高密度電法在堤壩滲漏監(jiān)測中的模擬及應用

劉 曉，彭友文，袁志輝，唐 春，黃 誠

(南昌工程學院水利與生態(tài)工程學院，江西 南昌 330099)

我國大部分堤壩修建較早，運行年久，病害較多，大約30%存在滲漏問題，堤壩工程中常見的隱患包括天然地質(zhì)缺陷，施工中的質(zhì)量缺陷，生物破壞造成的洞穴，裂縫及修補時的人為薄弱環(huán)節(jié)等[1]。每年汛期，這些隱患容易誘發(fā)管涌、漫頂、散浸、滑坡、崩岸、坍塌等險情[2]，因此及時查明隱患，預先排除險情是堤防工程中迫切要解決的問題。

電法探測是堤壩無損探測的主要手段之一，已經(jīng)廣泛地應用于滲漏、洞穴等堤壩隱患的探測。電阻率是電法探測常用的物性參數(shù)，砂土的電阻率和它的孔隙度有關。堤壩內(nèi)部或基礎存在裂縫、洞穴時，其孔隙度變大，滲漏水時電阻率變小，干燥時電阻率變大，與背景電阻率形成差異，成為電法探測的物性前提。

高密度電法作為一種普遍應用的電法探測方法，利用隱患和背景介質(zhì)的電性差異，根據(jù)電阻率的空間變化規(guī)律來推斷隱患的分布情況，具有采集自動化，分辨率高，成本低，效率高，解釋方便等特點[3-4]，彌補了傳統(tǒng)電阻率法野外采集時測點相對稀少和反演解釋時依據(jù)單一等缺點[5]。高密度電法在工程地質(zhì)和水文地質(zhì)勘查等方面有廣泛的應用[6-8]，適用于探測堤壩裂縫、洞穴、高含沙層、不均勻體、軟弱層、松散體及滲漏區(qū)，以及堤壩基礎隱伏斷層、破碎帶等隱患。劉海心等[9]、孫衛(wèi)民等[10]、李宏恩等[11]應用高密度電法于堤壩滲漏隱患探測，樊炳森等[12]應用高密度電法于水庫的溶洞和溶蝕裂隙探測，取得了較好的效果。

在實際探測中，由于地質(zhì)條件復雜，影響因素多變，以及反演自身的多解性，資料解釋存在一定的干擾。筆者通過建立兩組典型的堤壩滲漏地電模型[13-14]，計算其高密度電法響應，根據(jù)合成數(shù)據(jù)的正反演算例和工程實例，分析高密度電法的探測效果，為提高解釋水平提供依據(jù)。

1 典型堤壩滲流模型的正反演

高密度電法二維正演問題為點電源電場二維地電斷面的邊值問題，應用有限差分法剖分網(wǎng)格形成大型線性方程組，通過解方程組即得到正演解，使用RES2DMOD軟件來實現(xiàn)正演；高密度電法的反演目的是要找到擬合觀測數(shù)據(jù)的模型，屬于最優(yōu)化問題，采用最小二乘法來計算[15]，通過RES2DINV軟件實現(xiàn)反演[16]。

1.1 層狀模型

層狀模型用來模擬土石壩等壩體內(nèi)部的電性結(jié)構，在浸潤面以下，由于巖土的孔隙中幾乎充滿了水，電阻率變低，基巖為高阻體。模型的各層厚度和電阻率如表1所示。

表1 層狀模型的厚度和電阻率

本文采用溫納裝置，共80個電極，電極間距為5 m，正演擬斷面如圖1所示。在正演數(shù)據(jù)中加入2%的隨機誤差，利用合成數(shù)據(jù)進行反演，迭代5次，誤差為0.29%，反演結(jié)果如圖2所示。

圖1 層狀模型正演擬斷面

圖2 層狀模型反演結(jié)果

圖1中，視電阻率有明顯的分層現(xiàn)象，壩體浸潤區(qū)視電阻率為相對低值，壩基基巖視電阻率為相對高值，兩者的差異不大。圖2中，反演結(jié)果清晰地反映出低阻目標層，視電阻率最小可恢復到50 Ω·m。虛線中間為視電阻率小于80 Ω·m的范圍，與壩體浸潤區(qū)基本重合。圖中標出的浸潤區(qū)和基巖分界線略有起伏，結(jié)合正演擬斷面圖可知，分界線起伏是受算法多解性等因素影響所致。

1.2 二維滲流模型

在層狀模型基礎上，設計一個壩體二維滲流模型。圖3中，在水平位置185～215 m，深度24～48 m范圍，有一個穿過壩體浸潤區(qū)和壩基的傾斜滲漏通道，呈現(xiàn)低阻特征，視電阻率為1 Ω·m。探測選用溫納裝置，設置80個電極，電極間距為5 m，正演結(jié)果如圖4所示。在正演數(shù)據(jù)中加入2%的隨機誤差，利用合成數(shù)據(jù)進行反演，5次迭代后，均方根誤差為1.87%，結(jié)果如圖5所示。

圖3 二維滲流模型

圖4 滲流模型正演擬斷面

圖5 滲流模型反演結(jié)果

圖4壩體浸潤區(qū)視電阻率為相對的低值異常，低阻異常閉合區(qū)的水平位置與真實模型的水平位置接近，向兩側(cè)略有延伸，定性反映了滲漏通道的存在。圖5中，反演結(jié)果對滲漏目標體有較好的反映，圖中有視電阻率低值異常閉合區(qū)，異常中心和實際滲漏中心基本一致，低阻體的視電阻率最小可以恢復到5 Ω·m，反演結(jié)果對異常體水平方向邊界的分辨率高于垂直方向，難以分辨異常體的傾向。受低阻體影響，在異常閉合區(qū)的深部即基巖區(qū)出現(xiàn)了低阻假異常現(xiàn)象，比較圖4和圖5，可以排除假異常對解釋的干擾。

據(jù)理論模型計算可知，由視電阻率擬斷面圖可定性地判斷異常目標體的存在；由反演圖可進行定量分析，受算法多解性等因素的影響，反演結(jié)果可能存在假異常現(xiàn)象。為避免錯誤解釋，需要剔除假異常，將視電阻率斷面圖和反演結(jié)果結(jié)合分析，可提高對異常體的識別能力。

2 壩基滲漏監(jiān)測工程實例

2.1 工程概況

某水庫大壩蓄水后發(fā)現(xiàn)滲流量異常，大壩右端發(fā)現(xiàn)多處滲水位置，局部位置發(fā)現(xiàn)泉水。量水堰觀測數(shù)據(jù)顯示，大壩滲流量有明顯增大趨勢，右端滲流量達302 m3/d，總滲流量超出初步設計報告計算值，需查明大壩異常滲流的原因及其具體部位。

壩址處地層主要由殘坡積粉質(zhì)黏土、全-微風化基巖構成，局部有人工填土、可塑狀沖積粉質(zhì)黏土及沖洪積層(粉土層、粉細砂、中粗砂等)、淤泥等。基巖主要為花崗巖、混合花崗巖、花崗片麻巖(片麻狀花崗巖)等，劃分為全風化帶、強風化帶和弱風化帶。全風化帶的原巖已風化成土狀，以砂質(zhì)黏土為主，層厚為9.5～34.5 m，一般為弱透水，局部為中等透水性。強風化呈半巖半土狀，由于節(jié)理裂隙發(fā)育，其透水性較全風化稍強。弱風化帶層厚16.7～31 m，風化裂隙發(fā)育，多為弱透水。庫區(qū)無區(qū)域性構造斷裂通過，構造穩(wěn)定性較好，壩址區(qū)構造以小斷層為主，大壩鉆探過程顯露了一些小規(guī)模的斷層，與大壩相交的有F1斷層和F5斷層。

壩體為黏土心墻壩，壩長1 102 m，壩頂高程63.5 m，寬度8 m，最大壩高54 m。中部黏土防滲心墻頂寬6.0 m，上下游坡比均為1:0.5，上下游壩殼之間設有砂反濾層和砂礫石過渡層。壩基全線強風化巖及弱風化巖做帷幕灌漿防滲處理，灌漿上部接防滲墻。

2.2 探測方案

本次探測選用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DUK-2B多功能高密度電法儀，采用溫納裝置，每個排列60個電極，電極距為5 m，最大供電電壓為180V，沿著大壩背水面平行布設3條測線[17]。測線1平行于壩體中部的馬道布設，總長975 m，10次滾動完成；測線2布設在壩腳處，總長900 m，7次滾動完成；測線3在壩體下游50 m處，總長400 m，2次滾動完成。

2.3 探測過程

根據(jù)測線1第2個排列的實測數(shù)據(jù)，繪制視電阻率擬斷面如圖6所示，實測數(shù)據(jù)的反演結(jié)果如圖7所示。根據(jù)測線2第2個排列的實測數(shù)據(jù)，繪制視電阻率擬斷面如圖8所示，實測數(shù)據(jù)的反演結(jié)果如圖9所示。根據(jù)測線3第2個排列的實測數(shù)據(jù)，繪制視電阻率擬斷面如圖10所示，實測數(shù)據(jù)的反演結(jié)果如圖11所示。

圖6 測線1第2個排列實測數(shù)據(jù)視電阻率擬斷面

圖7 測線1第2個排列實測數(shù)據(jù)反演結(jié)果

圖8 測線2第2個排列實測數(shù)據(jù)視電阻率擬斷面

圖9 測線2第2個排列實測數(shù)據(jù)反演結(jié)果

圖10 測線3第2個排列實測數(shù)據(jù)視電阻率擬斷面

圖11 測線3第2個排列實測數(shù)據(jù)反演結(jié)果

圖6水平方向100～160 m點位下方有視電阻率低值異常，地表附近有視電阻率高值異常，結(jié)合相關設計資料，推斷圖7中黑色虛線上方為壩體，視電阻率大于180 Ω·m 。黑色虛線下方為壩基，位于浸潤線以下，地下水侵入壩基上部的花崗巖風化層，使其視電阻率變小，剖面平距130～160 m、深度約30～40 m范圍內(nèi)低阻異常明顯，視電阻率小于80 Ω·m ，推斷為富水區(qū)。

圖8水平方向100～180 m點位下方有視電阻率低值異常，局部有視電阻率高值異常。結(jié)合圖8及設計資料，推斷圖9中黑色虛線上方為壩體，視電阻率大于170 Ω·m，局部高阻為混凝土排水溝的影響所致；黑色虛線下方為壩基，剖面平距120～160 m、深度約25～39 m范圍內(nèi)低阻異常明顯，視電阻率小于80 Ω·m，推斷為富水區(qū),結(jié)合測線1結(jié)果，推斷兩者為貫通的異常滲流通道，沿通道方向到壩腳處發(fā)現(xiàn)有多個出露的滲水點。

圖10水平方向100～200 m點位下方有視電阻率低值異常。圖11中，剖面平距100～200 m、深度約10～40 m范圍內(nèi)視電阻率低值異常明顯，視電阻率小于80 Ω·m，推斷為富水區(qū)。結(jié)合地質(zhì)資料，發(fā)現(xiàn)F1斷層通過該滲流區(qū)域，并向壩體后方延伸。F1斷層破碎帶寬度為0.5～1 m，膠結(jié)較好，為弱透水，一側(cè)延伸至水庫內(nèi)，壩基處理時僅對該斷層與壩軸線相交位置處做了混凝土防滲墻和帷幕灌漿處理，未對其他部位進行處理。

圖12為根據(jù)高密度電法和已有工程地質(zhì)資料的推斷結(jié)果，沿斷層F1的破碎帶形成滲流通道。隨著庫水位上升，水壓力作用對斷層F1的破碎帶進行潛蝕，在其深部形成滲漏通道，并在灌漿帷幕下部沿斷層破碎帶滲出，其流出區(qū)域與滲流異常區(qū)域基本吻合。受斷層帶影響，測線3附近的富水區(qū)域面積較大，并出露有上升泉。

圖12 高密度電法推斷結(jié)果

3 結(jié) 論

a.被地下水浸潤的斷層等目標體，與圍巖之間存在明顯的電性差異，成為高密度電法工作的良好物性前提。

b.受算法多解性等因素的影響，反演結(jié)果可能存在假異常現(xiàn)象，將視電阻率擬斷面圖和反演結(jié)果結(jié)合分析，可提高對異常體的識別能力。

c.結(jié)合實測資料擬斷面圖和反演結(jié)果，通過對低阻異常體的連續(xù)追蹤，推斷該大壩的滲漏通道沿斷層破碎帶形成，從而造成滲流異常，該結(jié)論為下一步的工程處理提供了依據(jù)。