高密度电法在新疆某水库大坝病险隐患探测中的应用

孔繁良，徐 超，李 军

(1.新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局 地球物理化学探矿大队，新疆 昌吉 831100；2.中国地质大学 地球物理与信息技术学院，北京 100083)

1 引 言

新疆地处欧亚大陆腹地，气候干旱少雨，灌溉水源对于农业生产、农业发展极为重要，因此历来十分重视水库建设。截至2018年底，新疆共修建水库工程451座，总库容达到7.9亿立方米，这些水库在防洪、灌溉、供水以及生态保护等方面发挥了重要作用[1,2]。其中大部分水库兴建于20世纪50～70年代，多为平原水库，大坝以土石坝为主[3]。受当时经济和技术条件的制约，很多大坝工程设计和建设标准偏低，缺少必要的工程质量控制手段与措施，同时由于工程管理工作滞后，大部分水库大坝年久失修，经过几十年的运行，40 %以上的水库大坝存在不同程度的病险隐患，包括大坝渗漏、裂缝、空洞等问题[4]。这些隐患的存在直接影响到水库防洪兴利功能的发挥，开展水库大坝病险隐患探测工作，对于指导后期除险加固工作、保障安全运行、保障下游人民生命和财产安全等方面具有重大的现实意义。

水库大坝病险隐患探测技术可分为有损探测与无损探测两类。前者主要有坑探、槽探、钻探等，具有探测准确可靠的优点，但是破坏工程结构，探测范围有限、速度慢、投资费用大等缺点更为明显，当隐患范围广、埋藏深时将无能为力[5]。无损探测技术以物探方法为主，包括电法、电磁法和弹性波探测技术，具有无损性、连续性、整体性、快速性以及高分辨率等优点，适用于应急检测中快速有效地发现目标隐患[6]。经过多年研究，国内外专家普遍认为在诸多可利用于隐患和渗漏来探测的反映土坝坝身的物理参数中，电导率与电阻率相反的变化最为明显[7]，而且探测方法简便，使得电法探测，尤其是高密度电法成为目前应用较为成熟和可靠的无损探测手段之一[8,9]。近二十年来高密度电法在水库大坝病险隐患探测领域得到了广泛的应用[10-17]，探测效果显著，有效指导了后期隐患治理工作。

2 高密度电法原理及特点

高密度电法属直流电阻率法，基本原理与普通直流电阻率法相同，但其装置为组合式剖面装置[18]，如图1所示。该方法以岩土体导电性差异为物理基础，采用点阵式电极布设方式向大地发射直流电，通过密集采样观测，获取地下介质的视电阻率相对值或梯度变化规律信息，进而达到认识地下地质体电性结构、指导地质解释的目的。高密度电法直接测量的数据是电流I(mA)和电位差ΔU(mV)，在介质为各向同性时，测量视电阻率表示为：

ρs=K·ΔU/I

(1)

式中,ρs为岩土体的是电阻率(Ω·m);K为装置系数[13]。在设计和技术实施上，高密度电法测量系统采用先进的自动控制理论和大规模集成电路，通过主机控制电极转换器形成供电、测量及数据采集的全自动控制，使用的电极数量多，而且电极之间可自由组合，进而提取更多的地电信息[19]。

图1 高密度电法工作示意图Fig.1 Schematic diagram of multi-electrode resistivity method

高密度电法具有以下优点:①电极布设一次性完成，减少了因电极设置引起的干扰和由此带来的测量误差；②集电测深和电剖面装置于一体,能进行多种电极排列方式的测量，一次布极可以获得更丰富的地下地电结构状态的地质信息；③实现了数据采集自动化，不仅采集速度快，而且有效避免了人工误操作；④可以实现资料的现场实时处理和脱机处理，大大提高了电阻率法的智能化程度[7]。

3 应用案例分析

3.1 工程概况

吉林二库是一座注入式平原水库，位于新疆生产建设兵团第四师六十七团境内。水库始建于1991年8月，设计最大蓄水位632 m，1992年5月投入试运行后，坝坡多处出现沉降现象，一直处于低水位运行状态。2005年对主坝进行了除险加固工作，将坝顶加高至635 m、加宽至5 m，运行10年后，主坝坝基出现渗漏问题，导致水库调蓄能力逐年下降，用水时期作物受旱面积逐年增加。2015年，六十七团对水库坝体K1+200～K1+700范围进行水泥搅拌桩截渗墙处理，墙体厚度0.3 m，底部深入粉土层3 m，顶部高出设计水位0.5 m，运行3年后，发现坝体后坡存在多处渗漏现象。为全面查明吉林二库坝体、坝基渗漏情况，准确查找渗漏隐患通道，提供大坝应急抢险和除险加固设计依据，决定采用高密度电法、地震映像方法对坝体进行无损探测。

3.2 物性特征

吉林二库坝体和坝基地层大致可以分为上中下三层，上部为人工填土层，以粉土、细砂为主，状态稍湿；中部为风积细砂，下部为粉土，均呈湿-饱和状态。根据实测，坝体粉土、细砂电阻率在15～50 Ω·m之间变化，为低阻,且电阻率差异不大；截渗墙水泥土电阻率在100～300 Ω·m间变化，为相对高阻，与粉土、细砂电阻率差异明显；水库水电阻率在0.1～100 Ω·m之间变化，为相对低阻，详见表1。当坝体截渗墙水泥土内产生裂隙和空洞充填地下水时，会呈现相对低阻异常圈闭特征；当坝体内产生塌陷和空洞时，表现为相对高阻异常圈闭特征。因此工作区具有进行高密度电法勘探的地球物理前提。

表1 勘查区地层、岩性电阻率

3.3 测线布置

吉林二库坝基物探无损检测段为坝体K1+200～K1+750段前期修建截渗墙区域，沿坝体水泥土搅拌桩截渗墙地表位置布置高密度电法测线1条，编号CX1，在坝体外侧坡脚原始地面布置测线1条，编号CX2，具体位置见图2。数据采集采用温纳装置，与其他装置相比，其具有信号强度大、横向分辨率高的特点[20],解决本次地质问题更有针对性。采用单排列120道电极滚动测量，电极距2 m。

图2 高密度电法检测剖面布置Fig.2 Layout of multi-electrode resistivity method detection profile

3.4 检测结果分析

CX1线剖面视电阻率反演成果如图3所示，沿断面自上而下视电阻率呈“低-高-低”变化趋势。表层K1+200～K1+330段，0～6.3 m范围，视电阻率在5～25 Ω·m之间变化，推断为含水量较高的粉土层;K1+330～K1+778段，0～3.7 m范围，视电阻率在20～50 Ω·m之间，推断为含水量较低细砂；中间层3.7～13.5 m范围，全线视电阻率100～215 Ω·m之间，对应为水泥土搅拌桩截渗墙；底层13.5～21 m范围视电阻率降低至20～50 Ω·m，推断为坝基底部含水量较高的粉土层。剖面水泥土搅拌桩截渗墙深度范围内，K1+336～K1+344、K1+582～K1+592、K1+682～K1+692、K1+730～K1+744段，存在4处直立条带状低阻异常(黑色虚线位置)，推断为水泥土搅拌桩之间咬合不好，存在裂隙，充水后形成，极有可能成为坝基渗漏的通道。

图3 CX1线高密度电法视电阻率反演断面Fig.3 Inversion of resistivity profile of CX1 line by multi-electrode resistivity method

CX2线位于在坝体外侧坡脚，距离CX1线35 m左右，高度相差8 m左右，视电阻率反演成果如图4所示，可以看出CX2线视电阻率特征与CX1线截然不同，这是由于坝体外侧原始地貌为树木杂草及松散-稍密粉土层,局部地段地下水渗漏出露地表，在低洼处形成湿地，局部地段地表干燥。CX2线视电阻率特征反映的就是坝体外侧原始地貌状态下的地电结构。

图4 CX2线高密度电法视电阻率反演断面Fig.4 Inversion of resistivity profile of CX2 line by multi-electrode resistivity method

3.5 验证情况

对CX1线圈定的垂向低阻异常带地表开挖并进行灌浆处理后，坝基渗漏情况基本消失，大坝最大的病险隐患得以消除，高密度电法探测成果起到了至关重要的作用。

4 结 论

1)高密度电法勘探成本低、效率高、反演信息量丰富、易于解译，可以对水库大坝地电结构及渗漏隐患异常特征进行高分辨率的刻画，是进行坝基渗漏无损探测行之有效的物探方法之一。

2)全面了解掌握水库大坝的工程地质特点、筑坝材料及物性特征，认识大坝易发病险隐患类型与分布情况，分析研究其地球物理异常场响应特征，有的放矢地选择物探方法，是开展水库大坝病险隐患无损探测工作取得成功的关键。

3)分析研究同类物探方法在健康大坝和病险大坝的物探异常分布特征，不同物探方法对大坝易发病险隐患的物探异常响应特征和分布规律，总结水库大坝病险探测的物探方法技术集成和地区经验，建立大坝健康状况的物探评价标准，预判超龄服役的水库大坝健康状况，快速准确地发现隐患、预报险情，是地球物理探测技术与民生工程相结合的重要应用研究方向。