高密度电阻率法和被动源面波法在水库堤坝隐患辨识中的应用

2022-05-30李兆锋杨宏智钟楚峰

能源与环保 2022年5期

李兆锋，杨宏智，魏杰，钟楚峰

(1.长江地球物理探测(武汉)有限公司，湖北武汉 430010； 2.山东省物化探勘查院，山东济南 250013)

近年来，愈多的中小型水库在人民生活生产中发挥着越来越重要的作用，但随着运行年限增长，也显现出不少安全隐患，如坝体坝基堤防等不同部位的变形、渗漏、管涌、空洞、裂缝、滑坡、库底淤积严重等，一些隐患已经发展成威胁水库安全运行的严重病害，其中最为典型的是大坝堤防渗漏问题。为了有效探测大坝堤防隐患或病害，国内已经开展很多相关隐患探测技术研究工作，在多种探测方法的研究上也取得了良好的应用效果。如高密度电法[1]、地质雷达法[2]、浅层地震反射波法、瞬变电磁法等方法均为重要的堤防隐患探测技术方法，不同方法的组合应用能有效探测不同典型隐患类型。刘润泽等[3]提出将时间推移勘探技术用于堤防隐患探测的新思路；李文忠等[4]开展了堤防隐患时移高密度电法探测技术的研究，并在长江干堤堤防监测中得到了较好的应用。

本文所介绍的实例是将高密度电法和被动源面波法2种隐患辨识方法、以时间推移的勘探方式，应用于平原水库堤坝隐患探测工作中，查明水库堤坝渗漏原因及部位，为后续隐患处理、除险加固提供重要依据。

1 方法技术

1.1 高密度电阻率法

高密度电阻率法实质是一种直流电阻率法(图1)，是将常规电测深法和电剖面法的跑极方式使用仪器自动控制的野外组合阵列勘探方式。外业时根据探测目标的位置和大小，将一定数量的电极按需要的电极距布置在设计测线上，电极布设后选择所需装置进行自动扫描数据采集，通过高密度反演软件对视电阻率剖面数据进行处理和反演，最终获取目标测线下地层电性分布断面，具有自动化、高效化和智能化的特点。高密度电法温纳装置测点分布如图2所示。

图1 2个异性点电流源电场分布Fig.1 Electric field distribution of two anisotropic point current sources

图2 高密度电法温纳装置跑极示意Fig.2 Pole running mode of Wenner array of high-density resistivity method

1.2 被动源面波法

被动源面波法，系基于天然被动源的地震面波探测方法，优点是成本低、布设简单、采集速度快、无环境破坏。该方法利用的是地表附近一直存在的各种天然的或人为产生的震动，特别是其中能量占比超70%的面波[5]，通过采集一定时间长度的震动信号、使用ESPAC法从信号中提取面波频散特征曲线，再对频散曲线进行反演获取视横波速度—深度剖面，通过地下介质视横波速度变化信息从而推定地层结构特征。由于ESPAC法在用第一类零阶Bessel函数进行拟合时，是通过空间自相关系数与台阵关系进行拟合获取频散曲线[6]，所以该法适用于常规圆形台阵(图3)和L形台阵、直线形台阵等非圆形台阵(图4)，具有较好的方法适用性。

图3 圆形台阵Fig.3 Circular array

图4 非圆形台阵Fig.4 Noncircular array

2 应用实例

2.1 工程地质概况

某平原水库坝基主要由第三系卞桥组二段泥岩、泥灰岩、砂岩及三段泥岩、角砾岩、第四系中更新统残坡积山前组的黏土和壤土、全新统冲洪积临沂组的壤土和沙壤土及沂河组的沙壤土和砾质粗砂。坝址区内无活动断层穿过坝体。渗漏区域附近坝体呈扁折线型，测区段坝体为近东西向，为均质土坝，坝前表层为干砌石护坡，坝后区为草皮护坡。

坝体中的壤土为均质土料，具极微—弱透水性，砂壤土大部分不符合均质土料要求，具弱透水性。坝基由上至下主要为砾质粗砂、沙壤土、砾质黏土、角砾岩、泥灰岩和泥岩，其中砂壤土和砾质粗砂具有中等—强透水性，泥灰岩岩溶一般发育，具中等透水性，但岩层倾向库内，倾向大致为北东向35°。坝后约200 m树林中常年有水量较大的地下泉水冒出，坝后约100 m树林中常年有2个水量较小的渗水点形成小溪流。

2.2 采集设备

高密度电法勘探采用自主研发的MD-12堤防隐患智能探测系统。该系统是一款创新的多通道全数字化电阻率和激电成像电法系统。系统采用独特的集中分段式布线模式，布线灵活高效，内设丰富的装置并可进行脚本自定义编辑，支持2个装置同时测量，最大发射电压可达1 200 V，电流精度优于0.1%。主机可对电阻率断面数据进行多维显示，丰富的功能可在现场发现并解决所有问题。

被动源面波法采用SmartSolo智能地震传感器，该传感器以专为单点接收应用而设计的高灵敏度地震检波器DT-SOLO为核心，融合物联网时代的电子和软件技术，形成可在任何恶劣环境下获取高保真高质量的地震波信号、准确的数据时间及位置、结构简单但智能可靠的传感器。该智能传感器在野外无任何外部连接器，体积小，内置用于高精度定位与时间同步的GPS模块和智能无线闪存，连续工作模式下续航时间长达25 d，真正实现在任何恶劣环境下开展长周期、高保真度、高分辨率、高信噪比的被动源面波数据采集。

2.3 工作布置

根据水库坝体特征与渗漏点位置，在坝体下游草皮护坡坝顶、坝腰和坝脚上布置3条探测剖面。高密度电法剖面沿测线每次布设120道电极，电极间距1.0 m，采用温纳装置和施伦贝谢装置进行剖面探。被动源面波法使用36个传感器，在经过一致性试验和线圆型试验可用后，沿测线布设36个传感器，间距1 m，布置成直线形台阵，记录时长30 min，采样间隔2 ms，每个测点使用其中25个相邻传感器组成并进行线性滚动测量。隐患探测工作3条坝体探测剖面在八月份丰水期和一月份枯水期2个时段开展了时移探测工作，通过2期探测数据比对分析异常的发展变化，更准确可靠地捕捉可能隐患的分布和发展规律。

2.4 资料分析

根据测区坝顶钻孔揭露，自上而下的地层岩性大致分别为粉细砂与黏土、砂壤土与壤土、含砾粗砂、黏土及泥岩。坝后坝顶WT1和坝脚WT3两条剖面高密度电法和被动源面波法的丰水期和枯水期两期探测成果如图5所示，由于防洪库容调节的需要，枯水期水库水位较丰水期高1 m。由图5可见，2条测线2期等值线变化趋势及幅值变化总体相近；测线WT1中部相对高阻呈平缓层状结构，深部为相对低阻层，反映坝顶下方坝体填筑较均匀平整；坝脚WT3上部相对高阻呈平缓层状结构，深部亦为相对低阻层，在桩号K0+580～K0+600m、高程+144～+137 m附近见一低阻异常区，在枯水期范围略有扩大。由图6被动源面波法2期探测成果可见，坝体由上至下视横波波速呈层状结构并逐渐升高，深部坝基视横波波速大于400 m/s。坝顶WT1剖面在桩号K0+590～K0+610 m、高程+145～+133 m附近为下凹低速区域，枯水期较丰水期区域范围有所扩大，但波速略有提高；坝脚WT3剖面在桩号K0+580～K0+600 m、高程+142～+135 m附近为下凹低速区域，枯水期较丰水期区域范围有所变化且波速略有下降。2条测线高密度电法和被动源面波法的丰水期和枯水期探测成果结合分析，坝顶测线WT1在桩号K0+580～K0+610 m、高程+145～+133 m附近圈定低速、相对低阻异常，其在枯水期异常范围略有扩大，推断为坝基含砾粗砂层、黏土层和泥岩局部松散破碎，且黏土层视电阻率为相对低阻，推断该层含水较丰富；浅部黏土层粉砂层和砂壤土层视电阻率和视横波速度成层性较好，推断结构较完好。坝脚测线WT3在桩号K0+580～K0+600 m、高程+142～+135 m附近圈定低阻低速异常，其在枯水期异常范围略有扩大，推断为黏土层局部松散破碎，且黏土层和泥岩视电阻率为相对低阻，推断该层含水较丰富。