水庫除險加固的高密度電阻率檢測方法研究

杜 宇

(黑龍江省哈爾濱市延壽縣關門山水庫灌區服務中心，黑龍江 延壽 150779)

1 工程概況

某山區水庫大壩工程為區域農田灌溉、防洪抗旱、生態養殖的重要基礎設施，位于流域干流上游，始建于20世紀50年代，受到修建時期經濟投入、技術條件和施工設備的限制，加之在長期的運營過程中缺乏系統性的管理，導致壩體多次出現管涌等險情，滲漏嚴重。為消除隱患，2010年壩體經過水利管理部門組織施工隊伍對壩體進行防滲加固，通過射水造墻的方式在壩軸線方向上施作了一道混凝土防滲墻，經過現場的監測，大壩仍存在不同程度的滲漏現象。為了進一步評估壩體的防滲墻質量，基于高密度電阻率法進行監測。經現場調研，水庫大壩為均質土石壩，壩長為200 m，壩頂的高程為60.83 m，最大壩體高度為20.3 m，迎水側壩體斜率為1∶0.75，背水側壩體斜率為1∶0.50。

2 高密度電阻率檢測法的基本原理及現場測試方法

2.1 高密度電阻率檢測法的基本原理

水庫壩體在長期的運營過程中，庫區水體的滲透壓作用以及水位的頻繁升降，會導致壩體內原本存在的缺陷出現結構松動現象，土體在水力滲透作用下不斷被侵蝕、掏空，固體顆粒被攜帶出壩體，形成空洞、裂隙和滲透通道的隱患病害，因此導致壩體局部范圍內含水量增加和土石結構的變化，這些區域與其他正常部位的土石體介質存在顯著的電性差異，這就為用高密度電法探測防滲墻隱患病害提供了良好的物質基礎[1-5]。通過建立人工地下電流場，采用高密度電阻率法設備可以采集地下介質的電流場分布規律，進而解譯出防滲墻隱患病害的分布范圍、規模大小、滲透通道的走向等。一般而言，在天然地下介質中，穩定電流場的分布可以用梯度方程表達，如式(1)所示。

(1)

式中：j為地下空間中任一點的電流，A；x、y、z為空間坐標。

根據歐姆定律，式(1)可以簡化為式(2)形式。

(2)

式中：U為電壓，V；ρ為地下介質的電阻率，Ω·m。

式(2)變換為空間直角坐標偏微分方程如式(3)所示[6-7]。

(3)

2.2 高密度電阻率檢測法的現場測試方法

高密度電法是一種陣列式電阻率測量方法，在野外工作時，按照設定的排列將電極一次性鋪設完成，本研究采用的電極數目為120根，共有12根電纜組成，每根電纜上有10根電極，基本電極間距為2 m，實際測試時電極間距可以根據地形條件進行調整。由于電極數目較大，在測試前應對電極的質量進行檢查，保證各個電極的性能良好，接地電阻均一，同時在采集埋設電極時，可以采取澆灌鹽水的方法保證各個電極的接地電極不超過7 Ω，供電電壓為200～400 V，供電時間為0.5 s。為了更好地對高密度電阻率測試方法進行對比，本研究采用了2種裝置排列進行測試，即溫納排列裝置、施倫貝謝爾排列裝置，排列裝置的野外布置示意圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 高密度電法溫納排列裝置測試原理

圖2 高密度電法施倫貝謝爾排列裝置測試原理

現場測量時，將全部電極布置在一定間隔的測點上，由主機自動控制供電電極和接收電極的變化。現場工作流程包括測線定位、布極、測量、數據檢查和重復觀測。

首先，對設計的測線采用RTK測繪儀器實地定位；其次，在測線上等間距布設電極，每一根電極對應一個電纜節點，電極間距是量地形起伏的斜距，如果間距正好等于電纜的最大道間距，也可先放電纜，在電纜節點處打上電極，電極與電纜要連接好，電纜插頭連接上轉換器或主機；第三，設置參數和檢查接地電阻，電纜電極連接好后，設置好測量參數，應用主機測量接地電阻功能，檢查每根電極的接地電阻；最后，所有電極接好后，啟動測量。

本次二維高密度電法分別采用了溫納、施倫貝謝爾裝置采集數據，以溫納裝置為主，電極間距為3 m。溫納裝置采集數據時，1號電極作為A電極，2號電極作為M電極，3號電極作為N電極，4號電極作為B電極，測點在2、3號電極的中點，深度為1到4號電極距離的一半，如圖1所示；下一個測點電極接通為2-A、3-M、4-N、5-B，直到60號電極為B電極，第一層剖面結束。第二層剖面AMNB電極相鄰間隔為兩個間距，即1-A、3-M、5-N、7-B，后面剖面依此類推[5]。

將現場探測的剖面數據通過掌上電腦連接傳輸到計算機中，進行數據格式轉換和預處理，消除壞點數據，進行地形校正，用專門軟件進行視電阻率計算和反演計算，得到探測剖面的電阻率分布，結合其他資料對高密度電法探測剖面進行解釋，并輸出電阻率解譯斷面。

3 水庫大壩防滲墻質量高密度電阻率檢測結果分析

測試設備為瑞典ABEM公司生產的Terrametrer LS2電法儀器，根據探測深度要求將實際道間距設置為1.0 m，在大壩背水側沿著壩長方向布置3條高密度電法測線，測線編號為GM-JK01測線、GM-JK02測線、GM-JK03測線。從大壩左岸向右岸方向進行跑極，以左岸為坐標原點，按DK0+000～DK0+200進行里程編號，獲得3條高密度電法測線的反演電阻率剖面如圖3～圖5所示。

圖3 高密度電法GM-JK01測線電阻率解譯剖面

圖3為大壩里程DK0+080～DK0+200采用施倫貝謝爾排列裝置(GM-JK01測線)得到的高密度電法反演電阻率剖面，橫坐標為測線排列長度，縱坐標為測試深度。從圖3中可以看出，在測量視電阻率斷面中，地層視電阻率大致可以分為7層，從上到下視電阻率逐步降低，表層0.50～1.30 m相對高阻，視電阻率為2051～2721 Ω·m，這是因為大壩表層由混凝土覆蓋且在地下水位上，土石介質相對干燥；第二層1.30～2.25 m的視電阻率為1382～2051 Ω·m；第三層2.25～3.95 m的視電阻率為1042～1382 Ω·m；第四層3.95～5.30 m的視電阻率為702～1042 Ω·m，該層位于地下水位以下，視電阻率相對較低；第五層5.35～5.30 m的視電阻率為529～702 Ω·m，該層位于地下水位以下，視電阻率相對較低；第六層5.30～6.40 m的視電阻率為356～529 Ω·m；第七層6.40 m以下的視電阻率為<356 Ω·m。經過反演，可以得到壩體內3處明顯的相對低阻，分別是DK0+164～DK0+172(圖中橫坐標84～92)、DK0+144～DK0+156(圖中橫坐標64～76)、DK0+120～DK0+128(圖中橫坐標40～48)，對應的電阻率值約為30～90 Ω·m，推測這3個區域存在滲漏現象[6-7]。

圖4為大壩里程DK0+000～DK0+120采用溫納排列裝置(GM-JK02測線)得到的高密度電法反演電阻率剖面，橫坐標為測線排列長度，縱坐標為測試深度。從圖4中可以看出，相比施倫貝謝爾排列裝置(GM-JK01測線)得到的高密度電法反演電阻率剖面，溫納排列裝置得到的電阻率的分辨率較低，從上至下的視電阻率仍有7個分層，且對電阻異常區域的識別仍較為明顯。經過反演，可以得到壩體內2處明顯的相對低阻，分別是DK0+164～DK0+172(圖中橫坐標64～72)、DK0+144～DK0+156(圖中橫坐標44～56)，對應的電阻率值約為30～90 Ω·m，推測這2個區域存在滲漏現象，這兩處滲漏位置與圖3中的滲漏區域對應較好。

圖4 高密度電法GM-JK02測線電阻率解譯剖面

為了進一步驗證圖3施倫貝謝爾排列裝置(GM-JK01測線)和圖4溫納排列裝置(GM-JK02測線)的高密度電法反演電阻率結果，在低于GM-JK02測線高程1 m的位置布置GM-JK03測線進行驗證，仍采用溫納排列裝置，測試里程為DK0+000～DK0+120，GM-JK03測線得到的高密度電法反演電阻率剖面如圖5所示，橫坐標為測線排列長度，縱坐標為測試深度。從圖5中可以看出，相比施倫貝謝爾排列裝置(GM-JK01測線)得到的高密度電法反演電阻率剖面，溫納排列裝置得到的電阻率的分辨率較低，從上至下的視電阻率仍有7個分層，且對電阻異常區域的識別仍較為明顯。經過反演，可以得到壩體內2處明顯的相對低阻，分別是DK0+164～DK0+176(圖中橫坐標64～76)、DK0+144～DK0+156(圖中橫坐標44～56)，對應的電阻率值約為40 Ω·m，這兩處滲漏位置與圖3、圖4中的滲漏區域均對應較好，因此推測這2個區域存在極大可能的滲漏現象，有必要采取進一步除險加固措施，比如帷幕灌漿、高壓旋噴樁注漿等。

圖5 高密度電法GM-JK03測線電阻率解譯剖面

4 結 語

以某山區水庫大壩為研究對象，采用高密度電阻率法，分析大壩質量。結果表明：大壩在庫區水體的滲透壓作用以及水位的頻繁升降，導致壩體內原本存在的缺陷出現結構松動，形成空洞、裂隙和滲透通等病害，壩體局部范圍內含水量增加和土石結構的變化，這些區域與其他正常部位的土石體介質存在顯著的電性差異；采用施倫貝謝爾排列裝置和溫納排列裝置進行高密度電阻率測試和反演，得到壩體內3處明顯的相對低阻，分別是DK0+164～DK0+172、DK0+144～DK0+156、DK0+120～DK0+128，對應的電阻率值約為30～90 Ω·m。高密度電法為大壩除險加固的決策提供了依據。在應用過程中，應避免外界的干擾，使結果失真。