高密度电法仪在天子岗水库大坝渗漏探测中的应用

2016-02-04何恺恺朱森强

浙江水利科技 2016年2期

关键词：高密度电法水库大坝渗漏

李　波，何恺恺，罗　安，朱森强

(1.安吉县天子岗水库管理处，浙江　安吉　313310；2．浙江钱江科技发展有限公司，浙江　杭州　310012)

高密度电法仪在天子岗水库大坝渗漏探测中的应用

李波1，何恺恺2，罗安2，朱森强2

(1.安吉县天子岗水库管理处，浙江安吉313310；2．浙江钱江科技发展有限公司，浙江杭州310012)

摘要：高密度电法是在常规电法基础上发展起来的新型物探方法。针对传统土石坝渗漏安全隐患探测方法的不足，采用高密度电法对天子岗水库土石坝渗漏安全隐患进行了无损探测，以检查评价高密度电法在中型水库土石坝渗漏安全隐患探测中的有效性和适用性。

关键词：高密度电法；水库大坝；隐患探测；渗漏

1工程概况

天子岗水库位于西苕溪支流浑泥港北源泥河上游，其源流与安徽省广德县交界，水库集水面积23.8 km。总库容1 801万m3。是一座以灌溉为主，结合供水、防洪、发电、养殖等综合利用的中型水库。大坝由主坝、副坝组成，全长1 195.00 m,坝型为黏土类均质坝。主坝坝顶长1 150.00 m,坝高13.75 m，坝顶高程27.80 m，坝顶宽5.00 m。副坝位于主坝右侧，坝顶长45.00 m，坝高15.20 m，坝顶高程27.80 m，坝顶宽5.00 m。2008年10月进行水库除险加固，2010年10月主体工程完工验收。经过多年运行主坝坝脚处有多处渗漏，决定采用以高密度电阻率法对水库的渗漏隐患进行探测。

2高度密度电阻率法工作原理及方法

高密度电阻率勘探方法和普通电阻率方法一样，以地下岩矿石的电性差异或者地下被观测的目标体与其围岩之间的导电性差异为基础的一种地球物理勘探方法。向地下施加人工电场，在地表用专门的仪器测量、记录并研究传导电流的分布规律，以解决相应的地质问题。在求解上述电场的分布规律时，理论上通常采取解析法。根据相关文献，上述电场的分布满足下面的偏微分方程：

(1)

式中：x0、y0、z0是源点坐标，x、y、z是场点坐标。当x≠x0、y≠y0、z≠z0时，即只考虑无源空间时，上式可变为拉普拉斯方程：

▽2=0

(2)

由于坐标系的限制，解析法所能求解出来的地电模型是非常有限的。因此，在研究复杂的地电模型的电场分布时，通常采用数值模拟方法。譬如：二维地电模型使用点源二维有限元方法，三维地电模型使用面积分方程等方法。

本次高密度电法系统以WDJD-4多功能直流激电仪为测控主机，通过选配分布式高密度电阻率或激电电缆、电极，实现分布式二维高密度电阻率测量。通过高密度电法测量系统专门的软件控制同一多芯电缆上的电极连接与转换，即用1根多芯电缆与多个电极连接，在测量过程中由测量系统的软件控制电极的连接和转换，从而自动构成了多个垂向电测深点和多个电测断面的组合。从控制系统中选择不同的测量装置，来控制电极排列的不同组合，按照电测深点的顺序和测量的电测断面的深度的顺序，进行逐点和逐层的测量。从而实现了供电电极和测量电极的全部一次布设，自动供电、自动跑极、自动测量、自动计算、自动记录、自动存储。把测量系统中采集的数据传输到计算机，经过相应的处理获得整体的地电断面图像。图1为有60个电极的二维高密度电阻率测量系统野外施工布线示意图。

野外采集数据时，给供电电极A、B 提供电流I，测量2个测量电极M、N之间的电位差U，从而就获得了视电阻率。视电阻率表示为：

(3)

式中：K为装置系数，ΔU是电极M、N之间的电位差(V)。

视电阻率的大小反映地下电场所达到区域的岩石电性的综合性质，视电阻率的值不仅与地下不同导电性的岩矿石有关，而且与所用的装置类型以及地形有关。

本系统支持16 种测量装置，包括温纳排列(α)、偶极排列(β)、微分排列(γ)、联剖排列A(δA)、联剖排列B(δB)、AM 排列、AMN 排列、ABM 排列、ABMN 排列、MNB 排列、施伦贝谢尔排列(α2)、自电M、自电MN、充电M、充电MN 排列和跨孔偶极排列。本次实测主要采用了温纳排列(α)和施伦贝谢尔排列(α2)。温纳排列(见图2)在测量时，AM=MN=NB 为1个电极间距，A、B、M、N 逐点同时向右移动，得到第1条剖面线；接着AM、MN、NB 增大1个电极间距，A、B、M、N 逐点同时向右移动，得到另一条剖面线；这样不断进行扫描测量，得到倒梯形断面。

施伦贝谢尔排列(见图3)测量时，AM=MN=NB 为1个电极间距，A、B、M、N 逐点同时向右移动，得到第1条剖面线；接着AM、NB 增大1个电极间距，MN 始终为1个电极间距，A、B、M、N 逐点同时向右移动，得到另一条剖面线；这样不断进行扫描测量，得到倒梯形断面。

3仪器设备

重庆奔腾WGMD-4高密度电法系统，具有存储量大、测量准确快速、操作方便等特点，并且可方便地与国内常用高密度电法处理软件配合使用，使解释工作更加方便直观。同时集先进的发射、接收功能于一体，体积小、重量轻，所有电极排列全部采用滚动测量方式，断面收尾亦变得轻而易举；通过移动电极可使断面无限接续，且系统自动计算并提示需要移动的电极，大大方便了使用者操作。采用带背光的160×160点阵液晶显示，32位单片机实现全中文人机界面及采集控制，采集参数设置、数据显示与存储、各种曲线绘制等快捷直观，高达1 GB可存贮超过 5 000 000 组测量值，支持通过USB接口导出存储数据，仪器将被计算机自动识别成通用U盘存储器，数据文件的拷贝、剪切等操作和普通U盘完全相同，使用极其方便。采用多极滤波及信号增强技术，测量精度高。

4野外数据采集

本次探测的目的是了解高密度电法仪在检测大坝渗漏的适用情况，在平行主坝方向共布置了3条测线。测线57201距离坝顶1 m，桩号0+400～0+695 m，电极距5 m，电极数60，分别采用温纳排列、施伦贝谢尔排列测量。测线57202距离坝顶12 m，桩号0+400～0+695 m，电极距5 m，电极数60，分别采用温纳排列、施伦贝谢尔排列测量。测线57203距离坝顶12 m，桩号0+870～0+929 m，电极距1 m，电极数60，分别采用温纳排列、施伦贝谢尔排列测量(见图4)。

数据采集的基本步骤：

(1)按照设计好的测线、电极距布设电极，并将开关电缆线与电极连接好。

(2)把主机的电源线、地线连接好，并把主机接在电源上且给其供电。

(3)确保所有的电线都连接好后，然后打开主机的电源开关。

(4)检测各电极接地情况。在主界面下按“R 地”键，进入接地电阻测量界面。测量每根电极的对地电阻值。系统默认以第1根电极作为参考电极，因此测量前必须确保第1根电极的可靠接地。若测得的接地电阻大于5 kΩ，系统提示接地电阻过大。若测得的接地电阻过大，应采取浇水、打深电极等措施减小接地电阻。接地电阻检测也可判断电极与主机间的连线是否断线，电极漏插的情况。

(5)打开采集系统进行采集参数的设置，如装置类型、电极数、电极距、测量的层数等。

(6)进行数据采集，一个装置采集完成后进行保存并存盘。

5数据处理与解释

现场记录：天子岗大坝类型为黏土类均质坝；桩号之间的间隔为1 m；桩号0+418～0+420 m、桩号0+500～0+505 m处是钢筋混凝土台阶；桩号0+610～0+611 m、桩号0+898～0+899 m处是混凝土水渠；桩号0+900 m附近大坝底部有渗漏点。

现场采集的数据通过2DRES反演软件进行最小二乘反演，迭代5次，使每条测线的迭代误差小于2%，得到如下反演成果图5，图中横坐标为测线长度，纵坐标为测深。

测线57201布置在距离坝顶1 m处，桩号0+400～0+695 m，由图5～6可知测线16 m深以下视电阻率<40 Ω·m是潜水层，12 m深度以上视电阻率>80是第四系全新统人工堆积层的高阻区，分布着大大小小的高阻闭合圈，是由地下含水率差异或者地下黏土分布不均匀导致的。图5～6可知温纳排列与施伦贝谢尔排列的反演结果没有很明显的差别。

测线57202布置在距离坝顶12 m处，桩号0+400～0+695 m，由图7～8可知桩号0+400～0+440 m处有明显的低阻异常，可能是受降雨等影响，表层积水未完全排出，导致表层填土局部含水率较高，电阻率偏低。测线9 m深度以下视电阻率<40是潜水层，6 m深度以上视电阻率>60是第四系全新统人工堆积层的高阻区。对比测线57201可知测线57202的高阻区视电阻率明显偏低，是由于测线57201在坝顶，测线57202在坝中，坝顶的人工堆积层部分含水率比坝中低。

测线57203布置在距离坝顶12 m处，桩号0+870～0+929 m，由图9可知在桩号0+898 m附近0～1 m深度范围内视电阻率ρS较小,视电阻率值为100～350 有明显的高阻异常闭合圈，该高阻异常的形状呈椭圆形，轮廓清晰，与现场记录的桩号0+898～0+899 m处混凝土水渠相符。同时在0+896～0+905 m范围内有低阻异常闭合圈，与桩号0+900 m附近大坝底部有渗漏点相符合。在深度2～7 m范围内有2处低阻异常区并未在相对应的大坝底部发现渗漏点，可能此处有微小渗漏或者没有完全渗透。对比图9和图10可以发现施伦贝谢尔排列在桩号0+896～0+905 m范围内检测出2个低阻异常体，而温纳排列检测的是一个大范围的低阻异常。

综合以上可知，电极距设为5 m时，测量范围大，能得到295 m长的剖面，但是精度明显降低，在桩号0+418～0+420 m、桩号0+500～0+505 m、桩号0+610～0+611 m处看不到高阻闭合圈，而实际上这几处有台阶。温纳排列与施伦贝谢尔排列测量的反演结果差别不大，施伦贝谢尔排列测量在深度方向上的分辨率较高。

6结论

高密度电法仪在天子岗水库大坝检查渗漏有一定的适用性，从取得的探测效果看，高密度电法不失为一种有效的水库渗漏探测方法，总结以下几点结论：

(1)电极距为1 m时基本能检测出渗漏位置而且与实际符合较好，缺点是测量范围和深度降低了很多。

(2)电极距5 m时精度不能满足水库渗漏的检测要求，只能大致区分地层分布情况。

(3)温纳排列与施伦贝谢尔排列测量的结果差别不大，可以互相对比验证，防止测量误差；在有些地质情况下，施伦贝谢尔排列测量在深度方向上的分辨率较高。

(4)本次探测的高密度电阻率法反演结果很好地反映该水库大坝存在渗漏隐患，达到预期探测目的。

参考文献：

[1]赵志敏，徐旺敏，傅琼华. 高密度电阻率法在土坝渗漏检测中的应用[J].江西水利科技，2011(4)：41-42.

[2]房纯钢，姚成林，贾永梅.堤坝隐患及渗漏无损检测技术与仪器[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

[3]张凌云.高密度电阻率勘探反演的非线性方法研究[D].太原：太原理工大学，2011.

[4]刘小军，李长征.高密度电法概率成像技术在堤防隐患探测中的应用[J].工程地球物理学报，2006,3(6):415-418.

(责任编辑郎忘忧)