高密度電法在大型輸水箱涵滲漏探測中的應(yīng)用

湯克軒 劉棟臣 劉康和

大型輸水箱涵是跨區(qū)域引調(diào)水的重要措施，具有保護(hù)水質(zhì)、少占耕地、冬季防凍等優(yōu)點(diǎn)[1]。隨著箱涵運(yùn)行時(shí)間的推移，受溫度變化、電化學(xué)腐蝕、地基不均勻沉降等因素的影響，箱涵體結(jié)構(gòu)可能發(fā)生變化，導(dǎo)致滲漏水，在混凝土箱涵熱伸縮縫處尤為顯著[2]。

無損探測技術(shù)是水利水電工程建筑物滲漏探測的重要手段[3-6]，主要用于查明土石壩、圍堰、防滲墻等攔阻水建筑物滲漏點(diǎn)位置和滲漏水程度[7-9]。將無損探測技術(shù)應(yīng)用于箱涵滲漏探測比較少見，一方面因?yàn)閲鴥?nèi)大型輸水、排水箱涵工程興起于20世紀(jì)70年代，起步較晚，嚴(yán)重的工程滲漏問題初步顯現(xiàn)；另一方面，輸水箱涵有其獨(dú)特的性質(zhì)，大部分埋深淺，受地表干濕環(huán)境影響大，延伸長，沿線地層結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件復(fù)雜多變，滲漏點(diǎn)一般影響范圍小，背景場影響大，諸多因素影響著箱涵滲漏探測的解釋精度和準(zhǔn)確性。

2017年以來，水利部實(shí)行“水利工程補(bǔ)短板，水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”的治水方針。為對(duì)某大型跨區(qū)域調(diào)水工程進(jìn)行質(zhì)量檢查和滲漏隱患排查，開展了以高密度電法為主的無損探測工作。

1 箱涵結(jié)構(gòu)及地質(zhì)概況

1.1 箱涵結(jié)構(gòu)

箱涵設(shè)計(jì)為3孔4.4 m×4.4 m現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，外觀尺寸（寬×高）15.2 m×5.6 m；除底板厚0.65 m、相鄰孔間混凝土厚0.45 m外，其它各壁厚0.55 m；底板下部有0.10 m厚的素混凝土墊層。箱涵結(jié)構(gòu)斷面如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)段箱涵結(jié)構(gòu)斷面示意圖

箱涵頂面埋深不等，上覆土層厚度一般為2.0~4.0 m，地表與原地面持平。試驗(yàn)段箱涵縱向每隔12～15 m劃分一段，段間設(shè)置防熱變形伸縮縫，縫寬2~3 cm，縫間止水主要采用中埋式復(fù)合型遇水膨脹橡膠止水帶，填縫材料采用聚乙烯閉孔泡沫塑料板。

1.2 地質(zhì)概況

試驗(yàn)區(qū)地貌特征主要為堆積平原及河流沖擊扇。探測深度15 m范圍內(nèi)主要為第四系全新統(tǒng)松散堆積物，巖性主要為壤土或砂壤土，箱涵上覆土和兩側(cè)土為回填土。測區(qū)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

高密度電法是電測深與電剖面方法的組合，觀測點(diǎn)密度高，可以同時(shí)探測水平和垂直方向上的電性變化。高密度電法的探測深度隨供電電極距的增大而增大。本次高密度電法測試采用溫納裝置，根據(jù)本工程測試目的、精度、深度和時(shí)間要求及場地條件，基本電極距以1 m為主，部分測段選用3 m極距，單一排列采用130～260根電極，分布式滾動(dòng)測量。

試驗(yàn)段內(nèi)地層結(jié)構(gòu)較均勻，影響其電阻率值的主要因素為含水量，含水量越高電阻率越小，此即為探測及資料分析的前提。

2.2 工作布置

在箱涵兩側(cè)沿箱涵走向布置4條高密度電法測線，其中位于箱涵左側(cè)（面向箱涵下游左手邊）且距離箱涵邊沿2.5、1.0 m的測線編號(hào)分別為W1、W2，而位于箱涵右側(cè)且距離箱涵邊沿1.0、2.5 m的測線編號(hào)分別為W3、W4。在部分典型異常區(qū)域，布置垂直箱涵走向測線命名為H1，在箱涵中心線上布置測線，命名為L1。

根據(jù)高密度電法試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)測試部位土體的含水特征進(jìn)行預(yù)判，在箱涵兩側(cè)選擇典型位置11處，采用“洛陽鏟”進(jìn)行取土驗(yàn)證。

3 測試成果

3.1 樁號(hào)探測成果

測試區(qū)域內(nèi)典型電阻率剖面如圖2所示。

圖2 XW64+008—XW64+369段測線電阻率剖面圖

W1-1、W2-1、W3-1、W4-1分別為該段距離箱涵左側(cè)邊沿2.5、1.0 m，距離箱涵右側(cè)邊沿1.0、2.5 m處高密度電法測量成果，基本電極距1 m。

由圖2可知，測試深度范圍內(nèi)地層在垂向上呈現(xiàn)3層電性結(jié)構(gòu)（ρ1＞ρ2＜ρ3），橫向上低阻區(qū)域呈團(tuán)塊狀近似等間距發(fā)育，相鄰低阻區(qū)域被近似直立的較高阻脈狀條帶分隔，條帶中心距離約15 m。

第一層視電阻率介于26.3～145.1Ω·m，層厚度為1.7～5.7 m，推測為較干燥或含水量較低的回填土；第二層視電阻率介于1.7～26.3Ω·m，底界面深度主要為8.6～12.0 m，推測為較潮濕或含水率相對(duì)較高的回填土、墊層及墊層周圍土層；第三層視電阻率介于5.2～145.1Ω·m，為墊層下方土層。

推測該段左側(cè)樁號(hào)64+026—64+050、64+091附近、64+121附近，右側(cè)64+025—64+049、64+088—64+124、64+146—64+247接縫處滲水的概率較其它區(qū)域大。左側(cè)樁號(hào)64+110及左側(cè)64+095附近的低阻異常，不排除底板滲漏的可能性。

3.2 樁號(hào)XW65+530—XW65+933段

該測段電阻率剖面如圖3所示。

圖3 XW65+530—XW65+933段測線電阻率剖面圖

W1-2、W4-4分布為該段箱涵左、右側(cè)距離邊沿2.5 m測量成果，基本電極距1 m。

由圖3可知，地層在垂向上呈現(xiàn)3層電性結(jié)構(gòu)（ρ1＞ρ2＜ρ3）：第一層視電阻率介于26.3～145.2Ω·m，層厚度為1.5～5.3 m，推測為較干燥或含水量較低的回填土，部分測段位于麥地，受春灌影響，淺表高阻層較?。坏诙右曤娮杪式橛?.4～26.3Ω·m，該層底界面深度為11.1～12.2 m，推測為較潮濕或含水量相對(duì)較高的回填土、墊層及墊層周圍土層；第三層視電阻率介于9.3～98.3Ω·m，為墊層下方土層。根據(jù)電阻率大小和色譜分布規(guī)律，左側(cè)在樁號(hào)65+664—65+688、65+760、65+820等附近推測存在滲水可能性，右側(cè)在樁號(hào)65+557—65+581、65+617—65+655、65+700、65+861等附近地層富水地層相對(duì)較大。

3.3 鉆孔驗(yàn)證

選取11處典型電阻率異常區(qū)實(shí)施鉆探驗(yàn)證，驗(yàn)證位置地表環(huán)境各異，有空地、樹林、麥地等，其電阻率大小和分布也各有不同（詳見表1）。

表1 鉆探驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)表

從表1可知，在11個(gè)驗(yàn)證鉆孔中，10處高密度成果預(yù)測土層含水量及變化規(guī)律與鉆孔揭示結(jié)果相吻合，探測精度達(dá)到90.91%，1個(gè)鉆孔與探測成果有出入，原因可能為測量里程偏差。

4 成果分析

4.1 背景場影響分析

圖4和圖5分別為典型段箱涵中心線、距箱涵邊沿2.5 m處高密度電法測試成果。

圖4 箱涵中心線（L1測線）電阻率剖面圖

圖5 箱涵左側(cè)2.5 m平行箱涵電阻率剖面圖

從圖4可知，箱涵中心線的電性結(jié)構(gòu)是不均勻的，低阻帶的分布大致呈團(tuán)塊狀，團(tuán)塊之間為高阻條帶，而且高阻條帶的間距約12 m和15 m，在樁號(hào)和距離上與箱涵的熱變形伸縮縫相對(duì)應(yīng)。所以，可以確定箱涵走向上地層電性結(jié)構(gòu)受箱涵結(jié)構(gòu)影響是不連續(xù)的，伸縮縫（及其測試電性影響帶）電阻率大于100Ω·m。

從圖5可知，偏離箱涵邊沿2.5 m測試，高密度電阻率剖面圖的低阻分布依舊表現(xiàn)為團(tuán)塊狀，且被條帶狀的高阻異常阻隔，條帶中心與伸縮縫位置一致。所以，盡管偏離箱涵邊沿一段距離，伸縮縫及箱涵內(nèi)水體對(duì)高密度電阻率剖面圖電性分布的影響仍不能忽視。

除背景場影響外，由于測試時(shí)間為夏季，邊墻內(nèi)水體和外部土體存在一定的溫度差，水蒸氣在溫差界面冷凝浸濕土層，對(duì)測試結(jié)果也有一定影響。

4.2 測線與箱涵邊墻距離對(duì)測試成果的影響分析

典型測段原狀地層和箱涵邊沿地層的電性結(jié)構(gòu)對(duì)比分析見表2，箱涵邊墻及箱涵內(nèi)水體對(duì)測試結(jié)果影響明顯（接近50%），且測線距離箱涵邊墻越近，受箱涵邊界效應(yīng)影響越大，異常越容易被掩蓋，不利于滲漏分析；但距離箱涵邊墻太遠(yuǎn)，由于滲漏影響范圍有限，土體含水量降低，可能無法觀測到滲漏特征。典型測試對(duì)比剖面如圖6所示。

圖6 距箱涵邊沿不同距離電阻率剖面對(duì)比圖

表2 原狀地層和箱涵邊沿地層電性結(jié)構(gòu)對(duì)比表

依據(jù)試驗(yàn)成果結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)綜合考慮，測線距箱涵邊墻的最佳的測試距離應(yīng)為1.0～3.0 m。

4.3 土體含水量與電阻率關(guān)系分析

箱涵混凝土結(jié)構(gòu)、箱涵內(nèi)水體都可以近似看成均勻介質(zhì)，箱涵伸縮縫的分布也是有規(guī)律的，所以箱涵對(duì)電阻率測試的影響是有規(guī)律可循的，可以近似把這些干擾因素看成沿箱涵走向均勻分布的背景異常。在背景電阻率基礎(chǔ)上出現(xiàn)的電阻率差異是判斷地層含水量的直觀信息。

圖7為樁號(hào)65+635.5處垂直箱涵走向電性剖面（編號(hào)為H1），電阻率剖面圖上能夠較清晰地刻畫箱涵的位置、大小和性狀，箱涵內(nèi)水體電阻率1.0～9.5Ω·m。在不滲水的假設(shè)前提下，箱涵周邊回填土視電阻率10～40Ω·m，箱涵墊層正下方土體表現(xiàn)為相對(duì)高阻，視電阻率37～335Ω·m，墊層以下兩側(cè)土體，表現(xiàn)為相對(duì)低阻，視電阻率4.5～13.3Ω·m，這種差異產(chǎn)生的原因可能是：箱涵正下方土體受擠壓，水分和可溶鹽向兩側(cè)運(yùn)移。所以，對(duì)于低阻異常的分析，還應(yīng)留意異常帶深度、范圍及電阻率大小，充分考慮墊層以下地層受力不均勻?qū)ν馏w電性參數(shù)的影響。

圖7 垂直箱涵測線（H1）電阻率剖面圖

受工期等因素制約，本次試驗(yàn)所取土樣沒有實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測定等含水量，而是定性描述新鮮土樣的表觀含水量。結(jié)合本次試驗(yàn)成果和鉆孔驗(yàn)證結(jié)果，測區(qū)土層視電阻率和表觀含水量對(duì)應(yīng)關(guān)系見表3。

表3 鉆孔揭示土樣表觀含水量與電阻率關(guān)系

5 結(jié)語

（1）箱涵滲漏相對(duì)明顯的位置主要分布在箱涵兩側(cè)的接縫位置，其滲漏影響帶寬度一般小于5 m，深度一般為5.0～8.2 m，且滲漏點(diǎn)分布無明顯規(guī)律。根據(jù)鉆孔驗(yàn)證情況，飽水土體主要集中在孔深6.5～8.4 m范圍內(nèi)，試驗(yàn)段暫未發(fā)現(xiàn)大范圍集水涌水現(xiàn)象，推測異常段以接縫滲水為主，且滲出的水受重力作用向下運(yùn)移被墊層阻隔，容易在墊層上方聚集。不排除個(gè)別地方存在底板滲漏或滲水浸透墊層的可能性。

（2）高密度電法對(duì)輸水箱涵進(jìn)行滲漏探測是行之有效的。盡管探測時(shí)存在一定的干擾因素，但主要的干擾因素有規(guī)可循，只要掌握其影響機(jī)理，在背景干擾異常的基礎(chǔ)上有效甄別，即可獲得較好的探測效果。

（3）探測時(shí)測線與箱涵邊墻的最佳距離宜控制在1.0～3.0 m范圍內(nèi)。

（4）通過鉆孔對(duì)高密度測試所揭示的低阻異常區(qū)進(jìn)行標(biāo)定，可推測土層的富水性，進(jìn)而評(píng)價(jià)箱涵滲漏情況。