高密度电法在水库渗漏检测中的应用

(郑州大学 水利与环境学院，郑州 450001)

1 研究背景

水利部第一次全国水利普查公报显示，截止2017年12月，我国水库的数量达98 795座[1]，水库的保有量位居世界前列。然而随着时间的发展，在多种因素的影响下，水库病害频发，若没有及时发现并进行有效修补，将会导致病害的进一步发展，甚至会造成溃坝，严重危害社会安全和生态环境。在众多病害当中水库渗漏问题一直是水库常见的病害之一,渗漏的发生是多种因素共同作用的结果。水库渗漏造成的直接影响是降低效益，增加运行成本，间接影响则是对地下结构的完整性有损坏，并随时间发展，可能会对大坝甚至整个库区造成灾难性影响[2-4]。

电法勘探的思想自从20世纪诞生以来，经过不断地发展完善，到现在已经形成一种比较成熟的探测方法。由于高密度电法具有无损检测特点，同常规的电阻率法相比，其成本更低，效率更高，通过一次布线即可获得非常丰富的地质信息[5]，在后期的数据处理中，方法简单，精度高。因此将该方法由最初用于大规模的地下水源的勘探、大规模的矿产资源的勘探，到如今逐渐被广泛用于众多大型复杂工程中的病害精确探测[6]。方易小锁等[7]探究了高密度电阻率法对不同电极排列方式的分辨率响应的规律，提出布点间距可小到0.5 m，为了保证探测的效果，布点间距最大不宜超过6 m。陈睿等[8]探究高密度电法在隧道超前探测的可行性，提出地下复杂空间结构的探测要结合相应的钻探。马志抒等[9]使用高密度电法对水库渗漏进行2～3 d的探测，并成功查明渗漏位置。谢绪杰[10]运用高密度电法在岩溶地区对坝基进行了渗漏检测，准确发现了坝基病害位置。刘伟等[11]运用高密度电法对岩溶富水构造进行探测研究，发现高密度电法对地下隐伏低阻体反应灵敏。Ammar等[12]在埃及沙漠地带应用直流电阻率法成功描绘出地下断层带并确定裂隙含水层的位置。 闫亚景等[13]利用高密度电法对边坡地下水进行研究，验证了对边坡潜在滑动面识别的可行性。吴亚楠[14]在探究岩溶发育及分布规律时采用高密度电法， 并取得较好的效果。

目前高密度电法的应用研究较多采用温纳式排列进行探测，温纳式排列具有较高的竖直方向分辨率，但是每次只能观测一个位置的数据信息。在水库大坝的应急抢险中，快速准确地探测出病害位置并进行及时处理对保障大坝安全有重要意义。本文以某水库检测实例来分析高密度电法的偶极-偶极式的探测方式对地质病害异常体的辨识度和准确度，并通过钻芯验证该方法的探测准确性。

图1 高密度电阻率法检测原理

2 检测原理及检测方式

2.1 检测原理

高密度电法的全称是高密度电阻率探查法，其本质属于直流电阻率法的一种。该方法工作原理与电阻率法一样，通过电极A，B端接入大地制造人工稳定电场，在观测电极M，N端处观测地下电场中的电位差，如图1所示；然后通过所用排列方式的地面电极装置系数与供电电流转换成视电阻率，从而探测岩土体中介质导电性的差异，并通过这些物理特征对地质体进行分析诊断。

地面电极装置系数K计算公式为

(1)

式中：LAM为电极A与电极M间的距离；LAN为电极A与电极N间的距离；LBM为电极B与电极M间的距离；LBN为电极B与电极N间的距离。

视电阻率计算公式为

(2)

式中：ρ为视电阻率；K为装置系数(m)；ΔV为观测的电位差(V)；I为供电电流(A)。

高密度电法的检测方式从最初的3种(α，β和γ)[6]发展到现在的十几种，其中最常用的是施伦贝格(对称四极)、温纳、两极、三极、单极-偶极、单极-单极、偶极-偶极。温纳式检测因其在竖直方向的精度较高而被广泛地采用，但是在实际应用过程中，温纳、施伦贝格、两极、三极、单极-偶极、单极-单极这几种探测方式的效率与偶极-偶极式的相比较为低下。

此次检测采用偶极-偶极式探测方式，偶极-偶极排列式在检测时每次可以同时观测多个位置的电位数据，而温纳等其他排列方式每次只能观测同一个位置的电位数据。偶极-偶极排列相对于其他排列方式在提高效率的同时，也能保证较高的精度。偶极-偶极排列式在检测时需要保持较高的信噪比，保持激发电极和观测电极的距离小于8倍电极距，同时保持较大的供电电流。

图2 偶极-偶极排列

2.2 检测方式

偶极-偶极式检测方式

见图2。该方式是通过对电极A,B进行供电，在观测电极M，N处进行观测，其中BM间的距离小于AB或MN间距离的8倍。在设备方面，采用美国AGI所生产的Supersting R8高密度电法检测仪，该设备特点是当采用偶极-偶极式的探测阵列时，在命令文件控制下可一次激发8个电位，并同时观测这8个电位的数据，如图3(a)所示；在保证数据精度的同时，其效率是单点检测的温纳法(图3(b))的8倍。在电极方面，采用的是双模式自动智能电极，此类电极可同时进行高精度的电阻率和激发极化电位差测量。

图3 8通道仪器和单通道仪器

2.3 工程概况

图4 测线及钻孔位置示意图

此次在某水库进行渗漏检测，该水库库区三面环山，坝后方向为北，坝后为耕地，水库库区利用天然地形优势在汛期储存山水、雨水，在修建大坝后，在坝后库区外有明显渗漏点，且渗漏点高程远低于库区内最低水位。该地区地质为灰岩和中风化灰岩地质，当地下水有变化或受外力影响时，在灰岩区易出现溶蚀现象，随着进一步发育会逐渐形成溶洞、溶蚀裂隙等不良的地质现象[15]。在旱季，坝前库区水位较低，裸露地质多为天然泥土地，土质松软，对高密度电法的探测十分有利。针对可疑地区，布置2条测线位置，如图4中直线所示，布设参数见表1，均采用偶极-偶极式进行探测。

表1 测线布设参数

在正式检测之前，对每个电极进行接地电阻测试，确保每个电极的接地电阻的电阻率都在1 kΩ以内，电阻率较大的采取浇灌盐水的措施改善接地条件。观测时间设为1.2 s，重复观测2次，重复误差设置在2%以内。观测结束后，导出数据进行反演分析。

3 数据分析与解释

3.1 数据处理

从布置测线开始，到数据检测采集结束，此次检测共耗时1.5 h。2次检测数据点共643个，其中第1组数据为412个，第2组数据为231个。根据阻尼最小二乘法采用EarthImager 2D进行数据反演分析。阻尼最小二乘法公式为

(JTJ+λCTC)P=JTg。

(3)

式中：J为偏导数雅可比矩阵；JT为J的转置矩阵；λ为阻尼因子；C为二维光滑滤波系数；P为模型参数的校正矢量矩阵；g为计算的比值参数理论值与实测视电阻率值计算得到的比值参数之差的矢量矩阵。

反演方法选择阻尼最小二乘法，可以有效计算出观测点的电阻率数据，通过多次的迭代和拟合从而使得计算出的数据逐渐接近真实观测到的数据，最后得到最真实的反演模型。根据黄真萍等[16]的研究，在噪声较小时，阻尼因子采用0.15可以获得较好的反演结果。二维光滑滤波系数可消除数据采集过程中随机噪声的干扰。

3.2 数据质量

图5为1号测线和2号测线反演结果。从图5可知，第1组数据反演均方值相对误差在5.3%，数据稳定性高，结果可信度高；第2组数据反演均方值相对误差在2.6%，数据稳定性高，结果可信度高。从数据的稳定性及反演的结果来看，此次检测获得的数据质量较高。

图5 1号测线和2号测线反演结果

3.3 物探异常推断

此次检测的目的是为了寻找渗漏通道，因此在反演结果中，异常的低阻率区域是需要关注的，反演结果中异常的低阻率区域已用圈形标识圈出。测线反演数据判读分析结果见表2。

4 检测结果验证

为验证此次的检测结果，探究偶极-偶极式的检测方式在高密度电法检测方式中的准确率，结合钻探来进行对比验证，钻孔位置见图4。检测结果与钻探结果对比见表3。

表2 测线反演数据推断

表3 检测结果与钻探结果对比

从钻探结果来看，漏水点、溶洞存在位置、溶蚀裂隙较发育带都与此次高密度电法偶极-偶极式的检测方式的检测结果高度吻合。

5 结 语

通过高密度电法的探测勘察以及结合前期的工程地质调查、后期的钻探验证对比，证明了高密度电法偶极-偶极式的检测方式的准确性;且在此次某水库的渗漏检测中，高密度电法的偶极-偶极式检测方式在对渗漏通道、溶洞及溶蚀发育带的辨别都取得了较好效果，为以后类似的检测工作提供了一些借鉴。