基于高密度電法的土石壩滲漏探測技術(shù)探討

宋子龍，王祥，黃斌

（1.湖南省水利水電科學(xué)研究所，湖南長沙410007；2.長江水利委員會，湖北武漢430010）

近年來，隨著水利建設(shè)的大發(fā)展，中小型水庫相繼進(jìn)行了除險加固處理，對之前存在的局部滲漏、管涌病害作了有效的處理，但滲漏依然是中小型土石壩的主要病害之一。高密度電法是土石壩滲漏隱患探測的一種有效手段，通過實測電勢反演電阻率，從電阻率的異?？梢蕴讲闈B漏點。當(dāng)高水位，大壩（堤壩）內(nèi)部的隱患處于飽和含水狀態(tài)時，其電阻率相對周邊介質(zhì)會形成較為明顯的低阻區(qū)；反之，當(dāng)?shù)退?，大壩?nèi)部的隱患不含水時，又會形成明顯的高阻區(qū)，這為高密度電阻率法探測土石壩內(nèi)部隱患提供了充分的前提條件。

相對傳統(tǒng)方法的隱患探測方法，高密度電法具有快速、高效、大范圍和無損的優(yōu)點。利用該方法對中小型水庫土石壩滲漏隱患探測進(jìn)行試驗研究，以驗證與評價高密度電法的實用性和可靠性。

1 高密度電阻率法的基本原理

高密度電阻率法是地球物理電法勘探的一種重要方法，就其原理而言，與常規(guī)電阻率法完全相同，仍然以土、巖石等介質(zhì)的電性差異為基礎(chǔ)，通過觀測和研究人工建立的地下穩(wěn)定電場的分布規(guī)律來解決水文、工程和環(huán)境地質(zhì)問題。高密度電阻率法實際上是一種陣列式電阻率測量方法，它借鑒地震勘探技術(shù)與計算機數(shù)字技術(shù)的典型應(yīng)用，集電剖面和電測深于一體，采用高密度布點，進(jìn)行二維地電斷面的測量，既能揭示地下某一深度水平巖性的變化，又能提供巖性沿縱向的變化情況。較常規(guī)電阻率法相比，具有成本低、效率高、精度高、數(shù)據(jù)信息豐富等特點。高密度電阻率法的成果以視參數(shù)剖面圖、斷面等值線圖等形式給出，這些圖件不僅能在縱向上，而且還能在橫向上直觀地反映出地質(zhì)體不同電性結(jié)構(gòu)分布特征。其布極方式分為一次布極法和覆蓋式布極法［1］。

高密度電法與常規(guī)電阻率法原理相同，其工作原理如圖1所示（均質(zhì)各向同性巖層中電流線的分布）。AB為供電電極，MN為測量電極，當(dāng)AB供電時用儀器測出供電電流I和MN處的電位差△V，則視電阻率按計算。ρ表示巖層的視電阻率，單位為Ω·m；K為裝置系數(shù)，與供電和測量電極間距有關(guān)，其計算公式為：

視電阻率為地下介質(zhì)電性的綜合反映，通過反演計算即可得到深度和視電阻率剖面。

圖1 均勻介質(zhì)中電流線分布圖Fig.1 Distribution of current lines in homogeneous medium

2 高密度電阻率法在土石壩隱患探測中的應(yīng)用現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代首先由英國的地球物理工作者提出高密度電阻率法，并于80年代經(jīng)日本地質(zhì)株式會社實現(xiàn)在工程的應(yīng)用，80年代末該技術(shù)正式引入我國，并得到廣泛應(yīng)用。高密度電法是電剖面法與電測深法的結(jié)合，一次可完成縱橫二維勘探過程，具有觀測精度較高、數(shù)據(jù)采集可靠、獲取地質(zhì)信息豐富等特點，可直觀地反映堤壩和土石壩內(nèi)部的軟弱層、滲漏帶、管涌通道、裂隙（縫）、洞穴、不均勻體等隱患，是堤壩隱患探測普查和詳查的主要方法之一［2，3］。

鄭燦堂等通過充電法、高密度電法、地質(zhì)鉆探的聯(lián)合探測以及滲流計算分析，有效查明了郭家村水庫壩后滲水明流的成因，并對該庫滲流安全進(jìn)行了評價。謝向文等應(yīng)用“HGH－Ⅲ堤防隱患探測系統(tǒng)”在黃河大堤花園口段對一已知的穿堤涵管進(jìn)行了高密度電阻率法實驗研究，得到已知隱患的電阻率圖像。呂玉增等針對高密度電法中的電極布置和多種觀測裝置選擇問題進(jìn)行了研究，從工作條件要求、觀測裝置選擇以及數(shù)據(jù)觀測三方面進(jìn)行了探討。鄧居智等利用重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所研制的WGMD－1型高密度電阻率測量系統(tǒng)，對江西某水庫土質(zhì)壩體的隱患進(jìn)行了探測研究。郭君科等使用WGMD-1型高密度勘探系統(tǒng)，對黑龍江二門山水庫大壩的破碎帶進(jìn)行了探測研究。

綜上可見，高密度電阻率法在堤防隱患探測中得到了較廣泛的應(yīng)用，并取得了一些應(yīng)用經(jīng)驗。

3 現(xiàn)場工作方法

高密度電阻率法的現(xiàn)場工作包括外業(yè)準(zhǔn)備工作、生產(chǎn)前的試驗工作、測網(wǎng)測線布置、裝置及電極距的選擇、資料的檢查與評價等［4］。

3.1 儀器準(zhǔn)備及試驗工作

3.1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

研究主要采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為美國AGI（Ad?vanced Geosciences，Inc。）公司生產(chǎn)的SuperSting多通道電阻率成像探測系統(tǒng)。

SuperSting高密度電法儀包括SuperSting R8/IP采集儀主機、程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)、56根不銹鋼電極和28個激發(fā)極化電極（Induced polarizable elec?trodes）、Swift高精度電纜、EarthImager1D、EarthIm?ager2D和EarthImager3D資料處理軟件等，它是目前世界上同類儀器中最先進(jìn)的一種。該儀器可直接用Sting主機作常規(guī)探測或用筆記本電腦通過程序控制采集，可應(yīng)用Schlumberger法、Wenner剖面法、雙偶極方法、單雙偶極方法、單極子法或其他方法進(jìn)行測量。電阻率層析成像是應(yīng)用于地表勘探的常規(guī)反演算法的廣義擴展，因而由此獲得的分辨率比常規(guī)電阻率法高得多。

3.1.2 試驗準(zhǔn)備工作

制造人工低阻體：如圖2所示，選擇三級平臺縱斷面為測量斷面，利用土石壩剛安裝好的測壓管進(jìn)行注水，人工形成低阻體。由于測壓管透水段已知，故人工低阻體的位置確定。當(dāng)從測壓管上方注水時，水通過透水段的透水孔向周圍土體擴散，從而形成一個位置已知的低阻體，結(jié)合地質(zhì)資料，通過測量注水量可估算人工低阻體的大小。

3.2 測線及測點布置

一般應(yīng)根據(jù)裝置型式、電極排列數(shù)量、探測深度、探測精度等確定點距和測線長度。根據(jù)本次試驗要求，測線布置在外坡三級平臺，測線長度為

112 m以滿足最大供電電極（即測線長）大于3倍探測深度的要求。

3.3 裝置及電極距的選擇

3.3.1 裝置選擇

高密度電阻率法的電極裝置有四極對稱梯度（施倫貝格）、四級等距（溫納）、雙向三極、三極、二極、偶極、微分、中間梯度裝置等。不同裝置形式，其反映的效果存在一定差異，通過一系列的試驗比較，最終確定選用偶極、溫納和施倫貝格裝置，該三種裝置均能較好地反映土石壩的地電分布特征。

3.3.2 電極距的選擇

藕塘水庫大壩的試驗選用電極距為2 m，電極數(shù)為56個。

3.4 現(xiàn)場操作注意問題

（1）根據(jù)現(xiàn)場情況，確定理論探測深度，選取合適的裝置型式和布線模式，排列電極的布設(shè)與測線需保持平行。

（2）電極的接地電阻應(yīng)小于10 kΩ，對接地電阻較大的電極采取澆鹽水的辦法降低接地電阻。

（3）各道電極布設(shè)時，至少埋深1/3電極高，并且與地面均勻、緊密耦合，使其保持豎直狀態(tài)。當(dāng)電極布設(shè)在水泥面或巖層區(qū)時，由于無法植入電極，可采用堆筑濕泥保證接地完好。

（4）確保各連接良好：排列布置完成后，檢查布設(shè)是否正確，連線是否牢固；數(shù)據(jù)采集前，需進(jìn)行信道測試，確保電纜線與各電極接口的充分接觸，保證采集資料的質(zhì)量。

（5）采集數(shù)據(jù)的可靠性要求：每個數(shù)據(jù)點進(jìn)行3次重復(fù)觀測，并保證其觀測誤差小于5%。

（6）當(dāng)排列中有電極位于陡坎或其它復(fù)雜地形時，分析它對觀測數(shù)據(jù)的可能影響，并采取措施調(diào)整。

4 資料反演分析

本次反演采用方法為佐迪法，佐迪法是基于Schlumberger和Wenner法的解釋而提出的。其基于最小二乘優(yōu)化法原理，通過不斷調(diào)整初始模型參數(shù)使正演曲線與實際曲線之差達(dá)到最小，由此得到最終模型參數(shù)作為反演結(jié)果。

試驗首先采用溫納裝置進(jìn)行測量，由于注水時間較短，注水尚未完全擴散，但低阻區(qū)在反演圖中能夠清楚地顯示。已知注水點位于測線的66 m處，測壓管透水段為8.5～10.5 m深處，未注水測壓管位于測線的40 m處。三種裝置的反演結(jié)果見圖3-5，具體分析如下：

（1）上部有一條厚度約1 m的條帶狀低阻體，推測為雨水形成的地表滲水區(qū)，說明反演結(jié)果體現(xiàn)了實際的情況。

（2）在測線38～46 m段處也有一處低阻異常，根據(jù)偶極裝置和施倫貝格裝置試驗結(jié)果，該段異常區(qū)位于深12～14 m處，但溫納裝置剖面未能完全反映該段的信息；因未注水的測壓管透水段正好位于該區(qū)域，推測此異常極有可能是測壓管透水段積水所致。

圖2 觀測斷面平面圖Fig.2 Plan of the monitoring section

圖3 溫納裝置試驗結(jié)果Fig.3 Test results of the Wenner device

圖4 對偶極裝置試驗結(jié)果Fig.4 Test results of the dipole device

圖5 施倫貝格裝置試驗結(jié)果Fig.5 Test results of Schlumberger device

（3）在測線68 m附近，三種裝置試驗結(jié)果均反映有一處明顯的低阻異常區(qū)域，這一區(qū)域和注水測壓管的人工低阻體位置十分吻合，試驗效果良好。

（4）在測線80～95 m段底部，三種裝置試驗結(jié)果均反映該區(qū)域比周圍土體的電阻率略低，分析注水到底部后，存在通過接觸面向右滲透的趨勢。

5 結(jié)語

（1）通過試驗證明，高密度電阻率法對疑似滲漏點（低阻體）的提示效果明顯，可見利用高密度電阻率法探測土石壩內(nèi)部的滲漏隱患是可行的。

（2）通過本次試驗，比較分析溫納裝置、施倫貝爾裝置、偶極-偶極裝置三種測量裝置的反演結(jié)果，結(jié)合相關(guān)研究成果，認(rèn)為在利用高密度電法探測土石壩內(nèi)部的滲漏隱患時，若探測深度要求不高宜優(yōu)先選擇溫納裝置，施倫貝爾裝置和偶極-偶極裝置次之，當(dāng)需要更豐富的地電信息時，宜優(yōu)先選擇施倫貝爾裝置，偶極-偶極裝置和溫納裝置次之。

（3）藕塘水庫試驗結(jié)果表明，利用高密度電法可分析判斷接觸面是否均勻接觸，筆者由此認(rèn)為對于土石壩清基情況識別，高密度電法可提供一定依據(jù)。

（4）高密度電阻率法對于壩體（基）滲漏探測具有良好的效果，反演結(jié)果能夠直觀地反映低阻體，但反演結(jié)果所得低阻體并不能和實際模型完全一一對應(yīng)，也即不能得到真正的精確解；同時，由于堤壩中的隱患種類繁多，在進(jìn)行壩體隱患探測時也不能過分夸大高密度電阻率法的作用，資料解釋推斷也要充分利用各種已知信息，排除各種干擾因素對測試結(jié)果的影響，以免判斷錯誤。為了提高反演精度，還需通過多種隱患測量方法和多種反演方法，從而達(dá)到“更滿意”的結(jié)果。■

[1]工程物探手冊[M].北京:中國水利水電出版社,2011.

[2]吳懷宇.堤壩隱患探測技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J].長江科學(xué)院院報,2000,12(6):13-14.

[3]陳正山,張如旭.高密度電阻率法在堤壩探測上的應(yīng)用[J].河海水利,2003(1):50-51.

[4]中華人民共和國水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).SL326-2005,水利水電工程物探規(guī)程[S].北京:中國水利水電出版社,2005:8-12.