高密度电法在大型输水箱涵渗漏探测中的应用

汤克轩 刘栋臣 刘康和

大型输水箱涵是跨区域引调水的重要措施，具有保护水质、少占耕地、冬季防冻等优点[1]。随着箱涵运行时间的推移，受温度变化、电化学腐蚀、地基不均匀沉降等因素的影响，箱涵体结构可能发生变化，导致渗漏水，在混凝土箱涵热伸缩缝处尤为显著[2]。

无损探测技术是水利水电工程建筑物渗漏探测的重要手段[3-6]，主要用于查明土石坝、围堰、防渗墙等拦阻水建筑物渗漏点位置和渗漏水程度[7-9]。将无损探测技术应用于箱涵渗漏探测比较少见，一方面因为国内大型输水、排水箱涵工程兴起于20世纪70年代，起步较晚，严重的工程渗漏问题初步显现；另一方面，输水箱涵有其独特的性质，大部分埋深浅，受地表干湿环境影响大，延伸长，沿线地层结构、水文地质条件复杂多变，渗漏点一般影响范围小，背景场影响大，诸多因素影响着箱涵渗漏探测的解释精度和准确性。

2017年以来，水利部实行“水利工程补短板，水利行业强监管”的治水方针。为对某大型跨区域调水工程进行质量检查和渗漏隐患排查，开展了以高密度电法为主的无损探测工作。

1 箱涵结构及地质概况

1.1 箱涵结构

箱涵设计为3孔4.4 m×4.4 m现浇钢筋混凝土结构，外观尺寸（宽×高）15.2 m×5.6 m；除底板厚0.65 m、相邻孔间混凝土厚0.45 m外，其它各壁厚0.55 m；底板下部有0.10 m厚的素混凝土垫层。箱涵结构断面如图1所示。

图1 试验段箱涵结构断面示意图

箱涵顶面埋深不等，上覆土层厚度一般为2.0~4.0 m，地表与原地面持平。试验段箱涵纵向每隔12～15 m划分一段，段间设置防热变形伸缩缝，缝宽2~3 cm，缝间止水主要采用中埋式复合型遇水膨胀橡胶止水带，填缝材料采用聚乙烯闭孔泡沫塑料板。

1.2 地质概况

试验区地貌特征主要为堆积平原及河流冲击扇。探测深度15 m范围内主要为第四系全新统松散堆积物，岩性主要为壤土或砂壤土，箱涵上覆土和两侧土为回填土。测区地下水位，均位于箱涵底板以下。

2 方法原理及工作布置

2.1 方法原理

高密度电法是电测深与电剖面方法的组合，观测点密度高，可以同时探测水平和垂直方向上的电性变化。高密度电法的探测深度随供电电极距的增大而增大。本次高密度电法测试采用温纳装置，根据本工程测试目的、精度、深度和时间要求及场地条件，基本电极距以1 m为主，部分测段选用3 m极距，单一排列采用130～260根电极，分布式滚动测量。

试验段内地层结构较均匀，影响其电阻率值的主要因素为含水量，含水量越高电阻率越小，此即为探测及资料分析的前提。

2.2 工作布置

在箱涵两侧沿箱涵走向布置4条高密度电法测线，其中位于箱涵左侧（面向箱涵下游左手边）且距离箱涵边沿2.5、1.0 m的测线编号分别为W1、W2，而位于箱涵右侧且距离箱涵边沿1.0、2.5 m的测线编号分别为W3、W4。在部分典型异常区域，布置垂直箱涵走向测线命名为H1，在箱涵中心线上布置测线，命名为L1。

根据高密度电法试验结果，对测试部位土体的含水特征进行预判，在箱涵两侧选择典型位置11处，采用“洛阳铲”进行取土验证。

3 测试成果

3.1 桩号探测成果

测试区域内典型电阻率剖面如图2所示。

图2 XW64+008—XW64+369段测线电阻率剖面图

W1-1、W2-1、W3-1、W4-1分别为该段距离箱涵左侧边沿2.5、1.0 m，距离箱涵右侧边沿1.0、2.5 m处高密度电法测量成果，基本电极距1 m。

由图2可知，测试深度范围内地层在垂向上呈现3层电性结构（ρ1＞ρ2＜ρ3），横向上低阻区域呈团块状近似等间距发育，相邻低阻区域被近似直立的较高阻脉状条带分隔，条带中心距离约15 m。

第一层视电阻率介于26.3～145.1Ω·m，层厚度为1.7～5.7 m，推测为较干燥或含水量较低的回填土；第二层视电阻率介于1.7～26.3Ω·m，底界面深度主要为8.6～12.0 m，推测为较潮湿或含水率相对较高的回填土、垫层及垫层周围土层；第三层视电阻率介于5.2～145.1Ω·m，为垫层下方土层。

推测该段左侧桩号64+026—64+050、64+091附近、64+121附近，右侧64+025—64+049、64+088—64+124、64+146—64+247接缝处渗水的概率较其它区域大。左侧桩号64+110及左侧64+095附近的低阻异常，不排除底板渗漏的可能性。

3.2 桩号XW65+530—XW65+933段

该测段电阻率剖面如图3所示。

图3 XW65+530—XW65+933段测线电阻率剖面图

W1-2、W4-4分布为该段箱涵左、右侧距离边沿2.5 m测量成果，基本电极距1 m。

由图3可知，地层在垂向上呈现3层电性结构（ρ1＞ρ2＜ρ3）：第一层视电阻率介于26.3～145.2Ω·m，层厚度为1.5～5.3 m，推测为较干燥或含水量较低的回填土，部分测段位于麦地，受春灌影响，浅表高阻层较薄；第二层视电阻率介于2.4～26.3Ω·m，该层底界面深度为11.1～12.2 m，推测为较潮湿或含水量相对较高的回填土、垫层及垫层周围土层；第三层视电阻率介于9.3～98.3Ω·m，为垫层下方土层。根据电阻率大小和色谱分布规律，左侧在桩号65+664—65+688、65+760、65+820等附近推测存在渗水可能性，右侧在桩号65+557—65+581、65+617—65+655、65+700、65+861等附近地层富水地层相对较大。

3.3 钻孔验证

选取11处典型电阻率异常区实施钻探验证，验证位置地表环境各异，有空地、树林、麦地等，其电阻率大小和分布也各有不同（详见表1）。

表1 钻探验证统计表

从表1可知，在11个验证钻孔中，10处高密度成果预测土层含水量及变化规律与钻孔揭示结果相吻合，探测精度达到90.91%，1个钻孔与探测成果有出入，原因可能为测量里程偏差。

4 成果分析

4.1 背景场影响分析

图4和图5分别为典型段箱涵中心线、距箱涵边沿2.5 m处高密度电法测试成果。

图4 箱涵中心线（L1测线）电阻率剖面图

图5 箱涵左侧2.5 m平行箱涵电阻率剖面图

从图4可知，箱涵中心线的电性结构是不均匀的，低阻带的分布大致呈团块状，团块之间为高阻条带，而且高阻条带的间距约12 m和15 m，在桩号和距离上与箱涵的热变形伸缩缝相对应。所以，可以确定箱涵走向上地层电性结构受箱涵结构影响是不连续的，伸缩缝（及其测试电性影响带）电阻率大于100Ω·m。

从图5可知，偏离箱涵边沿2.5 m测试，高密度电阻率剖面图的低阻分布依旧表现为团块状，且被条带状的高阻异常阻隔，条带中心与伸缩缝位置一致。所以，尽管偏离箱涵边沿一段距离，伸缩缝及箱涵内水体对高密度电阻率剖面图电性分布的影响仍不能忽视。

除背景场影响外，由于测试时间为夏季，边墙内水体和外部土体存在一定的温度差，水蒸气在温差界面冷凝浸湿土层，对测试结果也有一定影响。

4.2 测线与箱涵边墙距离对测试成果的影响分析

典型测段原状地层和箱涵边沿地层的电性结构对比分析见表2，箱涵边墙及箱涵内水体对测试结果影响明显（接近50%），且测线距离箱涵边墙越近，受箱涵边界效应影响越大，异常越容易被掩盖，不利于渗漏分析；但距离箱涵边墙太远，由于渗漏影响范围有限，土体含水量降低，可能无法观测到渗漏特征。典型测试对比剖面如图6所示。

图6 距箱涵边沿不同距离电阻率剖面对比图

表2 原状地层和箱涵边沿地层电性结构对比表

依据试验成果结合以往工程经验综合考虑，测线距箱涵边墙的最佳的测试距离应为1.0～3.0 m。

4.3 土体含水量与电阻率关系分析

箱涵混凝土结构、箱涵内水体都可以近似看成均匀介质，箱涵伸缩缝的分布也是有规律的，所以箱涵对电阻率测试的影响是有规律可循的，可以近似把这些干扰因素看成沿箱涵走向均匀分布的背景异常。在背景电阻率基础上出现的电阻率差异是判断地层含水量的直观信息。

图7为桩号65+635.5处垂直箱涵走向电性剖面（编号为H1），电阻率剖面图上能够较清晰地刻画箱涵的位置、大小和性状，箱涵内水体电阻率1.0～9.5Ω·m。在不渗水的假设前提下，箱涵周边回填土视电阻率10～40Ω·m，箱涵垫层正下方土体表现为相对高阻，视电阻率37～335Ω·m，垫层以下两侧土体，表现为相对低阻，视电阻率4.5～13.3Ω·m，这种差异产生的原因可能是：箱涵正下方土体受挤压，水分和可溶盐向两侧运移。所以，对于低阻异常的分析，还应留意异常带深度、范围及电阻率大小，充分考虑垫层以下地层受力不均匀对土体电性参数的影响。

图7 垂直箱涵测线（H1）电阻率剖面图

受工期等因素制约，本次试验所取土样没有实验室内测定等含水量，而是定性描述新鲜土样的表观含水量。结合本次试验成果和钻孔验证结果，测区土层视电阻率和表观含水量对应关系见表3。

表3 钻孔揭示土样表观含水量与电阻率关系

5 结语

（1）箱涵渗漏相对明显的位置主要分布在箱涵两侧的接缝位置，其渗漏影响带宽度一般小于5 m，深度一般为5.0～8.2 m，且渗漏点分布无明显规律。根据钻孔验证情况，饱水土体主要集中在孔深6.5～8.4 m范围内，试验段暂未发现大范围集水涌水现象，推测异常段以接缝渗水为主，且渗出的水受重力作用向下运移被垫层阻隔，容易在垫层上方聚集。不排除个别地方存在底板渗漏或渗水浸透垫层的可能性。

（2）高密度电法对输水箱涵进行渗漏探测是行之有效的。尽管探测时存在一定的干扰因素，但主要的干扰因素有规可循，只要掌握其影响机理，在背景干扰异常的基础上有效甄别，即可获得较好的探测效果。

（3）探测时测线与箱涵边墙的最佳距离宜控制在1.0～3.0 m范围内。

（4）通过钻孔对高密度测试所揭示的低阻异常区进行标定，可推测土层的富水性，进而评价箱涵渗漏情况。