高密度電法和地質(zhì)雷達(dá)法在堤塘滲漏探測(cè)中的應(yīng)用

黃浩然，榮 鑫，郭佳豪，張瑜鵬

(浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002)

1 概述

在土石壩(堤)工程中，堤壩滲漏是較為嚴(yán)重的安全隱患，我國(guó)對(duì)潰壩事故進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，由于質(zhì)量問(wèn)題引起的潰壩共1146起，其中有675起是由壩體滲漏引起的，占到58.9%。滲漏是導(dǎo)致水利水電工程遭受損壞的主要因素之一[1- 2]。

土石壩(堤)工程的滲漏探測(cè)的常規(guī)方法主要有鉆探(配以水文試驗(yàn))，物探和人工探視[3]，地質(zhì)鉆探準(zhǔn)確、直觀，但施工周期長(zhǎng)、探測(cè)范圍有限且對(duì)壩體產(chǎn)生破壞；人工探視能觀察到堤壩表明的變形、滲漏情況，但難以看到壩體內(nèi)部情況，準(zhǔn)確查明滲漏通道的空間分布在很長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)都是一個(gè)難題。隨著物探及水下探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)已有一些科研和生產(chǎn)單位利用物探技術(shù)在水庫(kù)(堤壩)滲漏探測(cè)中取得了良好的效果。郭鐵柱[4]、劉昌軍等[5]、余東[6]、宋先海等[7]都介紹了高密度電法在堤防、大壩滲漏隱患探測(cè)中的應(yīng)用成果；鐘飛等[8]對(duì)壩體中的空洞及軟弱帶進(jìn)行探測(cè)，均取得了較好的應(yīng)用成果；王振宇等[9]陸續(xù)開(kāi)展了CT技術(shù)在水庫(kù)大壩防滲質(zhì)量檢測(cè)及滲漏檢測(cè)方面的工作，并取得了較好的效果。多個(gè)應(yīng)用成果表明，采用多種物探手段進(jìn)行滲漏探測(cè)，能達(dá)到取長(zhǎng)補(bǔ)短，相互驗(yàn)證的效果，從而提高了成果的精度和可靠性。

2 項(xiàng)目背景

2.1 工程概況

某段土石堤塘位于浙江省杭州市，堤頂高程在10.0m左右，寬約6.0m，最大堤高11.0m，迎水面坡比1∶2，采用混凝土預(yù)制塊護(hù)坡，河道水位高程非汛期一般低于3.0m。背水側(cè)為魚(yú)塘，塘內(nèi)水位高程約7.0m。

近日，堤塘管理單位進(jìn)行巡查時(shí)，發(fā)現(xiàn)此段堤塘局部迎水坡出現(xiàn)持續(xù)滲水現(xiàn)象，推測(cè)為背水側(cè)魚(yú)塘向迎水側(cè)發(fā)生滲漏。為保證堤塘的安全運(yùn)行，急需查明此段堤身的滲漏情況，作為堤塘安全評(píng)價(jià)和處理措施的依據(jù)。

2.2 地球物理特征

土石堤塘堤身主要由粘性土為主的素填土組成，可近似看作均勻介質(zhì)。當(dāng)?shù)躺沓霈F(xiàn)滲漏時(shí)，其滲漏部位的土體含水量發(fā)生變化，使得此處土體與其他部位存在電性差異；同時(shí)，若其發(fā)生滲透破壞，通道過(guò)水的同時(shí)帶走土體，會(huì)造成此處土體密實(shí)度的下降。由此，由此可見(jiàn)，工程區(qū)具備了采用物探方法查明堤塘滲漏情況的物性差異條件。

3 探測(cè)方法的選擇和工作布置

工程區(qū)位于城郊公路旁，車(chē)輛來(lái)往不絕，地震方法干擾較大；同時(shí)壩頂公路上有電線桿和金屬圍欄，瞬變電磁法易產(chǎn)生假異常。由此，本次探測(cè)采用高密度電法和地質(zhì)雷達(dá)法相互驗(yàn)證的物探手段，對(duì)堤塘的滲漏情況進(jìn)行探測(cè)。

3.1 高密度電法

高密度視電阻率法是一種陣列勘探方法，其功能相當(dāng)于四極測(cè)深與電剖面法的結(jié)合。通過(guò)電極向地下供電形成人工電場(chǎng)，其電場(chǎng)的分布與地下巖土介質(zhì)的電性特征密切相關(guān)，通過(guò)對(duì)地表不同部位人工電場(chǎng)的測(cè)量，了解地下介質(zhì)視電阻率ρs的分布，從而推斷解釋地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高密度電法斷面掃描示意圖(溫納裝置)

該方法對(duì)巖土體的含水情況特別敏感，當(dāng)?shù)躺硗梁可邥r(shí)，其視電阻率明顯降低，完整、干燥堤身土的視電阻率明顯高于松散、飽和堤身土的視電阻率。在滲漏探測(cè)中，該方法抗干擾較強(qiáng)，成果圖像直觀，是一種分辨率較高的物探方法。

3.2 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)是(簡(jiǎn)稱GPR)是一種高效的無(wú)損勘探設(shè)備，是利用介質(zhì)的電性差異確定地下巖土體分布情況的工程地球物理方法。其工作原理是向地下發(fā)送脈沖形式的高頻寬帶電磁波，在遇到電性有所差異的異常體(如含水量變化或空洞等)或不同介質(zhì)的界面時(shí)電磁波發(fā)生反射，從而通過(guò)分析回波來(lái)判斷地下異常體的類(lèi)型和地下地層界面[10]，如圖2所示。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理圖

3.3 物探測(cè)線布置

為查明可能存在的滲漏通道走向，本次探測(cè)在迎水坡和背水坡靠近堤頂各布置1條高密度電法測(cè)線，并在堤頂平行布置2條地質(zhì)雷達(dá)法測(cè)線，各測(cè)線的頭尾保持一致。具體測(cè)線布置如圖3所示。

圖3 測(cè)線布置圖

其中高密度電法探測(cè)采取溫納α裝置，電極距2m，最大極距94.5m，測(cè)量層數(shù)21層，最大探測(cè)深度約21m。

地質(zhì)雷達(dá)法選用主頻為100MHz的屏蔽天線，采取點(diǎn)測(cè)計(jì)量方式，點(diǎn)距0.2m，采樣時(shí)窗754ns，采樣點(diǎn)數(shù)764個(gè)，疊加次數(shù)256次。

4 探測(cè)成果分析

DS1-DS1’測(cè)線和DS2-DS2’測(cè)線的電阻率剖面圖如圖4—5所示。圖中顯示，2個(gè)剖面電阻率分布特征相似，電阻率值范圍約50～150Ω·m。其中2條測(cè)線中間(平距59.0～71.5m、深度5.0～13.0m)和尾部(平距103.0～108.0m、深度3.0～7.0m)各存在一個(gè)低阻異常區(qū)域，電阻率值小于20Ω·m，推測(cè)這2處區(qū)域含水量較高，為可能的滲漏通道。

圖4 DS1-DS1’電阻率剖面圖

圖5 DS2-DS2’電阻率剖面圖

DL1-DL1’測(cè)線和DL2-DL2’測(cè)線的地質(zhì)雷達(dá)剖面如圖6—7所示。圖中顯示：地質(zhì)雷達(dá)剖面的反射能量整體較弱，除平距38m左右拋物線形態(tài)的強(qiáng)反射信號(hào)為路邊電線桿干擾外，測(cè)線中間(平距62.0～72.5m，深度5.0～11.0m)存在一個(gè)強(qiáng)反射區(qū)域，其反射頻率相對(duì)較低，反射波相位與直達(dá)波相反(如圖8所示)，同相軸連續(xù)性較強(qiáng)，整體呈多次反射狀，推測(cè)此處區(qū)域5m以下含水量較高，為可能滲漏通道，但由于通道下底的反射能量被震蕩信號(hào)遮擋，滲透通道的下底未能區(qū)分出來(lái)。

圖6 DL1-DL1’地質(zhì)雷達(dá)剖面圖

圖7 DL2-DL2’地質(zhì)雷達(dá)剖面圖

圖8 反射異常處單道波形圖

結(jié)合2種方法的探測(cè)成果，在各測(cè)線的中部，皆有一處寬10m左右，頂板深度在5m附近的物性異常帶，分布和大小較為統(tǒng)一，推測(cè)為堤塘的主要滲漏通道。同時(shí)高密度電法顯示，在測(cè)線尾部還存在一處寬約5m，深3m左右的異常帶，但此區(qū)域在地質(zhì)雷達(dá)剖面上無(wú)異常反應(yīng)，推測(cè)有2種可能：①此處區(qū)域含水量升高，但土體密實(shí)，不存在明顯的介電常數(shù)差異，所以不會(huì)引起雷達(dá)異常；②此處有其他干擾引起的假異常，需結(jié)合鉆孔等其他手段進(jìn)行驗(yàn)證。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)工程實(shí)踐證明，高密度電法和地質(zhì)雷達(dá)法能有效識(shí)別出滲透通道的分布和規(guī)模。其異常特征在高密度電法成果里表現(xiàn)為低阻區(qū)域；在地質(zhì)雷達(dá)成果里表現(xiàn)為首波與直達(dá)波相反的強(qiáng)震蕩信號(hào)，且雷達(dá)難以探測(cè)出滲漏通道的下底界面。

(2)工程物探方法屬于間接探測(cè)，不僅其自身存在多解性，同時(shí)不同方法還會(huì)受到不同干擾源的制約，如震動(dòng)干擾對(duì)于地震法、電磁干擾對(duì)于電磁法等。采用多種物探方法互相補(bǔ)充和驗(yàn)證，是保障物探成果可靠性的有效手段。

(3)物探解釋必須以地質(zhì)背景為基礎(chǔ)。開(kāi)展物探工作之前，需全面收集測(cè)區(qū)的場(chǎng)地現(xiàn)狀、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，作為物探方法選擇及成果處理分析的依據(jù)，可有效的避免和識(shí)別干擾信號(hào)。