高密度電法對水庫滲漏判斷及指導地質勘察的應用研究

陳文銳

（廣東中灝勘察設計咨詢有限公司,廣東 廣州 510000）

1 工程概況

本工程水庫位于云浮市云城區南盛鎮大枧村,距城區20 km,在新興江一支流的上游,是一座以防洪、灌溉為主,結合發電、養殖等綜合利用的中型水庫,其運行管理單位為云浮市云城區水務管理服務中心。本工程水庫樞紐由水庫大壩（分主、副壩）、泄洪洞、輸水洞、灌區建筑物、電站等主要建筑物組成。

由于大壩施工過程中盲目追求速度,趕進度,沒有把好質量關,致使水庫投入運行以來,存在嚴重的滲漏問題,針對主壩、副壩滲漏問題,經歷多次防滲搶險措施,水庫一直處于控制運行狀態,故本工程對大壩滲透原因、滲漏情況進行論證。

2 項目技術背景

地質勘察主要目的是判斷水庫土壩填筑狀況、填土的物理力學參數、壩體壩基防滲性能,主壩和副壩的地質情況、巖土力學參數及防滲性能。傳統勘察辦法：通過收集資料、踏勘、工程地質調查、勘探試驗和原位測試,查明堤壩范圍的地層分布、成份、性質、厚度,各巖土層物理力學性質和地基承載力,檢查壩體填筑質量。傳統單一勘探辦法通常耗時長、費用高且效果不理想。

高密度電阻率法是集電測深和剖面法于一體的一種多裝置,多極距的組合方法,它具有僅一次布極就可以進行的裝置數據采集以及通過求取比值參數而能突出異常信息,信息多并且觀察精度高,速度快,探測深度靈活等特點。影響因素為成分、含水率、礦化度、溫度,及探測前段時間長歷時暴雨、壩基清基、臨側山體滲水情況等。高密度電法已經成為近年來水庫大壩滲漏隱患探測應用的重要手段。

3 大壩滲透判斷技術方法

針對云浮市某水庫滲流安全評價方法有歷史資料分析法、現場檢查法、監測資料分析法、物探檢測、工程地質、計算分析法和經驗類比法。根據本次工程現狀滲漏情況、工程地質、滲漏監測、物探檢測、歷史數據分析等資料,采用綜合分析監測資料分析與滲流計算對大壩滲流安全進行評價。

通過歷史數據分析法得知大壩施工過程中盲目追求速度,趕進度,沒有把好質量關,致使水庫投入運行以來,存在嚴重的滲漏問題。且經過現場檢查方法以及監測資料分析法能初判滲漏的出滲點位置。根據現場檢查情況和測壓管分析情況,本次采用高低密電法探測壩體的滲水通道滲漏通道范圍、規模、滲透通道走向與位置,并對鉆探進行選擇性鉆孔驗證。

4 高密度電法技術應用

4.1 工作原理

高密度電法量測的原理為以地下介質導電性的差異作為基礎,通過觀測和研究介質導電性的差異以及人工電場的分布情況,是一種可查明地下地質構造和識別地下典型不均勻體的地球物理勘探方法。

本工程通過假設壩面段水平,壩面下充滿均勻各向同性半無限介質,在壩面上任意取兩點用供電電極a、b 進行通電,取另外兩點用電壓表量測m、n 兩點的之間電位差。a、b 兩個電極在點m 產生的電位是：

同理,它們在點n 產生的電位是：

推導出點m 與點N 間的電位差是：

因此得出均勻壩體電阻率的計算公式：

根據大壩地質體電性的不同來進行劃分界限的斷面,稱為地電斷面。地電斷面所劃分的界線與地質體、地層層位的界面可能吻合也可能不吻合。這時候向非均勻介質的大壩進行通電并量測,也可按（1）式求出其“電阻率”的值。但該值不是某一地質體或者地層的電阻率,與物理量和電流有效作用范圍內的所有地質體的電阻率都有關系,稱它為視電阻率,用ρs表示,即：

視電阻率的值和各種地質體電阻率與電場有效作用范圍內地形對應的。雖然式（2）與式（1）變量右側的形式是一致的,但左端的ρ和ρs卻是完全不同的兩個概念。只有在壩面水平且地下介質均勻各向同性情況下,ρ和ρs才是相同的。視電阻率的基本公式（2）為便于進行定性分析,可以轉換公式,即視電阻率與地表電阻率、電流密度的關系式。

當壩面水平,當m、n 電極間是很小的距離的時候,其mn間的電場強度可視為均勻的,則有

所以：

式中：jmn、ρmn分別為m、n 電極之間任意點的電流密度與介質的電阻率。

將式（3）代入式（2）式可得到：

把均勻各向同性半無限介質的電阻率設為ρ,電極mn 間的電流密度為j0,此時式（4）可寫成：

因討論的是均勻介質,故ρs應等于ρ,于是便有：

將（5）代入（4）中得到：

式中：ρ0只受裝置的類型和大小所決定,則對于確定的裝置可認為它是已知的。

4.2 工作方法技術

4.2.1 實物工作量

物探剖面7 條,測點227 個,剖面總長度880 m,見表1。

表1 完成工作量一覽表

4.2.2 野外工作辦法與技術

（1）工作裝置及參數選擇

本項目采用對稱四極（施倫貝謝爾,schlum2 berger）裝置進行量測,勘探的工作參數選擇為：

電極距a=2 m,點距2 m,最小隔離系數為n=1,最大隔離系數n=35。

供電波形：方波供電0+0-。

（2）野外工作方法

①利用RTK 進行測地工作,按設計測線進行測點布設,用紅布條做標記。

②沿布設好的測點敷設電纜,各電極入土深度為電極長度的2/3,電極距2 m,遇到不合適布極處進行處理或合理偏移。

③開始測量前,利用儀器自帶功能對所有電極接地進行檢查,電極接地較大或不通的,需對電極重新布置,大部分接地電阻小于1 kΩ,少部分小于2 kΩ。

④設置好儀器各參數,進行電極滾動測量,測量過程中需對數據進行實時監控,遇到突變點查找原因后進行重測。

⑤測量完成后將數據及時傳到計算機并進行備份,以供后續處理。

4.3 資料的解釋推斷

根據歷史資料和現狀情況調查確定測區的地球物理特征,大壩處主要以基巖及填充的密實的粘性土材料為主,均為高阻特征。當局部出現通道裂隙后,易充填水變成飽和粘性土和砂礫通道等低阻物質,從而導致導電率顯著降低,成為低阻甚至超低組地段。因此,結合7 條測線的電阻率特征,總結本次高密度電法測量的解釋推斷原則：將電阻率小于100 Ω·m 的部位,推斷為大壩的裂隙或充水孔洞的部位,電阻率在100 Ω·m～300 Ω·m 之間的推斷為裂隙發育部位。電阻率大于300 Ω·m 的地段,推斷為壩基完整部位。

如圖1 所示,將推斷的18 個異常投影到平面圖上,可以明顯的顯示出異常所在的平面位置,也是推斷的水庫易發生滲漏的地段,但影響高密度電法結果多種因素,包括物質成分、含水率、礦化度、溫度,以及探測時間前段時間長歷時暴雨、壩基清基情況、臨側山體滲水情況等,如圖2 與圖3所示,壩肩均出現電阻率小于100 Ω·m 的部位,可能為山體持續滲水所致。則高密度電法探測出的大壩滲漏范圍、規模、滲透通道走向與位置需要進行進一步認證。本項目推薦采用鉆孔實驗進行選擇性的鉆探驗證。

圖1 水庫高密度電法測量低阻異常分布圖

圖2 主壩L14 線高密度電法測量成果圖

圖3 主壩L12 線高密度電法測量成果圖

本次高密度電法檢測結論為：

①通過本次工作,獲得了工作區內7 條測線的電阻率斷面圖,了解了大壩的電阻率分布特征。

②圈定了14 個低阻異常,其中5 個低阻異常推斷為裂隙充水引起,9 個低阻異常為孔洞充水引起。

本次物探檢測建議為：

①對圈定的異常擇進行選擇性的鉆探驗證,驗證孔需正對低阻異常中心。

②高密度電法為間接方法,圈定的異常范圍大小與實際情況可能存在誤差,在運用其工作成果時應綜合其他工作成果資料。

③高密度電法初步判斷大壩滲漏范圍、規模、滲透通道走向與位置,可指導其他鉆探實驗工作,以及其他物理參數的確認。

5 鉆探驗證與應用

本次根據高密度電法的結論和建議,開展鉆探認證工作,并把部分鉆孔位置布置在高密度電法推測滲漏通道的典型異常處。

通過鉆孔確認,高密度電法反映的導電率顯著降低區域,充填大量碎石和砂礫,裂隙發育,呈松散狀態。以ZK6 為例,ZK6 位于物探剖面L12 的138 m 左右,ZK6 于深度5 m～9 m左右充填大量碎石和砂礫,裂隙發育,呈松散狀態,結合物探成果分析,進一步認證改鉆孔位置壩段存在滲透通道。

L12 線長度138 m,方位角30.3°,位于主壩西側路面,圖3 中四處電阻率較低,推測該4 處異常均為為大壩裂隙或孔洞充水的反映。物探成果和地勘成果相符,在127 m 高程以上壩體填土壓實不足,填土不均勻,呈中等透水性,尤其在左右兩肩壩體與山體接觸位置漏水較嚴重。

本次在主壩舊填土層進行原位注水試驗,共進行原位注水試驗18 段次,本次在副壩舊填土層進行原位注水試驗,共進行原位注水試驗14 段次,并均取土樣開展室內實驗,結果見表2。

表2 大壩注水試驗與室內滲透試驗結果表

根據注水試驗主副壩填土土料大部分屬中等透水性,局部呈微～弱透水性。

6 結論

（1）高密度電法成果判斷的滲漏通道范圍、規模、滲透通道走向與位置成果可信,在其成果指導下開展的鉆孔實驗、注水實驗和室內滲透實驗,成果更加真實和科學,大大節省勘察的鉆孔工作量、時間和準確性,其指導確認的力學物理參數也更加合理,從而為大壩加固措施和范圍提供技術基礎數據支撐。

（2）本次采取高密度電法為間接物探方法,影響探測解析成果的因素很多,傳統勘探辦法采用鉆探試驗和注水試驗等傳統勘察方法成果更加直觀,兩者優勢互補和相互驗證。

（3）物探解析過程中要結合歷史資料分析法、現場檢查法、監測資料分析法、計算分析法和經驗類比法等資料進行綜合解析,以提高結果的可靠性。