綜合物探在水庫大壩滲漏隱患檢測中的應用

王永剛,呂 明,張 俊

(中國電建集團貴州電力設計研究院有限公司,貴陽 550081)

0 引言

近年來,隨著極端氣候的頻繁發生,各種自然災害(地震、冰雪災害、洪災、泥石流、山體滑坡等)給各地基礎設施帶來了嚴重挑戰,尤其是局部長時間的特大暴雨常常威脅著水利工程壩體安全運行[1]。因此,水庫大壩滲漏隱患排查是水利工程安全運行及除險加固工作的重要環節,對保障大壩安全運行及下游人民生命財產安全具有重要意義[2-3]。

水庫大壩滲漏檢測的方法中,鉆探、槽探等直接檢測方法雖然準確可靠,但其效率低、成本高、加之探測范圍有限,存在可能破壞壩體結構等風險[4-5]。目前水庫大壩滲漏檢測方法主要為無損檢測,借助無損檢測即物探技術,可精準快速排查出壩體隱患位置及規模[6-11]。經過前人大量研究,在水庫大壩存在隱患或發生滲漏時,由于長期浸水,導致水庫大壩滲漏通道位置含水量較高,其電阻率與周圍壩體電阻率差異較大,電阻率響應最為敏感且易于無損探測。因此,利用直流電法進行土壩滲漏通道追蹤探測成為目前應用較為廣泛的無損檢測方法[12-17]。直流電阻率方法中,充電法對于水庫大壩滲漏通道追索效果極佳,在滲漏位置設置充電點便可追壩體內有水系滲漏聯通的通道,是壩體滲漏檢測最直接有效的方法,但其僅能追索出滲漏通道的平面位置,對異常規模刻畫有限[18-20],而高密度電法對淺層地質結構的勘探效果較好,能精確刻畫隱患發育規模,受地形影響相對較小,且其分辨率相對較高,施工效率高,是滲漏探測有效的方法之一[12-17]。因此,筆者在前人研究基礎上,將直流電阻率方法應用于貴州某水庫大壩滲漏檢測中,首先利用充電法追索壩體滲漏通道,然后結合高密度電法對每條測線二維縱向剖面進行解析,圈定滲漏隱患發育規模,從而達到由點及線、由線及面的綜合探測效果,為水庫大壩滲漏通道排查及除險加固提供精確可靠的依據。

1 工程概況

貴州某水庫大壩始建于20世紀60年代,主要功能為灌溉,大壩主要為均質土壩,筑壩土料取自水庫右岸山體土料,壩體土料填筑采用人工夯實,水庫正常蓄水位1 246.60 m,壩頂高程為1 248.00 m,防浪墻頂高程為1 248.80 m,最大壩高12.24 m,壩頂軸線長74 m,壩頂寬3 m,最大壩底寬39.7 m。但自水庫建成后,無運行觀測管理人員,因此在調查中不能確切了解大壩運行的具體情況。2001年清鎮市水電局委托貴陽市水利水電勘測設計隊開展水庫除險加固勘測設計工作,施工單位及施工資料不詳。經蓄水觀察,大壩有局部滲漏現象,經過多年的運行后,壩體沉降基本上穩定,壩體滲漏現象不再出現,但壩基滲漏仍存在。2001年在壩頂進行3 m孔間距的帷幕灌漿加固處理,但處理后水庫仍然存在局部滲漏,而且漏水量無明顯變化,下游壩坡出現局部因滲漏而引起的跨塌現象,如圖1所示,目前水庫雖然能蓄水,但存在安全隱患,需對壩體進行滲漏隱患排查。

圖1 水庫壩體滲漏現狀圖Fig.1 Diagram of reservoir dam leakage status

2 方法原理

2.1 充電法

充電法是水庫大壩追索滲漏通道平面位置效果極佳的物探方法,通過在滲漏位置設置充電點便可追索壩體內有聯通的滲漏水系通道。它是利用被探測對象具有良好的導電特性,采用人工方法對被探測的對象進行充電,測量和研究充電體及其周圍電場分布特征,達到解決地質問題的目的[18-20],其原理示意圖如圖2所示。

圖2 充電法基本原理示意圖(電位梯度觀測裝置)Fig.2 Schematic diagram of basic principle of the mise-a-la-masse method(Potential gradient observation device)

充電法中主要有電位法、電位梯度法和直接追索等位線法三種觀測方式,其中的電位梯度法是將供電電極A(正極)放于具有良好導電性的探測體上,供電電極B極(負極)置于相距較遠的位置,逐點觀測各測線測點上的電位差ΔUMN,根據電位差曲線的零點確定滲漏通道位置[18-20]。

2.2 高密度電法

當水庫大壩壩體存在滲漏通道時,因其地質隱患地電斷面往往單一,與圍巖存在明顯的電阻率差異,因此在電性參數反演上特征明顯而比較容易被識別出來。而高密度電法是一種經濟、無損、快速且直觀的淺層地球物理勘探方法之一,其具有分辨率高、效率高、成本低、解釋方便等諸多優點[12-17]。其原理是基于目標體與周圍介質之間的導電性差異,首先通過供電電極A、B建立人工電場,在地電半空間里形成人工電流場I,然后利用測量電極M、N在人工電場作用下測量測點O處的電位差ΔV,最后得到測點處一定深度范圍內的巖土視電阻率ρs=K·ΔV/I[21],如圖3所示,通過一次布極可以完成縱、橫向二維勘探過程,既能反映地下某一深度沿水平方向巖土體的電性變化,同時又能提供地層巖性沿縱向的電性變化情況,具備電剖面法和電測深法兩種方法的綜合探測能力[21-24]。從而可根據不同巖土體視電阻率差異推斷解釋地下地質異常體的分布、規模等地質問題[21-25]。

圖3 高密度電法基本原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of high density resistivity method

當水庫大壩壩體存在滲漏時,因其地質隱患地電斷面單一、與圍巖存在明顯的物性差異,因此在物性參數反演上特征明顯而比較容易被識別出來。為了給現場探測、分析、解釋壩體隱患特征提供理論依據,建立了大壩滲漏隱患數值模型(如圖4(a)所示),通過正反演對比總結分析滲漏通道在電阻率剖面上的特征,對生產實踐的指導具有一定的現實意義。數值模型中假設滲漏通道(含水)的電阻率為100 Ω·m,圍巖電阻率為500 Ω·m,規模寬1 m,高1 m,頂部距地表0.5 m。數據采集參數為電極32根,電極距為1 m。利用有限元法計算得到大壩滲漏模型的電性分布[26-27],在此基礎上進行反演,對模型電阻率反演結果進行綜合分析。

圖4 滲漏通道電阻率模型(a)及其電阻率反演擬斷面圖(b)Fig.4 Resistivity model of leakage channel (a) and its resistivity inversion pseudo section map (b)

圖4(b)為滲漏通道電阻率模型及其對應的二維電阻率反演擬斷面圖。根據模型反演計算得到的斷面信息可知,模型反演斷面圖能直觀地反映滲漏隱患的位置及發育規模,異常體位置與模型模擬的位置一一對應。而在生產實踐中由于復雜的地質條件以及壩體各巖土構成的電阻率受礦物性質、含水量、黏粒含量、壓實度等多種因素影響,導致高密度電法反演成果存在“非唯一性”的固有缺陷,在刻畫隱患規模時,須通過多種手段相互綜合驗證解釋。

3 測試效果分析

3.1 充電法

貴州某水庫為均質土壩,由于壩體滲漏區域較窄,人工地質調查工作相對粗略,而且壩體滲漏產生原因復雜,為了找出具體滲漏通道范圍,以便進行進一步處理,首先采用定位精度直觀可靠的充電法梯度觀測裝置追索出壩體滲漏通道。

以該水庫大壩北側滲漏匯流區作為充電點,通過7條充電法測線,獲得了壩址以南向北走向的電位差異常帶(電位差曲線從負值到正值的零點位置連線),如圖5中紅色虛線所示。由此追索出該水庫大壩滲漏的平面位置走向為:CD07號測線的41.7 m位置→CD06號測線的43.2 m位置→CD05號測線的41.6 m位置→CD04號測線的43.3 m位置→CD03號測線的42.8 m位置→CD02號測線的39.7 m位置→CD01號測線的41.6 m位置→滲漏點→充點電。

圖5 充電法電位差曲線圖Fig.5 The potential difference curve of the mise-a-la-masse method

3.2 高密度電法

針對充電法追索到的滲漏通道,由于成果僅能體現滲漏通道平面位置,其深度及規模充電法難以揭示,因此針對滲漏通道布置高密度電法進行二維斷面解釋,高密度電法測線共布置6條測線,其中GMD01測線與CD01測線對應,里程為12 m～53 m,長42 m;GMD02測線與CD03測線對應,里程為13 m～72 m,長59 m;GMD03測線與CD04測線對應,里程為13 m～72 m,長59 m;GMD04測線與CD06測線對應,里程為13 m～72 m,長59 m;GMD06測線與CD07測線對應,里程為13 m～72 m,長59 m;而GMD05測線位于GMD04與GMD06測線之間,與其完全平行,該三條測線間距1.5 m,其中GMD05測線沿著帷幕灌漿孔布置,該測線主要檢測水庫大壩帷幕灌漿處理缺陷。

結合滲漏通道數值模擬反演結果及現場地質調查分析,低阻異常區電阻率范圍為10 Ω·m ～14 Ω·m,結合充電法成果,主要推斷解釋為兩種情況:①水庫滲漏通道引起的異常;②壩體土層可能存在淤積水或含水率相對較高引起的異常。具體詳細推斷解譯詳見表1,以及高密度電法反演圖6中紅色虛線框所示。

表1 高密度電法異常描述及推斷解釋結果Tab.1 High-density resistivity method anomaly description and inference interpretation results

圖6 高密度電法GMD01-GMD06測線視電阻率反演斷面圖Fig.6 Apparent resistivity inversion section of high density electrical method for the GMD01-GMD06 survey line

另外,壩體浸潤線主要是根據充電法異常點與高密度電法視電阻率反演綜合揭示的滲漏通道斷面周圍電阻率較低的范圍,具體以電阻率為11 Ω·m ～18 Ω·m區域進行劃分,詳見高密度電法反演圖6中黑色虛線框所示。

3.3 綜合物探分析

通過兩種物探方法的異常解釋結果(如圖7所示),現將水庫大壩物探異常描述如下:

圖7 水庫大壩滲漏通道綜合物探異常推斷解釋圖Fig.7 Interpretation diagram of comprehensive geophysical anomaly inference of leakage channels for reservoir dam

1)根據充電法電位梯度曲線異常可知,該水庫大壩滲漏通道平面位置走向為:CD07號測線的41.7 m位置→CD06號測線的43.2 m位置→CD05號測線的41.6 m位置→CD04號測線的43.3 m位置→CD03號測線的42.8 m位置→CD02號測線的39.7 m位置→CD01號測線的41.6 m位置→滲漏點→充點電。

2)結合現場地質調查與數值模擬分析,根據高密度電法視電阻率反演斷面圖解釋可知,GMD01測線里程32 m～34 m、深度約2.7 m～4.0 m、測線里程40 m～41 m、深度約2.7 m～3.0 m,推測為水庫滲漏通道引起的異常;GMD02測線里程40 m～45 m,深度約3.5 m～5.5 m,推測為水庫滲漏通道引起的異常;GMD03測線里程39 m～45 m,深度約4.5 m～7.0 m,推測為水庫滲漏通道引起的異常;GMD04測線里程37 m～45 m,深度約3.5 m～8.0 m,推測為水庫滲漏通道引起的異常;GMD05與GMD06測線里程41 m～45 m,深度約5.0 m～9.0 m,推測為水庫滲漏通道引起的異常。另外,根據GMD05測線視電阻率反演擬斷面圖可知,在測線里程41 m～45 m,深度約5.0 m～9.0 m,位置、電阻率呈現封閉低阻異常,綜合推測該處對應的帷幕灌漿效果較差,從而造成滲流穿過該區域滲流至北側壩底,形成貫通的滲流通道。

3)綜合兩種物探異常解釋結果分析可知,該水庫大壩滲漏通道兩種物探方法推斷解釋的平面位置吻合度較高,且通過高密度電法反演擬斷面清晰直觀地解析了該滲流通道二維斷面位置,其解釋成果可靠。

4 結論

筆者通過直流電阻率方法中的充電法及高密度電法相互結合,將其應用于水庫大壩滲漏檢測中,取得了較好的應用效果:

1)根據GMD05測線視電阻率反演擬斷面圖可知,在測線里程41 m～45 m,深度約5.0 m～9.0 m位置,電阻率呈現封閉低阻異常,分析主要是由于帷幕灌漿前未開展物探工作,從而導致帷幕灌漿未能針對性進行除險加固,故而造成滲流穿過該區域滲流至北側壩底,形成貫通的滲流通道。因此,建議水庫大壩除險加固處理前,須結合物探及鉆探資料查明大壩滲漏通道分布特征,確定靶區后再針對性進行加固處理。

2)綜合物探結果表明,充電法電位梯度曲線清晰地追蹤出水庫大壩滲漏通道的平面位置,高密度電法反演斷面圖直觀地解譯了大壩滲漏通道的二維斷面,兩種物探資料相結合對滲漏通道平面及斷面上的分布特征進行了精確地刻畫,為大壩滲漏隱患加固提供精確可靠的依據。同時,多種物探方法相結合克服了單一物探方法解譯“非唯一性”的固有缺陷,從而提高了對目標體的探測精度。

3)針對均質土壩或土石壩,若存在滲漏隱患,其電阻率與壓實均質土或土石體存在明顯的電性差異,基于電阻率法的物探方法(高密度電法、充電法、淺層瞬變電磁法)效果較好;對于混凝土壩體,由于直流式電阻率法接地較差,通常采用交流式電阻率法(淺層瞬變電磁法)或探地雷達、地震映像等方法效果較好。