高密度电阻法在堤坝渗漏检测中的应用

谌 星

（上高县水利局,江西 上高 336400）

我国堤坝修建的时间较早,堤坝运行时间较长,因此我国大部分堤坝都存在一些病害,据统计,我国存在渗漏问题的堤坝约占30%[1-2]。因堤坝修建时选用的材质往往是当地的含砂土石,具有一定的透水性,在汛期水位上涨后,坝体挡水部分会出现渗水情况,渗流面扩大甚至出现渗流破坏,严重威胁堤坝结构安全。如何快速、无损检测出渗漏通道,对于保障堤坝正常运行具有重大意义。本文采用高密度电阻法对渗漏堤坝进行探测,并使用RES2DMOD 软件对探测结果进行正演及最小二乘法RES2DINV 软件实施反演,以期较好地探测出渗漏路径,为堤坝除险加固提供依据。

1 高密度电法工作原理

高密度电阻法在堤坝探测方面已成为常用的探测方法,尤其是针对于堤坝隐患中堤坝渗漏和堤坝洞穴等的探测。在高密度电阻法的探测中,电阻率是电法中重要的物性参数[3]。堤坝内部的孔隙率的大小是影响堤坝电阻率的关键性因素,堤坝孔隙率随着堤坝内部的洞穴和裂缝的产生而随之增大,当孔隙没有水流渗漏时呈现干燥状态,电阻率变大,当孔隙出现水流渗漏时,其电阻率变小,背景电阻率就与此产生差异,这便是电法探测的前提条件。高密度电阻法在堤坝渗漏检测中与常规的电阻率法的基本原理大致相同,然而高密度电法结合电剖面法和电测探法,测点密度较常规电阻率法更高,因此也具有探测精度更高、数据采集更可靠等优点,并且能够获取地电结构的图像,从而获取更多的地质信息,从探测图像上堤防中的洞穴、裂缝、软弱层等都能够被明显地反映出来,现在的高密度电阻法已成为堤坝隐患探测的主要手段。高密度电阻率法探测系统的信号采集工作模式有串行式和并行式两种。并且根据转换开关的实际设置情况,堤坝隐患探测使用的单道分时采集系统主要分为集中式和分布式。在设计与技术实施上,高密度电法运用的电极数目较多,并且电极之间可以自由组合,以此来提供更多的地电信息[4]。高密度电法还具有很多优点,比如：通过一次性布设电极,从而减少电极设置所导致的干扰,减少误差。高密度电法能够对地电结构进行成像,从而提供更多的地质信息。高密度电法实现全自动化的数据收录、采集,从而减少人工操作,减少误差。

在高密度电法的实际探测过程中,电法的数据噪声来源较为复杂,其中包括接地不良、地形起伏、仪器杂音以及自然环境等,数据信号的信噪比以及反演自身的多解性总是受到外来噪声的干扰,从而影响图像信息的真实性,也会降低图像自动识别的能力[5]。其中,资料解释也存在一定的干扰。笔者通过工程实例,进行高密度电阻法的实际工程探测,并由此次探测效果与实际结合进行分析,通过理论与实际相结合,成为提高解释水平的有力凭证。

2 工程实例

2.1 工程概况

公明水库4 号坝在正常运行的过程中出现异常渗流量的现象,与其同时堤坝右端渗水现象明显,在坝体右端还有泉水现象的发生。通过所设量水堰所得的数据可知,大坝的渗流量出现大幅度增大的异常现象,其中在大坝右端的异常渗流量达298 m3/d,这个数值已经威胁到了大坝正常运行的安全,因此我们需要尽快获取大坝出现异常渗流现象的具体原因和发生部位,以便设计最优处理方案。

据调查,残坡积粉质黏土以及全-微风化基岩是该工程地层的主要构成,并且局部也有人工填土、淤泥、可塑状冲积粉质黏土及冲洪积层（粉土层、粉细砂、中粗砂等）等。基岩主要由花岗岩、混合花岗岩、花岗片麻岩（片麻状花岗岩）等组成,基岩整体被划分为全风化带、强风化带和弱风化带。在全风化带中,大部分为砂质黏土,且原岩基本都成土状,层厚为10.00 m～35.00 m,其呈现出弱透水性,也有中等透水性岩层出现在小部分位置。在强风化带中,原岩主要呈现半岩半土状,且通过节理裂隙的发育,在透水性方面要比全风化带的透水性要强一些。在弱风化带中,由于风化裂隙的发育,其呈现出弱透水性,且层厚为17.00 m～31.00 m。整个库区有较高的构造稳定性,小断层是坝址区的主要构造,且通过钻探发现了与大坝相交的F1 断层。该大坝坝型为黏土心墙坝,坝长1102 m,坝顶高程63.5 m,最大坝高50.7 m,坝顶宽度8 m,上下游坡比均为1∶0.5,大坝黏土防渗心墙顶宽6.0 m,并且设有砂反滤层和砂砾石过渡层在上下游坝壳之间以此来保护大坝,防治土体发生渗透破坏。通过帷幕灌浆对坝基全线强风化岩及弱风化岩进行防渗处理,并且在灌浆上部接防渗墙。

2.2 探测方案

利用高密度电法针对一个实际工程案例探测可能存在的渗漏通道时,可以选择多条测线共同测量,并根据多条测线测量结果,结合原始地质勘探资料分析出可能的渗漏通道。综合考虑坝址处地质条件,决定采用温纳装置进行探测,每个排列60 个电极,电极距5 m,最大供电电压180 V。温纳装置具有操作简便,数据易于采集的优点。总共布设2 条测线,2条测线均沿着大坝下游坝面。其中平行于坝体中部马道布设测线1,测线1 总长为1000 m,10 次滚动完成。坝脚处布设测线2,总长950 m,7 次滚动完成。具体步骤如下：

（1）选择测线时,可以布设多条测线,布设位置可以根据原始地质勘探资料进行选择,一般可以布设于坝体马道处、坝脚处。然后选择不同的探测装置进行数据采集。常用的探测装置有偶极-偶极装置、温纳装置和诗伦贝谢尔装置等。偶极-偶极装置适用于汛期或者雨季时期,堤坝处于低阻值率状态时。诗伦贝谢尔装置适用于旱期,堤坝处于高阻值率状态时。而温纳装置却没有明确的使用优势时期。

（2）取得实测数据时,通过特有的数据处理软件RE2 DINV 可以导出数据反演结果图。通过反演结果,可以大致地判断出各测线坝体部分、坝基部分和富水区。结合前期对于地质资料的收集以及多条测线的反演结果,通过所得的反演图像可以对低阻异常体进行追踪分析,由此推断可能产生的渗漏通道。

2.3 探测过程

根据测线1 第二个排列的实测数据,可以直接从仪器中导出视电阻率拟断面,见图1。将高密度电法中所得的实测数据导入RE2 DINV 软件中。该软件采用阻尼最小二乘法,可以有效地计算出检测点的电阻率数据,通过多次的迭代和拟合使得计算出的数据接近真实测出的数据,最后得出最可靠的反演数据。测线1 第二个排列实测数据所得反演结果,见图2。

图1 测线1 第二排列视电阻率图

图2 测线1 第二排列实测数据反演结果图

运用同种方法,测线2 第二排列的视电阻率图和实测数据反演图也可通过相同的方式导出。

结合图1 可以看出100 m～150 m 处点位下方出现低阻异常点,相反的是在靠近地表位置的视电阻率明显偏高,通过查阅相关资料对此情况进行分析,能够推断出坝体在图2 中水平黑色虚线的上方,坝体整体视电阻率均在80 Ω·m 以上。与此可知坝基为图2 水平黑色虚线下方,坝基上部岩层的视电阻率变小是由于地下水的侵入,且剖面平距110 m～140 m、深度约20 m～30 m 处视电阻率极其偏低,小于80 Ω·m,可推断为富水区。

根据两个不同测线位置所获取的高密度电法数据及其反演结果进行分析,再以现有的实际工程地质勘探作为依据,能够推断出渗流通道已经形成,其具体部位在断层F1 破碎带形成渗流通道,见图3。具体形成原因是随着大坝库区水位的提高,水压力随之增大,并且对破碎带不断地进行侵蚀,并最终形成渗漏通道,并且水流在灌浆帷幕下部沿着断层破碎带渗出,这与低视电阻率异常区域较为吻合。

图3 双测线结果推论

3 结语

高密度电法拥有比传统探测方法检测精度更高、测试速度更快、操作更简便的优势,在大坝检测中可以快速地获得可靠数据,并且可以将数据快速整理,将所获得的地质信息绘制成直观性更强的图形,以此帮助工作人员及时的发现问题,并且进一步分析出大坝渗漏原因,并且以此为根据及时提出有效的解决方案,为大坝解决渗漏问题,维护大坝安全,保证大坝能够安全、稳定地运行。

综合分析高密度电法反演视电阻率剖面图和现场查勘情况,本次探测较好揭示了坝体各层介质视电阻率的分布情况,符合土坝在深度方向的变化规律,准确检测到了已知渗漏区的分布位置,验证了高密度电法在土坝渗漏探测中的可行性,体现了高密度电法在大坝坝肩渗漏探测中的优势,具有检测精度高、效率高、对渗漏低阻的敏感性高、数据可靠度高、结果呈现直观性好的优点。