壩體隱患強(qiáng)密度電阻率勘測(cè)法探測(cè)的實(shí)驗(yàn)分析

趙 晶

(宜昌市水利水電勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 宜昌 443005)

壩體隱患探測(cè)是水工壩體建造和安全維護(hù)始終重視的技術(shù)和實(shí)踐課題，良好的檢測(cè)手段和技術(shù)，關(guān)系到工程測(cè)量的效率和精度，更事關(guān)工程的建造質(zhì)量和維護(hù)使用安全。本文基于對(duì)案例實(shí)驗(yàn)工程實(shí)施隱患工程預(yù)設(shè)實(shí)施強(qiáng)密度電阻率勘測(cè)法隱患探測(cè)及解析，分析判斷該測(cè)量結(jié)果與隱患工程預(yù)設(shè)的基本符合程度，驗(yàn)證壩體隱患探測(cè)應(yīng)用強(qiáng)密度電阻率勘測(cè)法探測(cè)的可靠程度，以期為同類(lèi)工程應(yīng)用提供借鑒和技術(shù)參考。

1 強(qiáng)密度電阻率勘測(cè)法原理

強(qiáng)密度電阻率勘測(cè)法的主要工作機(jī)理與常用的電阻率測(cè)量法大體相同，也是一種基于壩體內(nèi)介質(zhì)導(dǎo)電性電阻率差異的電子測(cè)探方法。通常情況下，由孔洞、土性或裂隙等構(gòu)成的地下介質(zhì)，其具體設(shè)計(jì)填埋深度、大小以及性質(zhì)等經(jīng)人工加載電場(chǎng)的傳播作用，電流傳導(dǎo)分布與各賦存狀態(tài)發(fā)生各具特點(diǎn)的關(guān)聯(lián)反應(yīng)狀態(tài)。只要探測(cè)到這些傳導(dǎo)電流所呈現(xiàn)的互有差異的分布規(guī)律，區(qū)域地層介質(zhì)電阻率分布就會(huì)被逐一解析出來(lái)，然后通過(guò)反向推演，可以知悉區(qū)域地層的地質(zhì)存在狀態(tài)。強(qiáng)密度電阻率勘測(cè)法偵測(cè)機(jī)理見(jiàn)圖1。

圖1 強(qiáng)密度電阻率勘測(cè)法偵測(cè)機(jī)理

強(qiáng)密度電阻率勘測(cè)法的供電頻率一般相對(duì)比較低，而且通常都是相對(duì)固定不變的，因此一定程度上就本質(zhì)而言，強(qiáng)密度電阻率勘測(cè)法還是屬于電子勘測(cè)法的技術(shù)范疇。相較于常規(guī)電測(cè)方法，強(qiáng)密度電阻率勘測(cè)法通常都設(shè)置具有相對(duì)較大密度的區(qū)域測(cè)點(diǎn)。強(qiáng)密度電阻率勘測(cè)法將電剖面勘測(cè)和深區(qū)勘測(cè)功能合成一體，可以輕松獲取目標(biāo)地域電勘測(cè)斷面的空間二維信息，故其信息量通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基于普通電測(cè)法的測(cè)量信息量。

強(qiáng)密度電阻率勘測(cè)法對(duì)壩體隱患的探測(cè)規(guī)律一般為：均質(zhì)地層的電阻率一般比較均勻平緩，隱患地質(zhì)和位置則呈現(xiàn)電阻局部異常。如弱軟參構(gòu)體、軟弱結(jié)構(gòu)層或者漏滲通道等等，基本都有呈現(xiàn)為較高的介電、較低的密度以及較低的電阻率反應(yīng)探測(cè)狀態(tài)；而空洞和裂隙等隱患狀態(tài)，通常呈現(xiàn)為低介電、低密度、高電阻探測(cè)反應(yīng)狀態(tài)。

在野外操作的強(qiáng)密度電阻率勘測(cè)法探測(cè)，其基本過(guò)程是：地面布設(shè)幾十甚至幾百個(gè)工作電極，經(jīng)過(guò)多芯引線連接串聯(lián)，接至專業(yè)的電極轉(zhuǎn)換器，交由智能電子主機(jī)控制區(qū)域測(cè)點(diǎn)，操控掃描電極排列狀態(tài)和陣列極距，不斷操控電極位置，借以測(cè)度出相關(guān)底層部位的差異化電位分布，進(jìn)而收到對(duì)不同測(cè)度深度的壩體目標(biāo)的精確勘測(cè)。

2 模型壩體及實(shí)驗(yàn)方案

案例實(shí)驗(yàn)選取在黃河沿線河南境內(nèi)的一處某崗李水庫(kù)，實(shí)驗(yàn)壩體劃分為1#壩和2#壩。1#壩：長(zhǎng)度100 m，坡度1∶2，壩底寬22 m，壩頂寬2 m，系在既有舊壩體邊新建的壩體。2#壩：長(zhǎng)度100 m，坡度1∶3，壩底寬32 m，壩頂寬2 m，系由既有舊壩體改造而成。兩實(shí)驗(yàn)壩于距離壩頂?shù)?.6 m位置交匯，壩頂中線距離為16 m，形成一個(gè)梯形的橫截空間。見(jiàn)圖1、圖2。

舊實(shí)驗(yàn)壩2#的隱患設(shè)計(jì)預(yù)設(shè)，壩體頂部制作施工中，于開(kāi)挖回填恢復(fù)后，即要做一次強(qiáng)密度電阻率勘測(cè)法的探測(cè)，通過(guò)解析數(shù)據(jù)并與真實(shí)隱患工程預(yù)設(shè)實(shí)施比對(duì)。選用施倫伯格電測(cè)法裝，電極距0.5 m，電極數(shù)60，探測(cè)距離每次30 m。為盡可能降低梯型勘測(cè)面所造成的相關(guān)正常數(shù)據(jù)的失缺，相鄰間隔探測(cè)間要始終保持電極至少10個(gè)重合，總測(cè)線程長(zhǎng)度100 m。選用AGI軟件對(duì)電測(cè)資料實(shí)施推演。

圖2 基于橫截面的實(shí)驗(yàn)壩示意

圖3 基于平面的實(shí)驗(yàn)壩示意

實(shí)驗(yàn)壩1#在距離壩頂5 m的壩基部分開(kāi)始堆筑隱患工程預(yù)設(shè)。堆筑同時(shí)，分別在距離壩頂2及3.5 m處和壩頂部位，3次探測(cè)壩體隱患工程預(yù)設(shè)。選用專業(yè)AGI智能系統(tǒng)，對(duì)勘測(cè)所獲得的一手?jǐn)?shù)據(jù)資料開(kāi)展進(jìn)一步推演，比對(duì)實(shí)驗(yàn)所確定的壩體隱患基本預(yù)設(shè)，解析驗(yàn)證強(qiáng)密度電阻率勘測(cè)法的探測(cè)準(zhǔn)確度和精度。

3 強(qiáng)密度電阻率勘測(cè)法分析結(jié)果檢測(cè)

3.1 對(duì)實(shí)驗(yàn)壩2#的探測(cè)結(jié)果及比對(duì)

見(jiàn)圖4-圖7。

圖4 壩頂部位距離0～30 m推演結(jié)果

圖5 壩頂部位距離25～55 m推演結(jié)果

圖6 壩頂部位距離50～80 m推演結(jié)果

圖7 壩頂部位距離75～105 m推演結(jié)果

案例實(shí)驗(yàn)壩2#隱患工程預(yù)設(shè)部位見(jiàn)圖8。

圖8 案例2#中線縱剖面示意

壩段0～30 m區(qū)段，設(shè)計(jì)4個(gè)隱患存在，分別系空洞態(tài)低阻值介電體2個(gè)和洞狀高阻體2個(gè)。隱患1為洞狀高阻體，探測(cè)系在0.7～1.3 m的設(shè)計(jì)填埋深度，基于水平向測(cè)量值系在4.7～5.7 m的標(biāo)準(zhǔn)距離；隱患2系空洞態(tài)低阻值介電體，探測(cè)顯示2.7～3.6 m設(shè)計(jì)填埋深度，基于水平向測(cè)量值系在12～13 m的標(biāo)準(zhǔn)距離；洞狀高阻體為第3個(gè)隱患，探測(cè)部位顯示為1.5～2.4 m的設(shè)計(jì)填埋深度，基于水平向測(cè)量值系在19.5～20.5 m的標(biāo)準(zhǔn)距離。

比對(duì)隱患工程預(yù)設(shè)設(shè)計(jì)，3部位測(cè)量結(jié)果基本與隱患工程預(yù)設(shè)設(shè)計(jì)相符。隱患工程預(yù)設(shè)直徑為0.5 m，推演結(jié)果比對(duì)實(shí)際隱患發(fā)生了非正常放大。其原因在于探測(cè)電阻率并非是真實(shí)電阻率，而為視電阻率。隱患3顯示異常的電阻率是水平方向電阻率，最有可能是施工中混入了諸如小石塊等電阻率較大的雜質(zhì)，也可能為不均勻土質(zhì)所致。隱患4系空洞態(tài)低阻值介電體，未能顯示在圖中的原因在于梯形是強(qiáng)密度電阻率勘測(cè)法的二維探測(cè)面的基本幾何形狀，測(cè)線端點(diǎn)的下方存在一個(gè)三角形測(cè)定盲區(qū)。此亦為要求第1次和第2次觀測(cè)要留有5 m重合的原因。

壩段25～55 m，共存有隱患4個(gè)，為空洞態(tài)低阻值介電體2個(gè)、板狀高阻體1個(gè)以及洞狀高阻體1個(gè)。隱患1系圖中未顯示的空洞態(tài)低阻值介電體隱患，探測(cè)部位顯示為1.5～2.5 m設(shè)計(jì)填埋深度，水平位在1.5～3 m，結(jié)合前面的25 m，可作26.5～28 m標(biāo)準(zhǔn)距離換算。隱患2系洞狀高阻體，探測(cè)顯示為2.7～3.6 m的設(shè)計(jì)填埋深度，基于水平向測(cè)量值系在換算后的34.5～35.5 m標(biāo)準(zhǔn)距離；隱患3系空洞態(tài)低阻值介電體，探測(cè)顯示為0.6～1.4 m的設(shè)計(jì)填埋深度，基于水平向測(cè)量值系在換算后41.6～42.6 m的標(biāo)準(zhǔn)距離。比對(duì)隱患設(shè)計(jì)預(yù)設(shè)部位，3個(gè)探測(cè)結(jié)果與隱患設(shè)計(jì)預(yù)設(shè)基本符合，推演結(jié)果也是發(fā)生了非正常的異常放大現(xiàn)象，其原因大致基本同上。非正常的異常放大的倍數(shù)有所差異當(dāng)屬正常，因?yàn)殡[患周邊土質(zhì)不盡相同，其對(duì)應(yīng)視電阻率當(dāng)然有所不同。隱患4系板狀高阻體，探測(cè)部位顯示為0.7 m頂部設(shè)計(jì)填埋深度，基于水平向測(cè)量值系在為換算后52.5～53 m的標(biāo)準(zhǔn)距離，隱患4下半部分未有顯示，此暫不予解析。以上推演結(jié)果均符合于隱患設(shè)計(jì)預(yù)設(shè)的部位所在。

在50～80 m壩段，共存在隱患3個(gè)，均為板狀高阻體。隱患1在上文已然有述，此不再解析；隱患2系板狀高阻體，探測(cè)部位顯示為1.3～4 m設(shè)計(jì)填埋深度。此處設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)填埋深度是2～4 m，基于水平向測(cè)量值系在換算后59.5～60 m的標(biāo)準(zhǔn)距離。隱患3系板狀高阻體，探測(cè)部位顯示為0.7～3 m設(shè)計(jì)填埋深度，此處設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)填埋深度是1～3 m，基于水平向測(cè)量值系在換算后69.5～70.5 m的標(biāo)準(zhǔn)距離。比對(duì)隱患工程預(yù)設(shè)部位設(shè)計(jì)，此2處測(cè)量結(jié)果符合于隱患工程預(yù)設(shè)水平設(shè)計(jì)，都發(fā)生0.3 m豎向上的提增，非正常放大現(xiàn)象越接近探測(cè)地面越明顯。

在75～105 m壩段，只存在板狀高阻體1個(gè)隱患。探測(cè)位顯示為0.7～3 m設(shè)計(jì)填埋深度，基于水平向測(cè)量值系在換算后80～80.5 m的標(biāo)準(zhǔn)距離。比對(duì)隱患工程預(yù)設(shè)設(shè)計(jì)，上述探測(cè)結(jié)果符合于隱患工程預(yù)設(shè)設(shè)計(jì)，同樣都發(fā)生了0.3 m的豎向上的增益。除掉土質(zhì)不均和異常放大現(xiàn)象帶來(lái)的誤差，將實(shí)驗(yàn)壩2#探測(cè)結(jié)果跟實(shí)際設(shè)計(jì)隱患作對(duì)比，探測(cè)結(jié)果符合于實(shí)際隱患部位。

在推演圖中，有3種背景體顏色，分別是黃色、綠色和天藍(lán)色。發(fā)生藍(lán)色系之向紅色系演變，表明電阻率在逐漸放大。因?yàn)槭┕l件的一些限制，采用的工程土體粒質(zhì)不夠均勻。天藍(lán)色對(duì)應(yīng)較大水分的黏土，綠色對(duì)應(yīng)較少水分的黏土，黃色則對(duì)應(yīng)沙土。

3.2 實(shí)驗(yàn)壩1#的探測(cè)結(jié)果與實(shí)際隱患比對(duì)

3.2.1 距壩頂3.5 m部位的比對(duì)

見(jiàn)圖9-圖12。

圖9 距壩頂3.5 m部位，距離0～30 m推演結(jié)果

圖10 距壩頂3.5 m部位，距離25～55 m推演結(jié)果

圖11 距壩頂3.5 m部位，距離50～80 m推演結(jié)果

圖12 距壩頂3.5 m部位，距離75～105 m推演結(jié)果

實(shí)驗(yàn)壩1#實(shí)際隱患部位示意圖見(jiàn)圖13。

圖13 案例壩1#中線縱剖面隱患工程預(yù)設(shè)

在0～30 m壩段，共存在隱患2個(gè)，為洞狀高阻體和空洞態(tài)低阻值介電體各1個(gè)。隱患1系空洞態(tài)低阻值介電體，探測(cè)部位顯示為1～2 m設(shè)計(jì)填埋深度，聯(lián)系3.5 m至壩頂距離，換算后為4.5～5.5 m的設(shè)計(jì)填埋深度，基于水平向測(cè)量值系在14.5～15.5 m的標(biāo)準(zhǔn)距離。隱患2系洞狀高阻體，探測(cè)部位顯示為換算后3.7～4.5 m設(shè)計(jì)填埋深度，基于水平向測(cè)量值系在24.5～25.5 m的標(biāo)準(zhǔn)距離。比對(duì)隱患工程預(yù)設(shè)設(shè)計(jì)，除異常放大的推演結(jié)果外，探測(cè)結(jié)果均符合隱患工程預(yù)設(shè)設(shè)計(jì)填埋深度，仍發(fā)生了水平方向的電阻率異常現(xiàn)象，原因如前文所述。

在25～55 m壩段，存在隱患2個(gè)，為洞狀高阻體和空洞態(tài)低阻值介電體各1個(gè)。隱患1系空洞態(tài)低阻值介電體，探測(cè)部位顯示為換算后3.7～4.5 m設(shè)計(jì)填埋深度，基于水平向測(cè)量值系在換算后34.7～35.5 m的標(biāo)準(zhǔn)距離：隱患2系洞狀高阻體，探測(cè)部位顯示為換算后4.7～5.4 m的設(shè)計(jì)填埋深度，基于水平向測(cè)量值系在換算后44.5～45.4 m的標(biāo)準(zhǔn)距離。比對(duì)隱患工程預(yù)設(shè)設(shè)計(jì)，除異常放大的推演結(jié)果外，探測(cè)結(jié)果均符合隱患工程預(yù)設(shè)設(shè)計(jì)填埋深度，仍發(fā)生了水平方向的電阻率異常現(xiàn)象，原因如前文所述。在50～80 m壩段和75～105 m壩段，沒(méi)有探測(cè)隱患顯示，實(shí)際部位事實(shí)上也不存在隱患設(shè)定。

3.2.2 距壩頂2 m部位的比對(duì)解析

見(jiàn)圖14-圖17。

圖14 距壩頂2 m部位，距離0～30 m推演結(jié)果

圖15 距壩頂2 m部位，距離25～55 m推演結(jié)果

圖16 距壩頂2 m部位，距離50～80 m推演結(jié)果

圖17 距壩頂2 m部位，距離75～105 m推演結(jié)果

實(shí)驗(yàn)壩1#實(shí)際隱患部位示意圖見(jiàn)圖18。

圖18 案例壩1#中線縱剖面隱患工程預(yù)設(shè)

在0～30 m壩段，存在隱患2個(gè)，為洞狀高阻體和空洞態(tài)低阻值介電體各1個(gè)。隱患1系空洞態(tài)低阻值介電體，探測(cè)部位顯示為換算后4.7～5.3 m的設(shè)計(jì)填埋深度，基于水平向測(cè)量值系在4.3～15 m多年標(biāo)準(zhǔn)距離；隱患2為洞狀高阻體，探測(cè)部位顯示為換算后3.5～4.5 m的設(shè)計(jì)填埋深度，基于水平向測(cè)量值系在24.5～25.5 m的標(biāo)準(zhǔn)距離。與設(shè)計(jì)隱患工程預(yù)設(shè)相對(duì)，探測(cè)結(jié)果符合設(shè)計(jì)隱患工程預(yù)設(shè)。

在25～55 m壩段，存在隱患2個(gè)，為洞狀高阻體和空洞態(tài)低阻值介電體各1個(gè)。隱患1系空洞態(tài)低阻值介電體，探測(cè)部位顯示為換算后3.8～4.5 m的設(shè)計(jì)填埋深度，基于水平向測(cè)量值系在換算后34～35 m的標(biāo)準(zhǔn)距離；隱患2為洞狀高阻體，探測(cè)部位顯示為換算后4.7～5.4 m的設(shè)計(jì)填埋深度，基于水平向測(cè)量值系在換算后44.6～45.6 m的標(biāo)準(zhǔn)距離。比對(duì)隱患設(shè)計(jì)預(yù)設(shè)，探測(cè)結(jié)果符合隱患設(shè)計(jì)預(yù)設(shè)。在75～105 m壩段，沒(méi)有探測(cè)隱患顯示，實(shí)際部位事實(shí)上也不存在隱患設(shè)定。在50～80 m壩段，存在軟弱夾層隱患1個(gè)，換算后2.7～3.3 m的設(shè)計(jì)填埋深度，水平位在65.5～71 m。比對(duì)隱患工程預(yù)設(shè)設(shè)計(jì)，亦符合實(shí)際隱患工程預(yù)設(shè)設(shè)計(jì)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了強(qiáng)密度電阻率勘測(cè)法基本原理；基于案例壩模型展開(kāi)壩體隱患強(qiáng)密度電阻率勘測(cè)法檢測(cè)實(shí)驗(yàn)；介紹了隱患實(shí)驗(yàn)壩強(qiáng)密度電阻率勘測(cè)法檢測(cè)結(jié)果并進(jìn)行了分析；驗(yàn)證和體現(xiàn)了壩體隱患探測(cè)應(yīng)用強(qiáng)密度電阻率勘測(cè)法探測(cè)的符合程度，可為同類(lèi)工程應(yīng)用提供借鑒和技術(shù)參考。