高密度電法在土壩浸潤(rùn)線探測(cè)中的應(yīng)用

周 楊，陳紅衛(wèi)

（1.河海大學(xué) 水利水電工程學(xué)院，江蘇 南京210098；2.黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州450003；3.水利部 堤防安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州450003）

0 引言

水庫(kù)是防洪工程體系的重要組成部分，是防御洪水的最后屏障，截止2010年底，全國(guó)已建成各類型水庫(kù)87 873座［1］，其中大部分建于上世紀(jì)50—70年代，限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)條件，許多水庫(kù)的質(zhì)量和建設(shè)水平都不是太高，大部分是小型壩，小型壩中90%以上是土石壩.根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料，病險(xiǎn)水庫(kù)的數(shù)量過(guò)半，達(dá)到4萬(wàn)多座.從1954年有潰壩記錄以來(lái)，全國(guó)共發(fā)生潰壩水庫(kù)3 515座，其中小型水庫(kù)占98.8%.經(jīng)過(guò)數(shù)次專項(xiàng)治理，計(jì)劃于2015年末，由國(guó)家集中力量進(jìn)行的除險(xiǎn)加固工程將全部完成，中國(guó)將基本消滅病險(xiǎn)水庫(kù)［2］.目前，病險(xiǎn)水庫(kù)的安全隱患還依然存在.

浸潤(rùn)線是壩體橫剖面上穩(wěn)定滲流的自由水面線（或滲流頂面線）.水體在壩體、壩肩和壩基土中受重力作用總是由高處向低處滲透流動(dòng)，由于滲流受到土粒的阻力，浸潤(rùn)線就產(chǎn)生水力坡降，水力坡降越大，對(duì)土粒的壓力就越大，超過(guò)臨界值后將使土體產(chǎn)生流土、管涌等變形破壞.因此掌握浸潤(rùn)線的變化情況，對(duì)判斷工程滲透穩(wěn)定、滑坡穩(wěn)定、抗震液化安全等有重要作用.

浸潤(rùn)線位置受到材料滲透系數(shù)、上下游水位、上下游坡度、降雨量等多種因素的影響，很難通過(guò)理論計(jì)算的方法確定，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)法是獲得壩內(nèi)實(shí)際浸潤(rùn)線位置的重要方法之一.

1 現(xiàn)有浸潤(rùn)線觀測(cè)技術(shù)

壩體浸潤(rùn)線的觀測(cè)常用的方法是選擇能反映主要滲流情況的橫斷面，或預(yù)計(jì)有可能出現(xiàn)異常滲流的橫斷面作為觀測(cè)斷面，埋設(shè)適當(dāng)數(shù)量的測(cè)壓管，通過(guò)人工測(cè)量測(cè)壓管中水位來(lái)獲得浸潤(rùn)線的高低；或利用孔隙水壓力傳感器組建自動(dòng)化、實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，傳感器的類型主要有振弦式孔壓傳感器、光纖滲壓傳感器，這些都是通過(guò)測(cè)定孔隙水壓力進(jìn)而求得浸潤(rùn)線.

浸潤(rùn)線的人工觀測(cè)和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，都需要在壩頂部、坡面上進(jìn)行大量的鉆孔施工，監(jiān)測(cè)斷面數(shù)量有限；每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)一般是3～5個(gè)，數(shù)量有限，而且經(jīng)常有測(cè)壓管因銹蝕或淤堵而不能正常工作的情況發(fā)生.緊急情況時(shí)，對(duì)于沒(méi)有建立觀測(cè)系統(tǒng)的大壩無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速布置.因此，需要尋找一種快速無(wú)損的探測(cè)方法，以準(zhǔn)確及時(shí)地提供浸潤(rùn)線資料.

2 高密度電法探測(cè)技術(shù)［3－6］

3 應(yīng)用實(shí)例［7］

高密度電阻率法是一種以巖土體導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)的一類陣列勘探方法，研究在人工施加電場(chǎng)的作用下地層中的傳導(dǎo)電流以達(dá)到解決各類地質(zhì)問(wèn)題的目的.當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)間電阻率存在較大差異時(shí)，人工施加電場(chǎng)作用下的傳導(dǎo)電流的分布會(huì)因電阻率的高低而分布有疏有密，傳導(dǎo)電流的分布與地下介質(zhì)（土性、裂縫、孔洞等）的性質(zhì)、大小、埋深等賦存狀態(tài)各因素有著密切的關(guān)系.因此從探測(cè)到的傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律可以分析地下電阻率在不同區(qū)域間的變化，從而可以反演推測(cè)地下的地質(zhì)情況，尤其是地下裂縫、孔洞、松散帶等不良地質(zhì)體的發(fā)育情況.高密度電阻率法進(jìn)行二維地電斷面測(cè)量，兼具剖面法與測(cè)深法的功能，有點(diǎn)距小、采樣密度高的特點(diǎn)，在堤壩隱患探測(cè)方面得以廣泛應(yīng)用.在高密度電阻率法的成果圖中，高阻異常一般對(duì)應(yīng)裂縫、松散體、石塊、沒(méi)過(guò)水的引水涵洞等，低阻異常一般對(duì)應(yīng)滲漏通道、相對(duì)高含水地層等.

3.1 工程概況

九龍水庫(kù)位于河南省信陽(yáng)市羅山縣潘新鎮(zhèn)九龍村，在淮河流域竹竿河支流九龍河上，控制流域面積250.6 k m2，總庫(kù)容543萬(wàn)m3，是一座以防洪、灌溉為主，結(jié)合水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合開(kāi)發(fā)利用的小（1）型水庫(kù)，水庫(kù)建成于1965年，主、副壩均為均質(zhì)土壩，最大壩高10.5 m.

九龍水庫(kù)副壩壩基為巖體均一結(jié)構(gòu)或土巖雙層結(jié)構(gòu)，云母石英片巖弱風(fēng)化，具弱透水性，工程地質(zhì)條件較好；副壩填土以重粉質(zhì)壤土為主，厚3～10 m，下為細(xì)砂層.

為給加固方案提供技術(shù)支持，針對(duì)該工程開(kāi)展了高密度電法探測(cè).

3.2 電法測(cè)線與滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)斷面布置

3.2.1 高密度電法測(cè)線布置

利用高密度電法在工程現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了探測(cè)工作，在壩頂布置了2條測(cè)線，在背坡布置了1條測(cè)線，如圖1，2所示.

測(cè)線1：位于壩頂高聚物防滲墻迎水面?zhèn)扰c壩軸線平行，樁號(hào)k0＋985.8～k1＋128，道間距1.8 m，總道數(shù)80，測(cè)點(diǎn)數(shù)1 042，測(cè)線總長(zhǎng)142.2 m.

測(cè)線2：位于壩頂高聚物防滲墻背水面?zhèn)扰c壩軸線平行，樁號(hào)k0＋985.8～k1＋128，由測(cè)線1平移4 m左右所得.道間距1.8 m，總道數(shù)80，測(cè)點(diǎn)數(shù)1 042，測(cè)線總長(zhǎng)142.2 m.

測(cè)線3：位于壩坡背水面?zhèn)扰c壩軸線平行，測(cè)線3距壩頂測(cè)線2水平距離6.60 m，垂直距離3.192，樁號(hào)k0＋982.5～k1＋101，道間距1.5 m，總道數(shù)80，測(cè)點(diǎn)數(shù)1 042，測(cè)線總長(zhǎng)118.5 m.

3.2.2 滲壓計(jì)布置

在樁號(hào)1＋039.1斷面，安裝3個(gè)滲壓計(jì)，如圖1、圖2.

3.3 探測(cè)結(jié)果

測(cè)線1：如圖3，該剖面探測(cè)深度約17 m，深度0～6 m范圍內(nèi)的電阻率值較高，分布均勻，在85以上；深度6 m以下部分，電阻率值較低，分布均勻，小于85；其中樁號(hào)k1＋012.8～k1＋099.2，在深度6～12 m范圍內(nèi)是較為聯(lián)通的低阻區(qū)，電阻率值小于50.

測(cè)線2：如圖4，該剖面探測(cè)成果與測(cè)線1基本一致.

測(cè)線3：如圖5，該剖面探測(cè)深度約14 m，樁號(hào)k1＋065～k1＋101，在深度0～7 m范圍內(nèi)是特高阻區(qū)，電阻率值大于1 000，推測(cè)該部分為含石料較多的強(qiáng)透水層，或?yàn)轲ね梁枯^高的不透水層；其余部分電阻率值較低，且分布均勻，大多在80以下，電阻率值較低與前一階段持續(xù)集中降雨、背坡土壤涵養(yǎng)水分效果好、受交通干擾少等有關(guān).

（1）測(cè)線1探測(cè)成果、測(cè)線2探測(cè)成果差異很小，與測(cè)線平行移動(dòng)距離不大有關(guān)，說(shuō)明探測(cè)成果的一致性非常好.

（2）測(cè)線1，2，3電法探測(cè)成果與浸潤(rùn)線測(cè)量斷面當(dāng)日監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行對(duì)比，如圖6中，藍(lán)色部分為滲壓計(jì)測(cè)試成果，紅色部分為高密度電法勘探成果，兩者的測(cè)量結(jié)果相互吻合的比較好，均能反映出水位高程64.76 m條件下，壩體內(nèi)部浸潤(rùn)線的情況.

圖6 兩種方法所測(cè)得浸潤(rùn)線位置對(duì)比圖Fig.6 The comparison chart of Saturation lines got by the t wo methods

4 結(jié)語(yǔ)

利用高密度電法通過(guò)測(cè)量壩體內(nèi)部的導(dǎo)電性間接推求含水層，進(jìn)而推測(cè)浸潤(rùn)線的位置這一方法適用可行.該方法的優(yōu)勢(shì)在于：

（1）機(jī)動(dòng)性好，不受點(diǎn)位影響，可以在壩面任意位置布設(shè)測(cè)量.如果條件具備，一條測(cè)線直接探測(cè)大壩的橫斷面，即可推求該斷面處的浸潤(rùn)線位置.

（2）施工量小，無(wú)需進(jìn)行鉆孔施工，直接在壩面砂土層插入金屬電極進(jìn)行測(cè)量.

（3）測(cè)量效率高，工作時(shí)間短.

（4）獲取信息量大，除確定浸潤(rùn)線位置外，還可通過(guò)利用整個(gè)剖面的視電阻率等值線圖，分析剖面上壩體內(nèi)部的隱患發(fā)育狀況.

［1］ 中華人民共和國(guó)水利部.2010年全國(guó)水利統(tǒng)計(jì)公報(bào)［M］.中國(guó)水利水電出版社，2011：12.

［2］ 郭芳，李鳳桃，汪孝宗，等.病壩之患4萬(wàn)座險(xiǎn)水庫(kù)的威脅［N］.中國(guó)經(jīng)濟(jì)周刊，2011，8：25－29.

［3］ 李軍，馬新龍.高密度電法在水庫(kù)大壩塌陷勘測(cè)中的應(yīng)用［J］.工程勘察，2010，（1）：89－94.

［4］ 王宇璽，肖宏躍，雷宛，等.高密度電法探測(cè)未知目標(biāo)體的技術(shù)及其效果［J］.工程勘察，2009，（11）：86－90.

［5］ 周楊，冷元寶，王銳.綜合物探方法在震損土壩應(yīng)急除險(xiǎn)中的應(yīng)用［C］.北京：中國(guó)水利學(xué)會(huì)，2008：160－162.

［6］ 周楊，冷元寶，王銳.電法探測(cè)在震損土壩應(yīng)急除險(xiǎn)隱患探測(cè)工作中的應(yīng)用［C］.北京：中國(guó)水利學(xué)會(huì)量測(cè)技術(shù)專業(yè)委員會(huì)，2008.163－165.

［7］ 黃河水利科學(xué)研究院.羅山縣九龍水庫(kù)大壩右2＃副壩滲漏探測(cè)成果報(bào)告［R］.鄭州：黃河水利科學(xué)研究院.2010.