基于高密度电法的土石坝渗漏探测

(1.莒南县涝坡水利服务中心，山东 莒南 276628；2.莒南县水利局，山东 莒南 276600)

渗漏是土石坝最常见的危害之一，准确地探明渗漏位置是进行土石坝除险加固、消除渗漏危害的前提。目前，土石坝渗漏探测的方法有多种，如电阻率法、电磁法和震动法，其中电阻率法是最直观、最有效的渗漏探测方法[1-3]。樊炳森等[4]采用高密度电法对水库进行渗漏探测，查明了该水库中漏水点、溶洞及溶蚀发育带位置。李文忠等[5]研究了测线布置、探针布置距离及探测参数对高密度电法探测结果的影响。涂丹等[6]介绍了高密度电法的探测原理，分析了降低高密度电法干扰因素的方法，并以实例分析了高密度电法在水库大坝渗透探测应用中的可行性。贾海磊等[7]采用网格化的布线方式进行高密度电法探测，并根据视电阻率的数值以及等值线形态进行渗漏分析，并根据钻探结果进行验证。

高密度电法虽然目前在渗漏探测中应用广泛，但由于存在明显的体积效应使其探测精度降低，难以准确探明渗漏位置[8-9]。为消除高密度电法渗漏探测时存在的体积效应，准确探明土石坝渗漏位置，本文通过对坝体抽芯取样土进行不同含水率的土体电阻率测量，建立了坝体填筑土电阻率与含水率的相关关系，并应用于高密度电法渗漏探测中。

1 工程概况

前河崖水库位于沭河水系高榆河上游，水库总库容为11.04万m3，兴利库容8.81万m3，流域面积0.31km2，流域形状为长方形，流域地势四周高中间低，干流长度0.65km，分水岭最高高程为249.9m。1971年10月，水库开工，1972年12月竣工，完成了大坝、放水洞、溢洪道等主体工程施工。受当时经济技术条件限制，工程建设标准低、质量差，虽经2009年应急除险加固，仍存在防洪能力低、工程质量差等安全问题。

大坝为东西走向，坝型为均质坝，现状大坝全长172m，坝顶高程163.91～164.35m，坝顶宽4.5～5.0m，最大坝高12.6m。上游坡坡比1∶2.59～1∶2.71，下游坡坡比1∶2.04～1∶2.8。坝体高程163.45～163.63m以上岩性为砾石土，砾石土具中等透水性，不能作为防渗体。高程163.45～163.63m以下岩性为壤土，来源于第四系冲积物及少量的坡残积物，钻探岩芯完整，连续均匀，长柱状，壤土的黏粒含量为23.1%～33.5%，塑性指数11.1～15.5，土料各项指标基本符合规范一般土防渗料质量指标技术要求。

坝前迎水坡表层为块石护坡，小石子灌缝，护坡石岩性为砂岩、二长岩，个别砂岩块石已风化破碎，护坡石大小、厚度基本符合规范技术要求，石缝之间杂草丛生，护坡石局部有隆起、沉陷，平整度、砌缝宽度不符合规范要求，护坡石砌筑质量一般。护坡石下为碎石垫层，碎石粒径1～3cm，垫层厚度0.03～0.08m不等，局部无垫层，护坡石直接放置于坝体土上，碎石垫层与坝体土之间缺乏过渡层，不符合规范反滤层料质量指标技术要求，波浪淘刷，坝体土易被带出。

坝后背水坡表层为自然草皮护坡，坝后背水坡表层设有条石砌筑横向排水沟，砂浆勾缝、抹底，砂浆老化、剥落，排水沟多处出现断折、坍塌、缺失，排水沟出口冲刷坝脚。坝后主河床段坡脚有乱石压脚，无反滤排水体。

2 电阻率测试

取典型具有代表性的大坝钻孔土样置于烘箱内烘干，将烘干土样碾碎摊平后按含水率5%、10%、15%、20%、30%、40%和50%进行配水，配水时采用喷壶分多次喷洒，喷洒同时不停搅拌土样保证其混合均匀，待土样充分混合均匀后置于密闭容器中静置24h以保证水分均匀分散，24h后将土样取出采用击实设备将其击实至压实度0.95。并通过电阻率测试仪进行电阻率测试(见图1)。可以看出，随含水率逐渐增大，电阻率逐渐减小，且当含水率大于30%时，含水率对电阻率影响趋于不明显，电阻率与含水率存在明显的幂函数相关关系:

ρ=aω-b

(1)

式中ρ——土体电阻率；

ω——土体含水率；

a、b——关系常数。

图1 土体电阻率与含水率关系曲线

3 高密度电法探测

3.1 探测原理

高密度电法探测原理见图2，假定探测坝体为各向同性的半无限空间，电极A、B向坝体输出强度为I的电流时，则在M和N电极处可接收到的电位值UM、UN可表示为[10-12]

(2)

(3)

式中 AM、BM——供电电极A、B与观测电极M间的距离;

AN、BN——供电电极A、B与观测电极N间的距离。

M、N间的电位差可表示为

(4)

电阻率ρ可表示为

(5)

图2 高密度电法探测原理

3.2 探测方式

随着高密度电法的快速发展，其探测方法已由最开始的α、β、γ三种演变为目前的十几种，最常用的方法有单极-单极、两极、三极、对称四极和温纳法等，其中温纳法由于其竖向探测精度高而被广泛采用[13]。该次探测采用温纳装置,电极排列方式见图3，电极排列顺序依次为A、M、N、B，电极间距AM、MN和NB均控制为2m，且四个测线均保持同步。

图3 电极排列方式

采用EarthImager 2D进行视电阻率反演分析，分析方法为阻尼最小二乘法，最小二乘法可通过多次迭代、拟合使反演结果趋于真实情况，其表达式为

JTJ+λCTC)P=JTg

(6)

式中J——偏导矩阵;

JT——其转置矩阵；

λ——拉格朗日乘数，本次反演取0.15；

C——光滑滤波矩阵；

P——参数校正矢量；

g——理论与实测比值参数值之差。

4 探测结果分析

将反演结果导入Surfer，绘制视电阻率等值线云图(见图4)。可以看出，坝体表面由于大气降雨等环境因素影响导致其含水率偏高，使得表层土体出现各向异性的低阻异常，电阻率在100～200Ω·m，根据式(1)可推测其含水率在20%～28%；坝体6m以下存在局部低阻异常，电阻率在50～80Ω·m，坝体含水率偏高，通过对比浸润线发现该处高程高于浸润线高程，坝体可能在该处存在渗漏；坝体6m以上土体电阻率在210～600Ω·m，估算其含水率在10%～15%；左坝肩出现高阻异常，可能是由于探测部位接近左岸山体，该部分为岩土电阻率偏高。

图4 高密度电法探测等值线云图

5 结 语

通过室内试验测试了含水率为5%、10%、15%、20%、30%、40%和50%的坝体填筑土土样的电阻率，建立了坝体填筑土电阻率与含水率相关关系，并将其用于解译高密度电法探测结果。主要结论如下：随含水率逐渐增大，电阻率逐渐减小，且当含水率大于30%时，含水率对电阻率影响趋于不明显，电阻率与含水率存在明显的幂函数相关关系；坝体表面和6m深度以下均存在低阻异常，坝体表面低阻异常原因为大气降雨等环境因素影响导致其含水率偏高，而6m深度以下坝体低阻异常原因为坝体渗漏；建立的坝体填筑土电阻率与含水率相关关系可定量分析坝体填筑土的含水率，明显提高高密度电法解译精度，更加准确地判断土石坝渗漏情况。