综合探测方法在大坝除险加固地质勘察中的应用

2021-09-27张以文白宗杰

西部探矿工程 2021年9期

王振，张以文，白宗杰

（水发规划设计有限公司，山东济南250100）

1 概述

除险加固是解决大坝安全隐患的重要步骤，而地质勘察工作是大坝除险加固的重要前期工作，为准确查明大坝隐患的部位，常规的方法主要有地质钻探、人工探视和地球物理勘探三种[1]。近年来，地球物理勘探方法在大坝检测中得到广泛应用，主要的地球物理勘探方法有高密度电阻率法[2-3]、地质雷达法[4-6]、垂直声波发射法[7]、浅层地震法[8]、流场法[9-10]等，其中很多学者和工程人员对地球物理勘探方法进行了几种方法的综合应用，并得到了较好的结果[1,11-13]。由于人工探视费时费力，又难于发现隐患，在实际勘察中很少应用，而地质钻探仅能局部揭露地质隐患，具体勘察中需要将地质钻探和地球物理勘探综合应用。

在济南市区以南30km处某旅游风景区有一座流域面积为26km2的小（1）型水库，该水库建成后，仅进行过一些简单的维修工作，未进行过大的改造，经安全鉴定，存在较为严重安全隐患，需进行除险加固。

为了查明病险水库的工程地质条件以及地质灾害和隐患的部位、范围和类型，本次探测决定采用地质雷达法、高密度电法和地质钻探的方法，对水库大坝进行全方位勘测。钻探结果与物探资料解释结果相互呼应，验证了该方法在大坝地质勘察中的可行性。

2 方法原理

2.1 地质雷达法

地质雷达方法是一种使用高频电磁波探测地下介质分布的非破坏性探测仪器，它通过剖面扫描的方式获得地下界面的反射图像[14]。地质雷达通过在地面上移动的发射天线向地下发射高频电磁波，在地下旅行的电磁波遇到不同的电性界面时，就会发生反射、透射和折射。地下介质间的电性差异越大，反射回的电磁波能量也越大。反射到地面的电磁波被与发射天线同步移动的接收天线接收后，通过雷达主机精确地记录下反射回的电磁波到达的时间、相位、振幅、波长等特征，再通过信号叠加放大、滤波降噪、图像合成等数据加工处理手段，形成地下断面的扫描图像。通过对雷达图像的判读，便可得到地下目标物的分布位置和状态。

当地下介质间介电常数存在较大差异时，雷达发射的电磁波一般会在其界面发生反射，反射波形态与地下介质（岩石、空气、粘土等）的性质、赋存状态、大小、埋深等因素有密切的关系。因此，从探测到的雷达反射波的曲线形态、振幅强度、相位等特征可以判断地下介质的赋存状态、性质及空间分布等。

2.2 高密度电法

高密度电法是一种以岩土体导电性差异为基础的一类阵列勘探方法[15]，研究在人工施加电场的作用下地层中的传导电流以达到解决各类地质问题的目的。当地下介质间电阻率存在较大差异时，人工施加电场作用下的传导电流的分布会因电阻率的高低而分布有疏有密，传导电流的分布与地下介质（岩石、空气、粘土等）的性质、大小、埋深等赋存状态各因素有着密切的关系。因此从探测到的传导电流的分布规律可以分析地下电阻率在不同区域间的变化，从而可以反演推断地下的地质情况，尤其是地下空洞、裂隙等不良地质体的发育情况。

3 探测仪器和测线布置

本次综合探测采用WGMD-9超级高密度电法仪、美国GISS公司生产的SIR-30E型地质雷达和XY-1型钻机分别进行高密度电法、地质雷达和地质钻探数据的搜集工作，针对水库的实际地形条件，对各种方法进行合理布局，如图1所示。

高密度电法测点点距3m，采用AMN、MNB装置开展工作，其中最大探测深度为25m，电极数根据测线长度拓展，供电电压288V，数据采集剖面层数为25层。地质雷达探测工作使用100MHz天线，采用连续测量模式，采集时窗600ns。

高密度电法测线2条，测线长度共234m，测线编号分别记为L01~L02；完成地质雷达法测线3条，测线长度共435m，测线编号分别记为D01~D03。勘探孔间距约40m，在坝顶和坝坡各布置3孔，编号分别为BDL1~BDL6。

4 资料解释及综合处理

地质雷达采集的数据采用RADAN7专用软件处理，处理过程中采用水平滤波、垂直滤波、反褶积、增益调节、色彩变换、数据编辑、偏移、归一化、比例调节等手段，经过数据处理后输出各测线地质雷达探测成果剖面图，剖面图横坐标为水平距离（m），左纵坐标为深度（m）。根据结果分析，在D01、D02、D03三条测线桩号139.0~143.5m，深度1.0~10.0m存在物探异常，表现为雷达波波形杂乱、能量衰减、反射波同相轴错断，推测异常为大坝与原河道岸坡交界面，如图2、图3所示。其他测线同相轴一致性较好，但个别区域在地面下1.0~2.0m存在雷达波能量增强、反射波同相轴连续但起伏较明显，异常沿水平方向延伸，推测异常为坝体材料充填不均匀。

图2 D01测线雷达处理结果

图3 D02测线雷达处理结果

高密度电法首先对野外采集数据进行格式解编、转换、剔除非值等工作，然后采用RES2DINV3.33高密度电阻率数据反演软件对各测线数据进行反演计算，输出视电阻率ρs等值线拟断面图，断面图横坐标为水平距离（m），纵坐标为深度（m）。根据分析结果，L02测线位于坝体背水面，沿东南—西北向布设。现场接地条件较好，在探测深度范围内，视电阻率整体较均匀，随深度增加逐渐增大。L01测线桩号4.0~12.0m，坝顶以下深度20~25m处，视电阻率值相对较低，且电阻率等值线起伏较大，推测其成因为岩体较破碎且富含水分，结合区域地质资料判断，可能为小型溶洞。见图4。

图4 L01测线高密度电法处理结果

根据钻探结果，地层主要分布为坝体填土（壤土）、壤土、中风化石灰岩。根据钻探结果，坝顶以下9.0~25.0m普遍分布中风化石灰岩，岩芯多呈短柱状，局部岩体破碎，如图5所示，节理裂隙发育，岩芯采取率低。同时取坝体土进行击实试验，结合土样的物理力学指标，得出坝体土压实度0.83~0.94，压实度差别较大，坝体填筑质量较差。

图5 BDL6钻孔20.0~26.0m岩芯照片

对上述三种探测方法的异常区域进行综合分析，地质雷达方法对坝体填筑质量的判断与室内试验有较好的对应关系，高密度电法对基岩较破碎的判断与现场钻探岩芯具有较好的一致性。另外，地质雷达法探测出桩号139.0~143.5m处存在一处坝体与原河道岸坡交界面；高密度电法L01测线桩号4.0~12.0m，坝顶以下深度20~25m处可能存在小型溶洞。