地球物理方法在某水库坝体隐患探测中的应用研究

孙礼钊

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434)

1 前 言

水库是一种十分重要的水利工程，具有供水、防洪、灌溉、养殖等多方面的效益。我国9万多座水库95%以上采用土石坝，不少坝体存在严重隐患，包括洞穴、土体疏松带、裂缝、渗漏、滑坡等[1～2]，每逢汛期可能演变为险情，危及下游居民生命财产安全。因此，早发现坝体隐患并采取相应治理措施具有重要意义。

我国坝体隐患探测技术始于20世纪80年代，90年代后国家设立科技攻关课题、举办学术研讨会等，有力地推动了坝体隐患探测技术的发展[3～4]。地球物理方法具有快速检查、连续扫描、无损、成本低的特点，有效地弥补了传统钻孔取芯、开挖取样方法费时费力、破坏程度大等缺陷，因此得到越来越广泛的应用。目前物探技术还没完全适用于堤坝隐患探测，方法和仪器在分辨率、可靠性等方面还需要进一步研究。本文以某水库为例，探讨物探技术在坝体隐患探查中的应用。

某水库采用土石坝，始建于20世纪50年代，开始为低矮拦水坝，其后经过多次加高加厚。由于建坝时期的特殊性，坝体没有做过完善的选址工作，施工过程中经常遇到停工、人员变动等问题，运行中缺乏有效的管理与监督，目前该水库坝体出现工程质量问题。故查明隐患位置、分析其原因等问题亟须解决，为坝体治理提供依据。笔者分析坝体介质物性特征，采用瑞雷波法、高密度电阻率法、地质雷达法三种方法综合应用查找坝体隐患，取得良好应用效果。

2 工程概况及地球物理特征

2.1 工程概况

某水库所在河流发源于凤阳山麓，地处江淮分水岭北侧，集水面 42.4 km2，来水区大部分为丘陵区。水库设计洪水标准为50年一遇，洪水位 72.7 m，库容 1 950万m3。坝体全长 1 740 m，坝顶宽度 5.0 m，最大坝高 18.2 m；坝体迎水坡采用干砌块石护坡，坡比1∶2.5；背水坡采用草皮护坡并设有 4.0 m宽平台，平台以上坡比为1∶2.5，以下坡度1∶3。

钻孔资料显示：坝顶有碎石路面厚 0.3 m，碎石粒径 1 cm～15 cm，呈棱角状。坝身填土深度为坝顶以下 9.80 m～13.30 m不等，主要由灰黄色、黄褐色黏性土组成，湿，可塑，局部为软塑，含少量铁锰质斑点，土色及土质不均匀，含水率高，结构疏松。局部深度 2.0 m以上见有少量水泥团粒，粒径 0.2 cm～0.5 cm；6.8～7.5m含粉细砂，土体密实度差。孔深 8.6 m以下坝身土体结构变密实。9.8 m～20.0 m为坝基土，黄褐色粉质黏土、黏土，湿，硬塑，含大量铁锰质斑，土体结构密实，未钻穿。图1为工程地质剖面图。

2.2 地球物理特征

坝体土质主要为黏性土，坝身与坝基土体结构密实度不同。坝体内部出现隐患(如空洞、裂缝等)时，在地层中形成一个小规模的空间，其与周围土体存在明显的弹性性质 (波速) 差异。当隐患在水位面以上

图1 工程地质剖面图

时，其充填的空气电阻率大于周围土体电阻率、介电常数小于土体介电常数，隐患表现为高阻～低介电常数特征；当隐患在水位面以下时，其充填的河水电阻率小于周围土体电阻率、介电常数大于土体介电常数，隐患表现为低阻～高介电常数特征[5～6]。表1为坝体不同介质的物性参数表。

坝体正常介质与隐患之间的弹性、电阻率、介电常数差异为采用地球物理方法探测坝体隐患提供了良好的前提条件，拟采用瑞雷波法、高密度电阻率法、地质雷达法进行综合探测。

堤身不同介质物性参数表 表1

3 野外施工方法

3.1 瑞雷波法

图2 瞬态瑞雷波法数据采集示意图

图2为瞬态瑞雷波勘探数据采集示意图，本次瑞雷波法采用锤击激振方式，24道接收，4 Hz检波器，偏移距 10.0 m。

3.2 高密度电阻率法

高密度电阻率法与常规电阻率法原理相同，随着科技进步，发展成为一种阵列式电阻率测量方法，它将电阻率法与计算机数字技术结合，集电剖面和电测深于一体，采用高密度布点，进行二维地电断面的测量，既能揭示地下某一深度水平岩性的变化，又能提供岩性沿纵向的变化情况[7～8]。

本次电阻率数据采集选择温纳装置，电极距 2.0 m，最大隔离系数16层，供电电压 200 V。

温纳装置(如图3所示)：测量时，AM=MN=NB为一个电极间距，A、B、M、N逐点同时向右移动，得到第一条剖面线；接着AM、MN、NB增大一个电极间距，A、B、M、N逐点同时向右移动，得到另一条剖面线；这样不断扫描测量下去，得到倒梯形断面。

图3 温纳装置测量方式图

3.3 地质雷达法

地质雷达法是一种运用电磁波传播理论来进行勘探的地球物理方法，探测时由发射机向地下介质发射高频(107 Hz～ 109 Hz)短脉冲电磁波，电磁波在介质中传播时，主要受到介质的相对介电常数的变化，发生类似光学的反射和折射，反射的强弱与介质常数直接有关。

常见岩土介质一般为非磁性介质，相邻介质的相对介电常数ε有差异时，其电磁波阻抗η也存在差异，用电磁波反射系数R表示这种差异：

式中：ε1、ε2分别为上、下介质的相对介电常数；

η1、η2分别为上、下介质的波阻抗。

当R达到一定值时，入射到该介质分界面上的电磁波会发生反射，形成发射波。发射天线与接收天线以固定的间距同时沿测线移动时，可以得到反映测线下不同介质界面分布情况的地质雷达图像。根据接收到地质雷达波形、强度、双程传播时间等，经过数据处理，可得到各测线下隐蔽目标物的分布情况。

本次采用美国SIR-20型地质雷达，天线主频为 70 MHz，时窗为 600 ns，采样点为 1 024点/道。

3.4 方法分析

各种地球物理方法有着自身的优缺点和适应性，根据异常体的特性选择合理的方法，才能达到有效勘探的目的。①高密度电阻率法基于地层电性差异，且对低阻目标体反应灵敏；坝体隐患常在水的作用下发生，水的导电性较周围土体好得多，其在地电断面中表现明显；故高密度电阻率法适合坝体隐患普查及安全预报工作。②瑞雷波法基于地层弹性差异，土体瑞雷波速度为剪切波速度的0.91倍～0.98倍，而土体的剪切波速度是评价岩土体强度的重要指标；当地层存在软弱夹层时易激发产生高模式瑞雷波，多模式瑞雷波频散能量谱中，高模式波占主导地位，叠加频散曲线会出现明显“之”字形回折现象[9～11]，故瑞雷波法适应于坝体软弱层或疏松土体探测。③地质雷达法采用高频电磁波，其分辨率优于其他方法，但是考虑到水库坝区地下水位较高，高频信号衰减迅速，难以达到探测深部异常体的目的，故地质雷达法适合坝体浅部隐患的详查[12]。

4 成果分析

4.1 测线布置

根据工区实际情况，在某水库坝顶中心位置布设高密度电阻率法与瑞雷波法测线，起点桩号0+000，终点桩号0+120；另外根据此两种方法的探测结果在0+060～0+110段补充地质雷达法，对异常部位进行详查。图4为物探测线布置示意图。

图4 物探测线布置示意图

4.2 高密度电阻率法分析

高密度电阻率法数据处理包括：坏点剔除、滤波、网格化以及最小二乘法二维反演，最终得到电阻率等值线断面图，如图5所示。

坝身土体电阻率纵向上整体呈现出上低下高的电性特征；横向上，深度 1.0 m以上地层电阻率变化复杂，呈高低相间展布，推测坝顶碎石路面及路基引起浅部地层电性不均匀。深度 3.0 m～8.7 m段，电阻率呈现低～高～低～高～低相间展布特征，共圈出3处低阻异常部位，分别为桩号0+014～0+022、桩号0+058～0+064、桩号0+078～0+096；前两处异常具有封闭性特征，为可能存在的含水空洞，易演变为坝体渗漏通道；第三处异常与地表连通，呈条带状，推测为坝身裂缝，为潜在的滑动面，异常坝顶位置与已知裂缝吻合。深度 8.7 m以下部位，电阻率较高，推测为坝基土，未见明显异常。

图5 电阻率等值线断面图

4.3 瑞雷波法分析

瑞雷波法数据处理包括：坏道剔除、滤波、计算频散谱、提取频散曲线等。选取两道典型的频散曲线(图6)进行分析，该两道排列记录点分别位于桩号0+036、0+084处。

从图6中可以看出，0.0 m～1.0 m段未能提取频散曲线，表明该段为瑞雷波法探测盲区；1.0 m～8.0 m段瑞雷波速介于 120.0 m/s～ 150.0 m/s之间，在 3.0 m～5.0 m出现相对低速区，推测该段为坝身填筑土，上部土体在外来压力(行车，等)作用下被压实，下部土体未被扰动，形成上密下疏的结构特征；8.5 m以下地层瑞雷波速大于 160.0 m/s，且随深度增大，波速逐渐增大，推测该段为坝基土，在上覆土体应力作用下，结构越来越密实。桩号0+084处在 2.0 m～4.0 m段波速明显增大，频散曲线出现“之”型特征，此时高阶面波占主导地位，推测为坝身土体疏松部位。

图6 典型频散曲线图

4.4 地质雷达法分析

地质雷达法数据处理包括：时间零点校正、滤波、距离归一化、振幅均衡等，最终得到地质雷达时间剖面图(图7)。

深度1.5 m以上，雷达波同相轴连续；1.5 m～8.5 m段，剖面中多次反射波较强，持续时间长，侧向散射不明显，具有局部孤立的特点，推测该反射信号由坝身土质不均匀导致介电常数存在差异所引起，这些异常现象在瑞雷波法、高密度电阻率法成果中均未有明显表现，体现了地质雷达分辨率高的特点；桩号0+074～0+095段深度 3.0 m～7.0 m，反射波同相轴连续性较好，呈约30°倾斜展布，推测为堤身裂缝，与高密度电阻率法异常结果相符。

图7 地质雷达时间剖面图

5 结 论

综合三种地球物理方法的解释成果及钻孔资料可知：某水库桩号0+000～0+120段深度约 8.5 m以下部位土体结构密实，推测为坝基土，未见明显异常；虽然钻孔资料揭示 8.6 m～ 9.8 m段仍为坝身土体，但其土体结构变密实，在物探成果中不能与坝基土明显区分。 8.5 m以上部位为坝身填筑土，土体不均匀，具有上密下疏的结构特征；在桩号0+014～0+022、桩号0+058～0+064、桩号0+078～0+096共圈出3处异常部位，前两处推测为可能存在的含水空洞，易演变为渗漏通道，第三处异常与地表连通，呈条带状，推测为坝身裂缝，为潜在的滑动面，异常坝顶位置与已知裂缝吻合。

6 结 语

瑞雷波法、高密度电阻率法、地质雷达法三种方法综合应用探测某水库隐患，取得良好的实际应用效果，得到以下结论：

(1)某水库坝体隐患部位较正常土体电阻率低，介电常数大，表现出低阻～高介电常数异常特征；高阶瑞雷波占主导地位，频散曲线出现“之”字形回折现象。

(2)某水库坝体地电断面中含水空洞呈封闭性低阻异常，坝身裂缝呈低阻异常与地表连通的条带状。

(3)高密度电阻率法适合坝体隐患普查及安全预报工作，瑞雷波法适应于坝体软弱层或疏松土体探测，地质雷达法适合坝体浅部隐患详查。

(4)利用合理的地球物理方法探测坝体隐患效果明显，且具有方便、快捷、无损的特点；多种方法综合应用可以消除单一方法的多解性，得出较合理的解释结果。