高密度电法在斯木塔斯水电站古河槽渗漏勘察中的应用

何耀京

[摘要]高密度电法是一种新型的电阻率方法，可以实现电阻率的快速采集和现场数据的实时处理，它集电剖面和电测深于一体，采用高密度布点，进行二维地电断面测量，提供的数据量大、信息多，并且观测精度较高、速度快，是寻找漏水通道及其它电性差异较大介质界面最直观而有效的物探方法。在斯木塔斯水电站古河槽渗漏勘察中收到了良好的效果。

[关键词]高密度电法 渗漏勘察 古河槽 斯木塔斯水电站

[中图分类号] TV22 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-9-216-2

1概况

斯木塔斯水电站工程于2009年8月正式开工，次年9月30日实施河道截流，2012年7月大坝具备下闸蓄水条件，当月28日实施并完成了下闸工作， 下闸蓄水后因左岸古河槽渗漏，最大渗流量达4.5m3/s左右。在渗水发生后直至水库放空期间，对古河槽渗漏通道进行了详查，采取一些古河槽防渗处理。水库于2013年10月26日开始二次蓄水，古河槽出口又出现渗漏，且随着蓄水位的逐渐提高，渗漏量有跟随逐渐加大趋势。截止12月23日，总渗漏量1.23m3/s。从两个阶段的渗漏总量及1#古河槽水位变化可知：古河槽经防渗处理后，渗漏量有明显的降低，但渗漏量值还是较大。并且二次蓄水后，由于古河槽存在渗漏通道，高水头水流挤压古河槽内空隙空气，进口水面出现3处水泡现象；1#、2#水泡在1#古河槽末端（原砼心墙段），3#水泡出现在1#、2#古河槽之间的岀露山体间。经研究，采用高密度电法对1#、2#古河槽进行全面的检测，并进行钻探辅助，查明两河槽的渗漏通道的渗漏原因和渗漏部位，为河槽加固方案提供必要的依据。

方法和原理。高密度电阻率法是以地下介质导电性差异为基础，通过观测和研究与这些差异有 关人工电场的分布规律，可达到查明地下地质构造和寻找地下电性不均匀体（岩溶、 风化层、滑坡体等）的一种地球物理勘探方法。高密度电法的勘探原理，与一般电法勘探原理相同。设地表水平，地下充满均匀各向同性半无限介质，在地面上任意两点用供电电极 A，B 供电，另外两点用测量电 M，N 测量电位差。A，B 电极在 M 点产生的电位为：

同理可得到他们在 N 点产生的电位：

于是 M，N 两点间的电位差为：

由此可得到均匀大地电阻率的计算公式：

式中：

称为装置系数，它是一个与各电极间的距离有关的物理量。野外工作中，装置形式和极距一经确定，K 值便可计算出来。

获得岩石电阻率的方法之一，是用小极距的四极装置在岩石露头上进行测定。此 外，通过电测井或标本测定也可以获得岩石的电阻率。根据地下地质体电性差异而划分界限的断面，称为地电断面。地电断面所划分的界线可能同地质体，地质层位的界面吻合，也可能不一致。这时向充满非均匀介质的地下通电并进行测量，也可按（1-1）式求出一“电阻率”值。不过它不是某一地层或地质体的电阻率，而是与电流有效作用范围内所有地质体的电阻率都有关系的物理量，并称之为视电阻率，用符号ρs表示。即

视电阻率实际上是电场有效作用范围内地形和各种地质体电阻率的综合影响值。 虽然（1-1）式和（1-2）式变量右侧的形式完全一样，但左端的 ρ和 ρs 却是两个完全不同的概念。只有在地面水平且地下介质均匀各向同性的情况下，ρ和 ρs 才是相同的。

视电阻率的基本公式（1-2）可以换成一个便于对地电断面进行定性分析的公式， 即视电阻率与地表电阻率，电流密度的关系式。设地面水平，当 M，N电极间的距离 MN 很小时，其间的电场强度可认为是均匀的，因此有

所以

式中jMN， ρMN分别为M，N电极间任意点的电流密度和介质的电阻率。将（1-3）带入（1-2） 式中得到

设均匀各向同性半无限介质的电阻率为 ρ，MN 间的电流密度为 j0，此时（1-4）式 可写成

因讨论的是均匀介质，故ρs 应等于 ρ，于是便有

将（1-5）代入到（1-4）

式中 ρMN 只决定于装置的类型和大小，对于确定的装置，可以认为它是已知的。

本次高密度电法勘察采用α排列，温纳-施伦贝尔装置。该装置数据稳定性好，测试效果对垂向电性变化反映最为明显，反演深度准确。剖面采用电极距5m、局部采用3m，采用60个电极进行采集。

2资料解释

在获得各勘察剖面图后，对其进行合理的地质解释至关重要。据已有资料显示，本场地勘察深度范围内主要的岩、土层有：风积黄土层、砂卵砾石层和黑云母花岗岩。

渗漏区域或者通道通过的区域在砂卵砾石层和黑云母花岗岩中都表现为低阻异常。

通过对勘察剖面的分析，以及根据以往的相关工作经验，我们对本勘察区内的岩、土层对的电阻率有如下认识：

（1）介质的电阻率在各勘察剖面中有明显相对强弱，有数值范围，单位为Ω·m；

（2）富水砂卵砾石层和乏水砂卵砾石层的电阻率差异明显；

（3）完整基岩和节理裂隙发育的基岩电阻率差异明显；

为此，对区内的地质现象分为下述三类，同时，对岩、土层采用下述图例表示：

富水砂卵砾石层：电阻率较低，一般介于20Ω·m-80Ω·m；

乏水砂卵砾石层：电阻率较高，一般大于300Ω·m；

节理裂隙发育的基岩（富水、形成渗漏通道）：电阻率较低，一般介于50Ω·m-150Ω·m。

从排列一的观测结果进行分析不难看出，有4处明显的低阻异常，三个小异常，一个大异常，里程分别为K0+72～K0+78、K0+159～K0+179、K0+233～K0+239、K0+233～K0+239，编号为Y01、Y02、Y03、Y04，如图1。从排列二的观测结果分析看出，有2处较大的低阻异常，里程分别为K1+50～K1+84、K1+93～K1+132，编号为Y04、Y05，如图2。

本次斯木塔斯水电站古河槽渗漏勘察在9条测线上共发现19处渗漏区域，从各条测线分析主要的渗漏区域出现在以1#古河槽和2#古河槽分界的山脊两侧，以及1#古河槽靠近主坝的岸坡山体之间。

3成果验证

根据高密度电法勘查出的渗漏部位，分别在1#古河槽和2#古河槽里程为K0+233～K0+239、K1+50～K1+84、K1+93～K1+132处布置了三个钻孔进行取芯及压水试验，发现钻孔岩芯较为破碎，而且节理裂隙发育，渗水严重。这与物探结果基本吻合，证明高密度电法勘查成果可信。

4结论

高密度电法具有点距小、数据采集密度大的特点，能较直观、形象地反映断面电性异常体的形态、规模、产状等。通过断面电性异常体的形态、规模、产状，结合地质调查结果，可以较为准确地推测出地质体空间形态情况、地层岩性、断裂等情况。

在斯木塔斯水电站古河槽渗漏勘察中高密度电法的应用取得了良好的效果，既避免了钻探工作的盲目性，又节省了经费。但也存在不足之处。（1）道间距的大小直接影响高密度电法的精度，在存在较大质量问题的防渗墙区段，应尽量缩短道间距，进行较详细的勘查，但会影响勘查深度；（2）当地电性差较小时，高密度电法的分辨率较低，效果较差，分层划分模糊不清。