基于高密度电法的土石坝渗漏探测技术探讨

宋子龙，王祥，黄斌

（1.湖南省水利水电科学研究所，湖南长沙410007；2.长江水利委员会，湖北武汉430010）

近年来，随着水利建设的大发展，中小型水库相继进行了除险加固处理，对之前存在的局部渗漏、管涌病害作了有效的处理，但渗漏依然是中小型土石坝的主要病害之一。高密度电法是土石坝渗漏隐患探测的一种有效手段，通过实测电势反演电阻率，从电阻率的异常可以探查渗漏点。当高水位，大坝（堤坝）内部的隐患处于饱和含水状态时，其电阻率相对周边介质会形成较为明显的低阻区；反之，当低水位，大坝内部的隐患不含水时，又会形成明显的高阻区，这为高密度电阻率法探测土石坝内部隐患提供了充分的前提条件。

相对传统方法的隐患探测方法，高密度电法具有快速、高效、大范围和无损的优点。利用该方法对中小型水库土石坝渗漏隐患探测进行试验研究，以验证与评价高密度电法的实用性和可靠性。

1 高密度电阻率法的基本原理

高密度电阻率法是地球物理电法勘探的一种重要方法，就其原理而言，与常规电阻率法完全相同，仍然以土、岩石等介质的电性差异为基础，通过观测和研究人工建立的地下稳定电场的分布规律来解决水文、工程和环境地质问题。高密度电阻率法实际上是一种阵列式电阻率测量方法，它借鉴地震勘探技术与计算机数字技术的典型应用，集电剖面和电测深于一体，采用高密度布点，进行二维地电断面的测量，既能揭示地下某一深度水平岩性的变化，又能提供岩性沿纵向的变化情况。较常规电阻率法相比，具有成本低、效率高、精度高、数据信息丰富等特点。高密度电阻率法的成果以视参数剖面图、断面等值线图等形式给出，这些图件不仅能在纵向上，而且还能在横向上直观地反映出地质体不同电性结构分布特征。其布极方式分为一次布极法和覆盖式布极法［1］。

高密度电法与常规电阻率法原理相同，其工作原理如图1所示（均质各向同性岩层中电流线的分布）。AB为供电电极，MN为测量电极，当AB供电时用仪器测出供电电流I和MN处的电位差△V，则视电阻率按计算。ρ表示岩层的视电阻率，单位为Ω·m；K为装置系数，与供电和测量电极间距有关，其计算公式为：

视电阻率为地下介质电性的综合反映，通过反演计算即可得到深度和视电阻率剖面。

图1 均匀介质中电流线分布图Fig.1 Distribution of current lines in homogeneous medium

2 高密度电阻率法在土石坝隐患探测中的应用现状

20世纪70年代首先由英国的地球物理工作者提出高密度电阻率法，并于80年代经日本地质株式会社实现在工程的应用，80年代末该技术正式引入我国，并得到广泛应用。高密度电法是电剖面法与电测深法的结合，一次可完成纵横二维勘探过程，具有观测精度较高、数据采集可靠、获取地质信息丰富等特点，可直观地反映堤坝和土石坝内部的软弱层、渗漏带、管涌通道、裂隙（缝）、洞穴、不均匀体等隐患，是堤坝隐患探测普查和详查的主要方法之一［2，3］。

郑灿堂等通过充电法、高密度电法、地质钻探的联合探测以及渗流计算分析，有效查明了郭家村水库坝后渗水明流的成因，并对该库渗流安全进行了评价。谢向文等应用“HGH－Ⅲ堤防隐患探测系统”在黄河大堤花园口段对一已知的穿堤涵管进行了高密度电阻率法实验研究，得到已知隐患的电阻率图像。吕玉增等针对高密度电法中的电极布置和多种观测装置选择问题进行了研究，从工作条件要求、观测装置选择以及数据观测三方面进行了探讨。邓居智等利用重庆奔腾数控技术研究所研制的WGMD－1型高密度电阻率测量系统，对江西某水库土质坝体的隐患进行了探测研究。郭君科等使用WGMD-1型高密度勘探系统，对黑龙江二门山水库大坝的破碎带进行了探测研究。

综上可见，高密度电阻率法在堤防隐患探测中得到了较广泛的应用，并取得了一些应用经验。

3 现场工作方法

高密度电阻率法的现场工作包括外业准备工作、生产前的试验工作、测网测线布置、装置及电极距的选择、资料的检查与评价等［4］。

3.1 仪器准备及试验工作

3.1.1 数据采集系统

研究主要采用数据采集系统为美国AGI（Ad⁃vanced Geosciences，Inc。）公司生产的SuperSting多通道电阻率成像探测系统。

SuperSting高密度电法仪包括SuperSting R8/IP采集仪主机、程控电极转换开关、56根不锈钢电极和28个激发极化电极（Induced polarizable elec⁃trodes）、Swift高精度电缆、EarthImager1D、EarthIm⁃ager2D和EarthImager3D资料处理软件等，它是目前世界上同类仪器中最先进的一种。该仪器可直接用Sting主机作常规探测或用笔记本电脑通过程序控制采集，可应用Schlumberger法、Wenner剖面法、双偶极方法、单双偶极方法、单极子法或其他方法进行测量。电阻率层析成像是应用于地表勘探的常规反演算法的广义扩展，因而由此获得的分辨率比常规电阻率法高得多。

3.1.2 试验准备工作

制造人工低阻体：如图2所示，选择三级平台纵断面为测量断面，利用土石坝刚安装好的测压管进行注水，人工形成低阻体。由于测压管透水段已知，故人工低阻体的位置确定。当从测压管上方注水时，水通过透水段的透水孔向周围土体扩散，从而形成一个位置已知的低阻体，结合地质资料，通过测量注水量可估算人工低阻体的大小。

3.2 测线及测点布置

一般应根据装置型式、电极排列数量、探测深度、探测精度等确定点距和测线长度。根据本次试验要求，测线布置在外坡三级平台，测线长度为

112 m以满足最大供电电极（即测线长）大于3倍探测深度的要求。

3.3 装置及电极距的选择

3.3.1 装置选择

高密度电阻率法的电极装置有四极对称梯度（施伦贝格）、四级等距（温纳）、双向三极、三极、二极、偶极、微分、中间梯度装置等。不同装置形式，其反映的效果存在一定差异，通过一系列的试验比较，最终确定选用偶极、温纳和施伦贝格装置，该三种装置均能较好地反映土石坝的地电分布特征。

3.3.2 电极距的选择

藕塘水库大坝的试验选用电极距为2 m，电极数为56个。

3.4 现场操作注意问题

（1）根据现场情况，确定理论探测深度，选取合适的装置型式和布线模式，排列电极的布设与测线需保持平行。

（2）电极的接地电阻应小于10 kΩ，对接地电阻较大的电极采取浇盐水的办法降低接地电阻。

（3）各道电极布设时，至少埋深1/3电极高，并且与地面均匀、紧密耦合，使其保持竖直状态。当电极布设在水泥面或岩层区时，由于无法植入电极，可采用堆筑湿泥保证接地完好。

（4）确保各连接良好：排列布置完成后，检查布设是否正确，连线是否牢固；数据采集前，需进行信道测试，确保电缆线与各电极接口的充分接触，保证采集资料的质量。

（5）采集数据的可靠性要求：每个数据点进行3次重复观测，并保证其观测误差小于5%。

（6）当排列中有电极位于陡坎或其它复杂地形时，分析它对观测数据的可能影响，并采取措施调整。

4 资料反演分析

本次反演采用方法为佐迪法，佐迪法是基于Schlumberger和Wenner法的解释而提出的。其基于最小二乘优化法原理，通过不断调整初始模型参数使正演曲线与实际曲线之差达到最小，由此得到最终模型参数作为反演结果。

试验首先采用温纳装置进行测量，由于注水时间较短，注水尚未完全扩散，但低阻区在反演图中能够清楚地显示。已知注水点位于测线的66 m处，测压管透水段为8.5～10.5 m深处，未注水测压管位于测线的40 m处。三种装置的反演结果见图3-5，具体分析如下：

（1）上部有一条厚度约1 m的条带状低阻体，推测为雨水形成的地表渗水区，说明反演结果体现了实际的情况。

（2）在测线38～46 m段处也有一处低阻异常，根据偶极装置和施伦贝格装置试验结果，该段异常区位于深12～14 m处，但温纳装置剖面未能完全反映该段的信息；因未注水的测压管透水段正好位于该区域，推测此异常极有可能是测压管透水段积水所致。

图2 观测断面平面图Fig.2 Plan of the monitoring section

图3 温纳装置试验结果Fig.3 Test results of the Wenner device

图4 对偶极装置试验结果Fig.4 Test results of the dipole device

图5 施伦贝格装置试验结果Fig.5 Test results of Schlumberger device

（3）在测线68 m附近，三种装置试验结果均反映有一处明显的低阻异常区域，这一区域和注水测压管的人工低阻体位置十分吻合，试验效果良好。

（4）在测线80～95 m段底部，三种装置试验结果均反映该区域比周围土体的电阻率略低，分析注水到底部后，存在通过接触面向右渗透的趋势。

5 结语

（1）通过试验证明，高密度电阻率法对疑似渗漏点（低阻体）的提示效果明显，可见利用高密度电阻率法探测土石坝内部的渗漏隐患是可行的。

（2）通过本次试验，比较分析温纳装置、施伦贝尔装置、偶极-偶极装置三种测量装置的反演结果，结合相关研究成果，认为在利用高密度电法探测土石坝内部的渗漏隐患时，若探测深度要求不高宜优先选择温纳装置，施伦贝尔装置和偶极-偶极装置次之，当需要更丰富的地电信息时，宜优先选择施伦贝尔装置，偶极-偶极装置和温纳装置次之。

（3）藕塘水库试验结果表明，利用高密度电法可分析判断接触面是否均匀接触，笔者由此认为对于土石坝清基情况识别，高密度电法可提供一定依据。

（4）高密度电阻率法对于坝体（基）渗漏探测具有良好的效果，反演结果能够直观地反映低阻体，但反演结果所得低阻体并不能和实际模型完全一一对应，也即不能得到真正的精确解；同时，由于堤坝中的隐患种类繁多，在进行坝体隐患探测时也不能过分夸大高密度电阻率法的作用，资料解释推断也要充分利用各种已知信息，排除各种干扰因素对测试结果的影响，以免判断错误。为了提高反演精度，还需通过多种隐患测量方法和多种反演方法，从而达到“更满意”的结果。■

[1]工程物探手册[M].北京:中国水利水电出版社,2011.

[2]吴怀宇.堤坝隐患探测技术的现状与展望[J].长江科学院院报,2000,12(6):13-14.

[3]陈正山,张如旭.高密度电阻率法在堤坝探测上的应用[J].河海水利,2003(1):50-51.

[4]中华人民共和国水利行业标准.SL326-2005,水利水电工程物探规程[S].北京:中国水利水电出版社,2005:8-12.