高密度电法在堤坝渗漏监测中的模拟及应用

2021-10-20彭友文袁志辉

水利水电科技进展 2021年5期

刘晓，彭友文，袁志辉，唐春，黄诚

(南昌工程学院水利与生态工程学院，江西南昌 330099)

我国大部分堤坝修建较早，运行年久，病害较多，大约30%存在渗漏问题，堤坝工程中常见的隐患包括天然地质缺陷，施工中的质量缺陷，生物破坏造成的洞穴，裂缝及修补时的人为薄弱环节等[1]。每年汛期，这些隐患容易诱发管涌、漫顶、散浸、滑坡、崩岸、坍塌等险情[2]，因此及时查明隐患，预先排除险情是堤防工程中迫切要解决的问题。

电法探测是堤坝无损探测的主要手段之一，已经广泛地应用于渗漏、洞穴等堤坝隐患的探测。电阻率是电法探测常用的物性参数，砂土的电阻率和它的孔隙度有关。堤坝内部或基础存在裂缝、洞穴时，其孔隙度变大，渗漏水时电阻率变小，干燥时电阻率变大，与背景电阻率形成差异，成为电法探测的物性前提。

高密度电法作为一种普遍应用的电法探测方法，利用隐患和背景介质的电性差异，根据电阻率的空间变化规律来推断隐患的分布情况，具有采集自动化，分辨率高，成本低，效率高，解释方便等特点[3-4]，弥补了传统电阻率法野外采集时测点相对稀少和反演解释时依据单一等缺点[5]。高密度电法在工程地质和水文地质勘查等方面有广泛的应用[6-8]，适用于探测堤坝裂缝、洞穴、高含沙层、不均匀体、软弱层、松散体及渗漏区，以及堤坝基础隐伏断层、破碎带等隐患。刘海心等[9]、孙卫民等[10]、李宏恩等[11]应用高密度电法于堤坝渗漏隐患探测，樊炳森等[12]应用高密度电法于水库的溶洞和溶蚀裂隙探测，取得了较好的效果。

在实际探测中，由于地质条件复杂，影响因素多变，以及反演自身的多解性，资料解释存在一定的干扰。笔者通过建立两组典型的堤坝渗漏地电模型[13-14]，计算其高密度电法响应，根据合成数据的正反演算例和工程实例，分析高密度电法的探测效果，为提高解释水平提供依据。

1 典型堤坝渗流模型的正反演

高密度电法二维正演问题为点电源电场二维地电断面的边值问题，应用有限差分法剖分网格形成大型线性方程组，通过解方程组即得到正演解，使用RES2DMOD软件来实现正演；高密度电法的反演目的是要找到拟合观测数据的模型，属于最优化问题，采用最小二乘法来计算[15]，通过RES2DINV软件实现反演[16]。

1.1 层状模型

层状模型用来模拟土石坝等坝体内部的电性结构，在浸润面以下，由于岩土的孔隙中几乎充满了水，电阻率变低，基岩为高阻体。模型的各层厚度和电阻率如表1所示。

表1 层状模型的厚度和电阻率

本文采用温纳装置，共80个电极，电极间距为5 m，正演拟断面如图1所示。在正演数据中加入2%的随机误差，利用合成数据进行反演，迭代5次，误差为0.29%，反演结果如图2所示。

图1 层状模型正演拟断面

图2 层状模型反演结果

图1中，视电阻率有明显的分层现象，坝体浸润区视电阻率为相对低值，坝基基岩视电阻率为相对高值，两者的差异不大。图2中，反演结果清晰地反映出低阻目标层，视电阻率最小可恢复到50 Ω·m。虚线中间为视电阻率小于80 Ω·m的范围，与坝体浸润区基本重合。图中标出的浸润区和基岩分界线略有起伏，结合正演拟断面图可知，分界线起伏是受算法多解性等因素影响所致。

1.2 二维渗流模型

在层状模型基础上，设计一个坝体二维渗流模型。图3中，在水平位置185～215 m，深度24～48 m范围，有一个穿过坝体浸润区和坝基的倾斜渗漏通道，呈现低阻特征，视电阻率为1 Ω·m。探测选用温纳装置，设置80个电极，电极间距为5 m，正演结果如图4所示。在正演数据中加入2%的随机误差，利用合成数据进行反演，5次迭代后，均方根误差为1.87%，结果如图5所示。

图3 二维渗流模型

图4 渗流模型正演拟断面

图5 渗流模型反演结果

图4坝体浸润区视电阻率为相对的低值异常，低阻异常闭合区的水平位置与真实模型的水平位置接近，向两侧略有延伸，定性反映了渗漏通道的存在。图5中，反演结果对渗漏目标体有较好的反映，图中有视电阻率低值异常闭合区，异常中心和实际渗漏中心基本一致，低阻体的视电阻率最小可以恢复到5 Ω·m，反演结果对异常体水平方向边界的分辨率高于垂直方向，难以分辨异常体的倾向。受低阻体影响，在异常闭合区的深部即基岩区出现了低阻假异常现象，比较图4和图5，可以排除假异常对解释的干扰。

据理论模型计算可知，由视电阻率拟断面图可定性地判断异常目标体的存在；由反演图可进行定量分析，受算法多解性等因素的影响，反演结果可能存在假异常现象。为避免错误解释，需要剔除假异常，将视电阻率断面图和反演结果结合分析，可提高对异常体的识别能力。

2 坝基渗漏监测工程实例

2.1 工程概况

某水库大坝蓄水后发现渗流量异常，大坝右端发现多处渗水位置，局部位置发现泉水。量水堰观测数据显示，大坝渗流量有明显增大趋势，右端渗流量达302 m3/d，总渗流量超出初步设计报告计算值，需查明大坝异常渗流的原因及其具体部位。

坝址处地层主要由残坡积粉质黏土、全-微风化基岩构成，局部有人工填土、可塑状冲积粉质黏土及冲洪积层(粉土层、粉细砂、中粗砂等)、淤泥等。基岩主要为花岗岩、混合花岗岩、花岗片麻岩(片麻状花岗岩)等，划分为全风化带、强风化带和弱风化带。全风化带的原岩已风化成土状，以砂质黏土为主，层厚为9.5～34.5 m，一般为弱透水，局部为中等透水性。强风化呈半岩半土状，由于节理裂隙发育，其透水性较全风化稍强。弱风化带层厚16.7～31 m，风化裂隙发育，多为弱透水。库区无区域性构造断裂通过，构造稳定性较好，坝址区构造以小断层为主，大坝钻探过程显露了一些小规模的断层，与大坝相交的有F1断层和F5断层。

坝体为黏土心墙坝，坝长1 102 m，坝顶高程63.5 m，宽度8 m，最大坝高54 m。中部黏土防渗心墙顶宽6.0 m，上下游坡比均为1:0.5，上下游坝壳之间设有砂反滤层和砂砾石过渡层。坝基全线强风化岩及弱风化岩做帷幕灌浆防渗处理，灌浆上部接防渗墙。

2.2 探测方案

本次探测选用重庆地质仪器厂生产的DUK-2B多功能高密度电法仪，采用温纳装置，每个排列60个电极，电极距为5 m，最大供电电压为180V，沿着大坝背水面平行布设3条测线[17]。测线1平行于坝体中部的马道布设，总长975 m，10次滚动完成；测线2布设在坝脚处，总长900 m，7次滚动完成；测线3在坝体下游50 m处，总长400 m，2次滚动完成。

2.3 探测过程

根据测线1第2个排列的实测数据，绘制视电阻率拟断面如图6所示，实测数据的反演结果如图7所示。根据测线2第2个排列的实测数据，绘制视电阻率拟断面如图8所示，实测数据的反演结果如图9所示。根据测线3第2个排列的实测数据，绘制视电阻率拟断面如图10所示，实测数据的反演结果如图11所示。

图6 测线1第2个排列实测数据视电阻率拟断面

图7 测线1第2个排列实测数据反演结果

图8 测线2第2个排列实测数据视电阻率拟断面

图9 测线2第2个排列实测数据反演结果

图10 测线3第2个排列实测数据视电阻率拟断面

图11 测线3第2个排列实测数据反演结果

图6水平方向100～160 m点位下方有视电阻率低值异常，地表附近有视电阻率高值异常，结合相关设计资料，推断图7中黑色虚线上方为坝体，视电阻率大于180 Ω·m 。黑色虚线下方为坝基，位于浸润线以下，地下水侵入坝基上部的花岗岩风化层，使其视电阻率变小，剖面平距130～160 m、深度约30～40 m范围内低阻异常明显，视电阻率小于80 Ω·m ，推断为富水区。

图8水平方向100～180 m点位下方有视电阻率低值异常，局部有视电阻率高值异常。结合图8及设计资料，推断图9中黑色虚线上方为坝体，视电阻率大于170 Ω·m，局部高阻为混凝土排水沟的影响所致；黑色虚线下方为坝基，剖面平距120～160 m、深度约25～39 m范围内低阻异常明显，视电阻率小于80 Ω·m，推断为富水区,结合测线1结果，推断两者为贯通的异常渗流通道，沿通道方向到坝脚处发现有多个出露的渗水点。

图10水平方向100～200 m点位下方有视电阻率低值异常。图11中，剖面平距100～200 m、深度约10～40 m范围内视电阻率低值异常明显，视电阻率小于80 Ω·m，推断为富水区。结合地质资料，发现F1断层通过该渗流区域，并向坝体后方延伸。F1断层破碎带宽度为0.5～1 m，胶结较好，为弱透水，一侧延伸至水库内，坝基处理时仅对该断层与坝轴线相交位置处做了混凝土防渗墙和帷幕灌浆处理，未对其他部位进行处理。

图12为根据高密度电法和已有工程地质资料的推断结果，沿断层F1的破碎带形成渗流通道。随着库水位上升，水压力作用对断层F1的破碎带进行潜蚀，在其深部形成渗漏通道，并在灌浆帷幕下部沿断层破碎带渗出，其流出区域与渗流异常区域基本吻合。受断层带影响，测线3附近的富水区域面积较大，并出露有上升泉。