高密度電阻率法和被動源面波法在水庫堤壩隱患辨識中的應用

李兆鋒，楊宏智，魏 杰，鐘楚峰

(1.長江地球物理探測(武漢)有限公司，湖北 武漢 430010； 2.山東省物化探勘查院，山東 濟南 250013)

近年來，愈多的中小型水庫在人民生活生產中發揮著越來越重要的作用，但隨著運行年限增長，也顯現出不少安全隱患，如壩體壩基堤防等不同部位的變形、滲漏、管涌、空洞、裂縫、滑坡、庫底淤積嚴重等，一些隱患已經發展成威脅水庫安全運行的嚴重病害，其中最為典型的是大壩堤防滲漏問題。為了有效探測大壩堤防隱患或病害，國內已經開展很多相關隱患探測技術研究工作，在多種探測方法的研究上也取得了良好的應用效果。如高密度電法[1]、地質雷達法[2]、淺層地震反射波法、瞬變電磁法等方法均為重要的堤防隱患探測技術方法，不同方法的組合應用能有效探測不同典型隱患類型。劉潤澤等[3]提出將時間推移勘探技術用于堤防隱患探測的新思路；李文忠等[4]開展了堤防隱患時移高密度電法探測技術的研究，并在長江干堤堤防監測中得到了較好的應用。

本文所介紹的實例是將高密度電法和被動源面波法2種隱患辨識方法、以時間推移的勘探方式，應用于平原水庫堤壩隱患探測工作中，查明水庫堤壩滲漏原因及部位，為后續隱患處理、除險加固提供重要依據。

1 方法技術

1.1 高密度電阻率法

高密度電阻率法實質是一種直流電阻率法(圖1)，是將常規電測深法和電剖面法的跑極方式使用儀器自動控制的野外組合陣列勘探方式。外業時根據探測目標的位置和大小，將一定數量的電極按需要的電極距布置在設計測線上，電極布設后選擇所需裝置進行自動掃描數據采集，通過高密度反演軟件對視電阻率剖面數據進行處理和反演，最終獲取目標測線下地層電性分布斷面，具有自動化、高效化和智能化的特點。高密度電法溫納裝置測點分布如圖2所示。

圖1 2個異性點電流源電場分布Fig.1 Electric field distribution of two anisotropic point current sources

圖2 高密度電法溫納裝置跑極示意Fig.2 Pole running mode of Wenner array of high-density resistivity method

1.2 被動源面波法

被動源面波法，系基于天然被動源的地震面波探測方法，優點是成本低、布設簡單、采集速度快、無環境破壞。該方法利用的是地表附近一直存在的各種天然的或人為產生的震動，特別是其中能量占比超70%的面波[5]，通過采集一定時間長度的震動信號、使用ESPAC法從信號中提取面波頻散特征曲線，再對頻散曲線進行反演獲取視橫波速度—深度剖面，通過地下介質視橫波速度變化信息從而推定地層結構特征。由于ESPAC法在用第一類零階Bessel函數進行擬合時，是通過空間自相關系數與臺陣關系進行擬合獲取頻散曲線[6]，所以該法適用于常規圓形臺陣(圖3)和L形臺陣、直線形臺陣等非圓形臺陣(圖4)，具有較好的方法適用性。

圖3 圓形臺陣Fig.3 Circular array

圖4 非圓形臺陣Fig.4 Noncircular array

2 應用實例

2.1 工程地質概況

某平原水庫壩基主要由第三系卞橋組二段泥巖、泥灰巖、砂巖及三段泥巖、角礫巖、第四系中更新統殘坡積山前組的黏土和壤土、全新統沖洪積臨沂組的壤土和沙壤土及沂河組的沙壤土和礫質粗砂。壩址區內無活動斷層穿過壩體。滲漏區域附近壩體呈扁折線型，測區段壩體為近東西向，為均質土壩，壩前表層為干砌石護坡，壩后區為草皮護坡。

壩體中的壤土為均質土料，具極微—弱透水性，砂壤土大部分不符合均質土料要求，具弱透水性。壩基由上至下主要為礫質粗砂、沙壤土、礫質黏土、角礫巖、泥灰巖和泥巖，其中砂壤土和礫質粗砂具有中等—強透水性，泥灰巖巖溶一般發育，具中等透水性，但巖層傾向庫內，傾向大致為北東向35°。壩后約200 m樹林中常年有水量較大的地下泉水冒出，壩后約100 m樹林中常年有2個水量較小的滲水點形成小溪流。

2.2 采集設備

高密度電法勘探采用自主研發的MD-12堤防隱患智能探測系統。該系統是一款創新的多通道全數字化電阻率和激電成像電法系統。系統采用獨特的集中分段式布線模式，布線靈活高效，內設豐富的裝置并可進行腳本自定義編輯，支持2個裝置同時測量，最大發射電壓可達1 200 V，電流精度優于0.1%。主機可對電阻率斷面數據進行多維顯示，豐富的功能可在現場發現并解決所有問題。

被動源面波法采用SmartSolo智能地震傳感器，該傳感器以專為單點接收應用而設計的高靈敏度地震檢波器DT-SOLO為核心，融合物聯網時代的電子和軟件技術，形成可在任何惡劣環境下獲取高保真高質量的地震波信號、準確的數據時間及位置、結構簡單但智能可靠的傳感器。該智能傳感器在野外無任何外部連接器，體積小，內置用于高精度定位與時間同步的GPS模塊和智能無線閃存，連續工作模式下續航時間長達25 d，真正實現在任何惡劣環境下開展長周期、高保真度、高分辨率、高信噪比的被動源面波數據采集。

2.3 工作布置

根據水庫壩體特征與滲漏點位置，在壩體下游草皮護坡壩頂、壩腰和壩腳上布置3條探測剖面。高密度電法剖面沿測線每次布設120道電極，電極間距1.0 m，采用溫納裝置和施倫貝謝裝置進行剖面探。被動源面波法使用36個傳感器，在經過一致性試驗和線圓型試驗可用后，沿測線布設36個傳感器，間距1 m，布置成直線形臺陣，記錄時長30 min，采樣間隔2 ms，每個測點使用其中25個相鄰傳感器組成并進行線性滾動測量。隱患探測工作3條壩體探測剖面在八月份豐水期和一月份枯水期2個時段開展了時移探測工作，通過2期探測數據比對分析異常的發展變化，更準確可靠地捕捉可能隱患的分布和發展規律。

2.4 資料分析

根據測區壩頂鉆孔揭露，自上而下的地層巖性大致分別為粉細砂與黏土、砂壤土與壤土、含礫粗砂、黏土及泥巖。壩后壩頂WT1和壩腳WT3兩條剖面高密度電法和被動源面波法的豐水期和枯水期兩期探測成果如圖5所示，由于防洪庫容調節的需要，枯水期水庫水位較豐水期高1 m。由圖5可見，2條測線2期等值線變化趨勢及幅值變化總體相近；測線WT1中部相對高阻呈平緩層狀結構，深部為相對低阻層，反映壩頂下方壩體填筑較均勻平整；壩腳WT3上部相對高阻呈平緩層狀結構，深部亦為相對低阻層，在樁號K0+580～K0+600m、高程+144～+137 m附近見一低阻異常區，在枯水期范圍略有擴大。由圖6被動源面波法2期探測成果可見，壩體由上至下視橫波波速呈層狀結構并逐漸升高，深部壩基視橫波波速大于400 m/s。壩頂WT1剖面在樁號K0+590～K0+610 m、高程+145～+133 m附近為下凹低速區域，枯水期較豐水期區域范圍有所擴大，但波速略有提高；壩腳WT3剖面在樁號K0+580～K0+600 m、高程+142～+135 m附近為下凹低速區域，枯水期較豐水期區域范圍有所變化且波速略有下降。2條測線高密度電法和被動源面波法的豐水期和枯水期探測成果結合分析，壩頂測線WT1在樁號K0+580～K0+610 m、高程+145～+133 m附近圈定低速、相對低阻異常，其在枯水期異常范圍略有擴大，推斷為壩基含礫粗砂層、黏土層和泥巖局部松散破碎，且黏土層視電阻率為相對低阻，推斷該層含水較豐富；淺部黏土層粉砂層和砂壤土層視電阻率和視橫波速度成層性較好，推斷結構較完好。壩腳測線WT3在樁號K0+580～K0+600 m、高程+142～+135 m附近圈定低阻低速異常，其在枯水期異常范圍略有擴大，推斷為黏土層局部松散破碎，且黏土層和泥巖視電阻率為相對低阻，推斷該層含水較豐富。

圖5 高密度電法探測成果Fig.5 High-density electrical detection results

圖6 被動源面波法探測成果Fig.6 Passive surface wave method detection results

綜合壩頂壩腳兩條測線物探成果，推斷在樁號K0+580～K0+610 m、高程+145～+133 m附近壩基含礫粗砂和黏土存在局部松散破碎，可能為滲漏通道；推斷深部泥巖和黏土存在一定的滲漏現象，為壩基滲漏，最終形成壩基或壩體滲漏隱患。

3 結語

(1)通過開展高密度電法和被動源面波法綜合物探方法的時間推移探測，觀測水庫堤壩地層電阻和波速隨時間的變化特征，能較好地查明地層結構， 辨識堤壩隱患發育情況，且有較好的空間分辨率。

(2)在水庫堤壩中采用綜合物探時移隱患檢測辨識技術，結合測區水文地質資料綜合分析研究，能較準確辨識堤壩隱患部位，再通過鉆探驗證，可為水庫堤壩的安全運行和除險加固提供科學指導。