高密度電法在病險(xiǎn)水庫滲漏探測中的應(yīng)用

摘要：滲漏隱患在水庫壩體中是一個(gè)普遍存在的問題，但由于滲漏通道隱藏在壩體內(nèi)部，其具體位置難以確定。高密度電法作為一種非破壞性的地球物理探測技術(shù)，近年來在大壩滲漏隱患探測、水庫安全鑒定等工程領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。以四川盆地寶石橋水庫為例，詳細(xì)分析和探討了高密度電法在水庫滲漏檢測中的實(shí)際應(yīng)用效果。結(jié)果表明：寶石橋水庫大壩存在一定程度的滲漏問題，其中主壩的滲漏位置主要分布在水庫大壩的均質(zhì)土層區(qū)域，二副壩的滲漏位置主要集中于壩體左右兩側(cè)的底部，存在明顯的繞壩滲漏問題。

關(guān) 鍵 詞：大壩滲漏；病險(xiǎn)水庫；無損探測；高密度電法；寶石橋水庫

中圖法分類號(hào)：TV221.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S2.023

0 引言

中國水資源總量較為豐富，但存在時(shí)間與空間上的分布不均勻問題，因此修建了水利工程進(jìn)行調(diào)節(jié)。但修建較久的水庫一般會(huì)存在滲漏問題，一旦發(fā)生潰壩事故，會(huì)嚴(yán)重危害人民生命財(cái)產(chǎn)安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此，對(duì)現(xiàn)有壩體進(jìn)行滲漏檢測，發(fā)現(xiàn)滲漏位置并進(jìn)行及時(shí)治理，對(duì)保障下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重大意義。故采用地球物理勘探技術(shù)了解壩體滲漏位置及通道尤為重要。

寶石橋水庫于1958年動(dòng)工興建，經(jīng)過兩次復(fù)工，一期工程于1971年完成，建成主壩高28.56 m，一副壩高24.3 m，二副壩高13.80 m，形成總庫容5 423萬m³，后廂渠系配套完成。1999年底主體工程基本完工，2002年10月水庫樞紐擴(kuò)建工程通過竣工驗(yàn)收，形成現(xiàn)狀規(guī)模，水庫正常蓄水位為482.94 m。2019年12月進(jìn)行了大壩安全鑒定，主壩及二副壩存在滲漏問題，需進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

水庫滲漏物探探測技術(shù)主要有地震折射法^［1］、地質(zhì)雷達(dá)法^［2］及高密度電法^［3-6］。地震折射法要求下層波速大于上層波速，但主壩上層為黏土、石渣、碎石碾壓堆石填筑料，下層為均質(zhì)土壩，上層波速偏大，而下層的均質(zhì)土壩波速低。地質(zhì)雷達(dá)法是一種高精度且高效率的電磁波反射技術(shù)，其探測深度與地下介質(zhì)電導(dǎo)率以及天線頻率相關(guān)，由于淺層黏土填筑料對(duì)電磁波吸收較明顯，有效探測深度通常小于10 m，無法滿足探測深度的要求。高密度電法是一種以地下空間巖土體電性差異為基礎(chǔ)的探測方法，具有探測深度大，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，為了降低電極附近的接地電阻，提高測量精度，通常會(huì)采用澆鹽水的方式。這種方法可以有效地改善電極與地下介質(zhì)之間的接觸條件，降低接地電阻，從而獲得更高精度的視電阻率數(shù)據(jù)。本文以寶石橋水庫為例，詳細(xì)分析和探討了高密度電法在水庫滲漏檢測中的實(shí)際應(yīng)用效果。

1 工程地質(zhì)概況及地球物理特征

1.1 工程簡介

寶石橋水庫位于渠江水系明月江上游的白巖河，壩址在開江縣寶石鎮(zhèn)萬善橋上游約300 m，是一座以灌溉、供水、防洪等為主要功能的大（2）型水庫。水庫樞紐建筑物主要有主壩、一副壩、二副壩和溢洪道等。2002年10月水庫樞紐擴(kuò)建工程通過竣工驗(yàn)收，形成現(xiàn)狀規(guī)模。2019年經(jīng)過安全鑒定，發(fā)現(xiàn)多處滲漏現(xiàn)象。為查明寶石橋水庫壩體滲漏情況，提供大壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)依據(jù)，決定使用高密度電法對(duì)大壩主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損檢測，包括主壩和二副壩。

1.2 工程地質(zhì)概況

寶石橋水庫位于四川盆地東北邊緣地帶，區(qū)內(nèi)地勢北東高、南西低。場區(qū)北東為大巴山區(qū)，并構(gòu)成四川盆地邊緣，其海拔在2 000 m以上，地貌類型從中低山漸變?yōu)樯顪\丘。地層巖性主要由中生界侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組沉積巖組成，主要有砂巖、泥巖，各巖層呈不等厚互層狀，均呈整合接觸；局部薄層粉砂巖或粉砂質(zhì)泥巖等軟弱巖性帶發(fā)生擠壓而變破碎。地表第四系覆蓋層分布較廣，緩坡地帶多以殘坡積含碎石粉質(zhì)黏土為主，局部坡腳、陡崖腳為崩坡積碎塊石，溝谷處為沖洪積粉質(zhì)黏土、砂、卵石層。為查明水庫大壩滲漏通道及位置，在主壩布置兩條高密度電法剖面，分別位于主壩壩頂及主壩上游側(cè)邊坡，編號(hào)2-2′、1-1′，見圖1；二副壩布置一條高密度電法剖面3-3′，位于壩頂，見圖2。

1.3 地球物理特征分析

寶石橋水庫主壩體為黏土斜墻石渣壩，壩體結(jié)構(gòu)及填筑材料分區(qū)詳見圖3，主要是由老壩體和擴(kuò)建加高壩體（黏土防滲區(qū)、碎石過渡區(qū)、石渣填筑區(qū)、碾壓堆石區(qū)）組成，底部下伏基巖主要為粉砂質(zhì)泥巖、砂巖。二副壩為漿砌條石連拱壩，呈倒梯形狀坐落在基巖上，壩基巖體為粉砂質(zhì)泥巖。工程區(qū)巖土層電阻率見表1。

完整砂巖、條石、均質(zhì)土層表現(xiàn)為中等電阻率特征，而受風(fēng)化、含泥巖夾層的影響電阻率值有所下降，地下水滲漏區(qū)域地下水區(qū)表現(xiàn)為低電阻率特征，填筑料與基巖結(jié)合較好時(shí)表現(xiàn)為高電阻率特征，結(jié)合較差時(shí)表現(xiàn)為低電阻率特征。因此，工程區(qū)具備開展高密度電法劃分出滲漏通道空間展布的物性前提。

2 高密度電法

2.1 基本原理

高密度直流電阻率法屬直流電阻率法的一種，基本原理與傳統(tǒng)普通直流電阻率法相同，不同的是它的裝置是一種組合式剖面裝置^［7］，如圖4所示。該方法以地下介質(zhì)導(dǎo)電性差異為物理基礎(chǔ)，通過人工向大地提供穩(wěn)定的直流電，獲取地下介質(zhì)的視電阻率空間分布信息，進(jìn)而達(dá)到認(rèn)識(shí)地下地質(zhì)體電性結(jié)構(gòu)、指導(dǎo)地質(zhì)解釋的目的。高密度電法直接獲取電流電位差ΔU（mV）和I（mA），視電阻率可以表示為

ρ_s=K·ΔU/I（1）

K=2π/1/AM-1/BM-1/AN-1/BN（2）

式中：ρ_s為巖土體的視電阻率，Ω·m；K為裝置系數(shù)^［8-9］；A，B是供電電極，M，N是測量電極，AM=MN=NB為一個(gè)電極間距，隨著間隔系數(shù)n由最大逐漸減小到最小，4個(gè)電極之間的間距也均勻收攏，詳見文獻(xiàn)［7］。

2.2 儀器設(shè)備及測量參數(shù)

本次物探測試采用EDGMD-60高密度電法測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)以EDGMD-60高密度電法儀為測試主機(jī)，內(nèi)置多路電極轉(zhuǎn)換裝置、分布式電纜和電極進(jìn)行二維高密度數(shù)據(jù)采集。采用溫納裝置^［10-11］數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（圖4），根據(jù)勘探深度要求，設(shè)置間距a=5，間隔系數(shù)^［12］n為1～26，供電時(shí)間t=200 ms，斷電時(shí)間t=50 ms，每排電極布設(shè)60～80根。

3 高密度電法成果分析

測線1-1′視電阻率反演成果如圖5所示，視電阻率由淺至深呈低阻—高阻特性，局部存在低阻異常區(qū)域。地表以下6 m范圍內(nèi)，視電阻率變化范圍為6～15 Ω·m，推斷為石渣填筑區(qū)，含水量較高；樁號(hào)100～150 m段，高程455～470 m范圍，如圖5所示A區(qū)域，視電阻率變化范圍為1～20 Ω·m，呈低阻異常，推斷為均質(zhì)土層區(qū)域，含水量高；兩側(cè)壩肩30～100 m、160～220 m范圍，視電阻率變化范圍為100～220 Ω·m，對(duì)應(yīng)下伏基巖，包括粉砂質(zhì)泥巖、砂巖，完整性較好。

測線2-2′視電阻率反演成果如圖6所示，視電阻率由淺至深呈低阻—高阻特性，局部存在低阻異常區(qū)域。地表以下10 m范圍內(nèi)，視電阻率變化范圍為100～220 Ω·m，推斷為黏土防滲區(qū)域，防滲性較好，含水量較低；樁號(hào)80～150 m段，高程440～470 m范圍，如圖6所示B區(qū)域，視電阻率變化范圍為1～20 Ω·m，呈低阻異常，推斷為均質(zhì)土層區(qū)域，含水量高；樁號(hào)180～200 m段，高程460～470 m范圍，如圖6所示C區(qū)域，視電阻率變化范圍為1～20 Ω·m，推斷為溢洪道散浸區(qū)，此處常年向外浸水；兩側(cè)壩肩，視電阻率變化范圍為100～220 Ω·m，對(duì)應(yīng)下伏基巖，包括粉砂質(zhì)泥巖、砂巖，完整性較好。

測線3-3′視電阻率反演成果如圖7所示，視電阻率由淺至深呈高阻—低阻—高阻特性。其中樁號(hào)40～100 m范圍內(nèi)是二副壩壩體，如圖7所示D區(qū)域，主要由漿砌條石構(gòu)成，視電阻率在200～500 Ω·m之間，呈現(xiàn)高電阻率特征，壩體完整性好；樁號(hào)40～60 m、90～110 m段，高程460～480 m范圍，如圖7所示E、F區(qū)域，視電阻率在1～20 Ω·m之間，呈低阻異常，推斷為漿砌條石與基巖接觸帶之間強(qiáng)富水；兩側(cè)壩肩，視電阻率在100～220 Ω·m之間，對(duì)應(yīng)為下伏基巖，包括粉砂質(zhì)泥巖、砂巖，完整性較好。

主壩兩條高密度測線視電阻率反演成果基本與寶石橋水庫主壩壩體結(jié)構(gòu)相吻合，結(jié)合圖5和圖6，推斷異常區(qū)域A和異常區(qū)域B形成一個(gè)滲漏通道，滲漏通道的高程上限約為470 m，高程下限440～455 m，滲漏通道的寬度50～70 m，越靠近下游，滲漏的范圍變得越大；二副壩主體結(jié)構(gòu)完整性較好，壩體不存在滲漏現(xiàn)象，但壩體與基巖結(jié)合處存在滲漏通道。

4 結(jié)論

（1）通過對(duì)主壩的兩條高密度測線視電阻率反演成果分析，基本確定了滲漏通道的位置、大小、走向；溢洪道散浸區(qū)在視電阻率反演斷面中顯示出低阻異常，這表明該區(qū)域存在滲漏問題。二副壩主體結(jié)構(gòu)完整性較好，但在漿砌條石與基巖接觸帶存在滲漏通道。

（2）通過對(duì)比所掌握的地質(zhì)資料包括壩體結(jié)構(gòu)、填筑材料，與高密度反演斷面對(duì)比分析，兩者基本吻合。這表明高密度電法能夠較為準(zhǔn)確地反映大壩的地電信息，分析物探異常空間分布，對(duì)病險(xiǎn)庫治理具有重要的指導(dǎo)作用。

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（編輯：劉媛）