)置充電點(diǎn)便可追索壩體內(nèi)有聯(lián)通的滲漏水系通道。它是利用被探測(cè)對(duì)象具有良好的導(dǎo)電特性,采用人工方法對(duì)被探測(cè)的對(duì)象進(jìn)行充電,測(cè)量和研究充電體及其周?chē)妶?chǎng)分布特征,達(dá)到解決地質(zhì)問(wèn)題的目的[18-20],其原理示意圖如圖2所示。

圖2 充電法基本原理示意圖(電位梯度觀測(cè)裝置)Fig.2 Schematic diagram of basic principle of the mise-a-la-masse method(Potential gradient observation device)

充電法中主要有電位法、電位梯度法和直接追索等位線(xiàn)法三種觀測(cè)方式,其中的電位梯度法是將供電電極A(正極)放于具有良好導(dǎo)電性的探測(cè)體上,供電電極B極(負(fù)極)置于相距較遠(yuǎn)的位置,逐點(diǎn)觀測(cè)各測(cè)線(xiàn)測(cè)點(diǎn)上的電位差ΔUMN,根據(jù)電位差曲線(xiàn)的零點(diǎn)確定滲漏通道位置[18-20]。

2.2 高密度電法

當(dāng)水庫(kù)大壩壩體存在滲漏通道時(shí),因其地質(zhì)隱患地電斷面往往單一,與圍巖存在明顯的電阻率差異,因此在電性參數(shù)反演上特征明顯而比較容易被識(shí)別出來(lái)。而高密度電法是一種經(jīng)濟(jì)、無(wú)損、快速且直觀的淺層地球物理勘探方法之一,其具有分辨率高、效率高、成本低、解釋方便等諸多優(yōu)點(diǎn)[12-17]。其原理是基于目標(biāo)體與周?chē)橘|(zhì)之間的導(dǎo)電性差異,首先通過(guò)供電電極A、B建立人工電場(chǎng),在地電半空間里形成人工電流場(chǎng)I,然后利用測(cè)量電極M、N在人工電場(chǎng)作用下測(cè)量測(cè)點(diǎn)O處的電位差ΔV,最后得到測(cè)點(diǎn)處一定深度范圍內(nèi)的巖土視電阻率ρs=K·ΔV/I[21],如圖3所示,通過(guò)一次布極可以完成縱、橫向二維勘探過(guò)程,既能反映地下某一深度沿水平方向巖土體的電性變化,同時(shí)又能提供地層巖性沿縱向的電性變化情況,具備電剖面法和電測(cè)深法兩種方法的綜合探測(cè)能力[21-24]。從而可根據(jù)不同巖土體視電阻率差異推斷解釋地下地質(zhì)異常體的分布、規(guī)模等地質(zhì)問(wèn)題[21-25]。

圖3 高密度電法基本原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of high density resistivity method

當(dāng)水庫(kù)大壩壩體存在滲漏時(shí),因其地質(zhì)隱患地電斷面單一、與圍巖存在明顯的物性差異,因此在物性參數(shù)反演上特征明顯而比較容易被識(shí)別出來(lái)。為了給現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)、分析、解釋壩體隱患特征提供理論依據(jù),建立了大壩滲漏隱患數(shù)值模型(如圖4(a)所示),通過(guò)正反演對(duì)比總結(jié)分析滲漏通道在電阻率剖面上的特征,對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐的指導(dǎo)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。數(shù)值模型中假設(shè)滲漏通道(含水)的電阻率為100 Ω·m,圍巖電阻率為500 Ω·m,規(guī)模寬1 m,高1 m,頂部距地表0.5 m。數(shù)據(jù)采集參數(shù)為電極32根,電極距為1 m。利用有限元法計(jì)算得到大壩滲漏模型的電性分布[26-27],在此基礎(chǔ)上進(jìn)行反演,對(duì)模型電阻率反演結(jié)果進(jìn)行綜合分析。

圖4 滲漏通道電阻率模型(a)及其電阻率反演擬斷面圖(b)Fig.4 Resistivity model of leakage channel (a) and its resistivity inversion pseudo section map (b)

圖4(b)為滲漏通道電阻率模型及其對(duì)應(yīng)的二維電阻率反演擬斷面圖。根據(jù)模型反演計(jì)算得到的斷面信息可知,模型反演斷面圖能直觀地反映滲漏隱患的位置及發(fā)育規(guī)模,異常體位置與模型模擬的位置一一對(duì)應(yīng)。而在生產(chǎn)實(shí)踐中由于復(fù)雜的地質(zhì)條件以及壩體各巖土構(gòu)成的電阻率受礦物性質(zhì)、含水量、黏粒含量、壓實(shí)度等多種因素影響,導(dǎo)致高密度電法反演成果存在“非唯一性”的固有缺陷,在刻畫(huà)隱患規(guī)模時(shí),須通過(guò)多種手段相互綜合驗(yàn)證解釋。

3 測(cè)試效果分析

3.1 充電法

貴州某水庫(kù)為均質(zhì)土壩,由于壩體滲漏區(qū)域較窄,人工地質(zhì)調(diào)查工作相對(duì)粗略,而且壩體滲漏產(chǎn)生原因復(fù)雜,為了找出具體滲漏通道范圍,以便進(jìn)行進(jìn)一步處理,首先采用定位精度直觀可靠的充電法梯度觀測(cè)裝置追索出壩體滲漏通道。

以該水庫(kù)大壩北側(cè)滲漏匯流區(qū)作為充電點(diǎn),通過(guò)7條充電法測(cè)線(xiàn),獲得了壩址以南向北走向的電位差異常帶(電位差曲線(xiàn)從負(fù)值到正值的零點(diǎn)位置連線(xiàn)),如圖5中紅色虛線(xiàn)所示。由此追索出該水庫(kù)大壩滲漏的平面位置走向?yàn)?CD07號(hào)測(cè)線(xiàn)的41.7 m位置→CD06號(hào)測(cè)線(xiàn)的43.2 m位置→CD05號(hào)測(cè)線(xiàn)的41.6 m位置→CD04號(hào)測(cè)線(xiàn)的43.3 m位置→CD03號(hào)測(cè)線(xiàn)的42.8 m位置→CD02號(hào)測(cè)線(xiàn)的39.7 m位置→CD01號(hào)測(cè)線(xiàn)的41.6 m位置→滲漏點(diǎn)→充點(diǎn)電。

圖5 充電法電位差曲線(xiàn)圖Fig.5 The potential difference curve of the mise-a-la-masse method

3.2 高密度電法

針對(duì)充電法追索到的滲漏通道,由于成果僅能體現(xiàn)滲漏通道平面位置,其深度及規(guī)模充電法難以揭示,因此針對(duì)滲漏通道布置高密度電法進(jìn)行二維斷面解釋,高密度電法測(cè)線(xiàn)共布置6條測(cè)線(xiàn),其中GMD01測(cè)線(xiàn)與CD01測(cè)線(xiàn)對(duì)應(yīng),里程為12 m～53 m,長(zhǎng)42 m;GMD02測(cè)線(xiàn)與CD03測(cè)線(xiàn)對(duì)應(yīng),里程為13 m～72 m,長(zhǎng)59 m;GMD03測(cè)線(xiàn)與CD04測(cè)線(xiàn)對(duì)應(yīng),里程為13 m～72 m,長(zhǎng)59 m;GMD04測(cè)線(xiàn)與CD06測(cè)線(xiàn)對(duì)應(yīng),里程為13 m～72 m,長(zhǎng)59 m;GMD06測(cè)線(xiàn)與CD07測(cè)線(xiàn)對(duì)應(yīng),里程為13 m～72 m,長(zhǎng)59 m;而GMD05測(cè)線(xiàn)位于GMD04與GMD06測(cè)線(xiàn)之間,與其完全平行,該三條測(cè)線(xiàn)間距1.5 m,其中GMD05測(cè)線(xiàn)沿著帷幕灌漿孔布置,該測(cè)線(xiàn)主要檢測(cè)水庫(kù)大壩帷幕灌漿處理缺陷。

結(jié)合滲漏通道數(shù)值模擬反演結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查分析,低阻異常區(qū)電阻率范圍為10 Ω·m ～14 Ω·m,結(jié)合充電法成果,主要推斷解釋為兩種情況:①水庫(kù)滲漏通道引起的異常;②壩體土層可能存在淤積水或含水率相對(duì)較高引起的異常。具體詳細(xì)推斷解譯詳見(jiàn)表1,以及高密度電法反演圖6中紅色虛線(xiàn)框所示。

表1 高密度電法異常描述及推斷解釋結(jié)果Tab.1 High-density resistivity method anomaly description and inference interpretation results

圖6 高密度電法GMD01-GMD06測(cè)線(xiàn)視電阻率反演斷面圖Fig.6 Apparent resistivity inversion section of high density electrical method for the GMD01-GMD06 survey line

另外,壩體浸潤(rùn)線(xiàn)主要是根據(jù)充電法異常點(diǎn)與高密度電法視電阻率反演綜合揭示的滲漏通道斷面周?chē)娮杪瘦^低的范圍,具體以電阻率為11 Ω·m ～18 Ω·m區(qū)域進(jìn)行劃分,詳見(jiàn)高密度電法反演圖6中黑色虛線(xiàn)框所示。

3.3 綜合物探分析

通過(guò)兩種物探方法的異常解釋結(jié)果(如圖7所示),現(xiàn)將水庫(kù)大壩物探異常描述如下:

圖7 水庫(kù)大壩滲漏通道綜合物探異常推斷解釋圖Fig.7 Interpretation diagram of comprehensive geophysical anomaly inference of leakage channels for reservoir dam

1)根據(jù)充電法電位梯度曲線(xiàn)異?？芍?該水庫(kù)大壩滲漏通道平面位置走向?yàn)?CD07號(hào)測(cè)線(xiàn)的41.7 m位置→CD06號(hào)測(cè)線(xiàn)的43.2 m位置→CD05號(hào)測(cè)線(xiàn)的41.6 m位置→CD04號(hào)測(cè)線(xiàn)的43.3 m位置→CD03號(hào)測(cè)線(xiàn)的42.8 m位置→CD02號(hào)測(cè)線(xiàn)的39.7 m位置→CD01號(hào)測(cè)線(xiàn)的41.6 m位置→滲漏點(diǎn)→充點(diǎn)電。

2)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查與數(shù)值模擬分析,根據(jù)高密度電法視電阻率反演斷面圖解釋可知,GMD01測(cè)線(xiàn)里程32 m～34 m、深度約2.7 m～4.0 m、測(cè)線(xiàn)里程40 m～41 m、深度約2.7 m～3.0 m,推測(cè)為水庫(kù)滲漏通道引起的異常;GMD02測(cè)線(xiàn)里程40 m～45 m,深度約3.5 m～5.5 m,推測(cè)為水庫(kù)滲漏通道引起的異常;GMD03測(cè)線(xiàn)里程39 m～45 m,深度約4.5 m～7.0 m,推測(cè)為水庫(kù)滲漏通道引起的異常;GMD04測(cè)線(xiàn)里程37 m～45 m,深度約3.5 m～8.0 m,推測(cè)為水庫(kù)滲漏通道引起的異常;GMD05與GMD06測(cè)線(xiàn)里程41 m～45 m,深度約5.0 m～9.0 m,推測(cè)為水庫(kù)滲漏通道引起的異常。另外,根據(jù)GMD05測(cè)線(xiàn)視電阻率反演擬斷面圖可知,在測(cè)線(xiàn)里程41 m～45 m,深度約5.0 m～9.0 m,位置、電阻率呈現(xiàn)封閉低阻異常,綜合推測(cè)該處對(duì)應(yīng)的帷幕灌漿效果較差,從而造成滲流穿過(guò)該區(qū)域滲流至北側(cè)壩底,形成貫通的滲流通道。

3)綜合兩種物探異常解釋結(jié)果分析可知,該水庫(kù)大壩滲漏通道兩種物探方法推斷解釋的平面位置吻合度較高,且通過(guò)高密度電法反演擬斷面清晰直觀地解析了該滲流通道二維斷面位置,其解釋成果可靠。

4 結(jié)論

筆者通過(guò)直流電阻率方法中的充電法及高密度電法相互結(jié)合,將其應(yīng)用于水庫(kù)大壩滲漏檢測(cè)中,取得了較好的應(yīng)用效果:

1)根據(jù)GMD05測(cè)線(xiàn)視電阻率反演擬斷面圖可知,在測(cè)線(xiàn)里程41 m～45 m,深度約5.0 m～9.0 m位置,電阻率呈現(xiàn)封閉低阻異常,分析主要是由于帷幕灌漿前未開(kāi)展物探工作,從而導(dǎo)致帷幕灌漿未能針對(duì)性進(jìn)行除險(xiǎn)加固,故而造成滲流穿過(guò)該區(qū)域滲流至北側(cè)壩底,形成貫通的滲流通道。因此,建議水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固處理前,須結(jié)合物探及鉆探資料查明大壩滲漏通道分布特征,確定靶區(qū)后再針對(duì)性進(jìn)行加固處理。

2)綜合物探結(jié)果表明,充電法電位梯度曲線(xiàn)清晰地追蹤出水庫(kù)大壩滲漏通道的平面位置,高密度電法反演斷面圖直觀地解譯了大壩滲漏通道的二維斷面,兩種物探資料相結(jié)合對(duì)滲漏通道平面及斷面上的分布特征進(jìn)行了精確地刻畫(huà),為大壩滲漏隱患加固提供精確可靠的依據(jù)。同時(shí),多種物探方法相結(jié)合克服了單一物探方法解譯“非唯一性”的固有缺陷,從而提高了對(duì)目標(biāo)體的探測(cè)精度。

3)針對(duì)均質(zhì)土壩或土石壩,若存在滲漏隱患,其電阻率與壓實(shí)均質(zhì)土或土石體存在明顯的電性差異,基于電阻率法的物探方法(高密度電法、充電法、淺層瞬變電磁法)效果較好;對(duì)于混凝土壩體,由于直流式電阻率法接地較差,通常采用交流式電阻率法(淺層瞬變電磁法)或探地雷達(dá)、地震映像等方法效果較好。