高密度电法在于桥水库渗漏隐患探测中的应用研究

秦继辉，吴云星，谷艳昌

(1.天津市引滦工程于桥水库管理处，天津 301900；2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；3.水利部大坝安全管理中心，江苏 南京 210029)

1 工程渗漏及其加固情况

于桥水库位于天津蓟县，总库容15.59×108m3，工程等别为Ⅰ等。水库正常蓄水位21.16 m，设计洪水位24.60 m，校核洪水位25.62 m，PMP校核洪水位27.72 m。枢纽包括大坝、放水洞、溢洪道和发电站等。大坝为均质土坝，坝顶长2 222.00 m，坝顶宽6.00 m，最大坝高24.00 m，坝顶高程28.70 m。放水洞位于大坝南端坝体内(桩号0+356)，截面尺寸为5.90 m×6.00 m，洞身长55.00 m。大坝0+000～0+760桩号为重碾压坝段，0+760～0+900桩号为轻碾压坝段，0+900～1+500桩号为水中倒土坝段，1+500～1+800桩号为轻碾压坝段，1+800～1+935桩号为重碾压坝段。

大坝建成运行后，出现了坝肩渗漏、下游坝坡与坝脚渗水、下游坡渗流压力过高、坝基测压管水位超过地面、坝后出现沼泽化与冒水翻砂等问题。为此，自1976年至今，先后进行了3次除险加固工程。1976～1983年对坝基实施了第一次除险加固工程：0+500～0+700坝段帷幕灌浆，0+700～0+830坝段砼防渗墙，0+830～1+930坝段接触灌浆，1+280～1+850坝址下游新建减压沟，0+700～0+920段分3层台阶压重。1995年～1996年再次对坝基进行了加固：1+250～1+750坝基透水层内进行高喷防渗墙，0+970～1+283和1+700～1+800采用压重及贴坡反滤。由于前两次加固效果不明显，2000年～2003年水库进行了第三次除险加固，主要有以下加固内容：0+830～1+250混凝土防渗墙，1+400～1+500高喷防渗墙，1+750～1+870高压喷射灌浆，0+000～0+250和1+250～1+400坝段帷幕灌浆。

水库虽然进行了多次加固，但仍未形成封闭的防渗体系。由运行和观测资料发现，当库水位达到18.00 m时，1+600断面下游坝脚附近出现明显渗水，1+130断面也有类似情况。另外，0+356断面(放水洞)处存在接触渗流隐患。为此，采用高密度电法对于桥水库大坝进行渗漏隐患探测，对探测结果进行分析，找出大坝低电阻率相对集中区域，并结合大坝渗流观测资料，佐证大坝渗流异常的原因，同时为水库后期安全评价、除险加固提供依据。

2 高密度电法原理及设备

2.1 基本原理

高密度电法又称高密度电阻率法(electrical resistivity imaging，简称ERI)，是以岩土体电性差异为基础的一种电探方法，是电阻率剖面法和测深法的结合[1]。

(1)

图1 高密度电法原理图

由于地层介质的电阻率与岩土性质、含水性等因素有关，因此大坝渗漏异常处，土体含水量大，导电性强，在用高密度电法进行探测时，其测得的视电阻率相应就小[2]。因此，根据实测的视电阻率剖面，便可直观地划分地层，并把视电阻率相对较小的位置视为潜在渗流隐患区域。

高密度电法与传统的地质钻探法相比，无需开挖坝体，且成本低、效率高，能够揭示大坝内部渗流信息[3]。同时，相比于常规电法，高密度电法电极布设一次性完成，能进行多种电极排列方式的测量，可实现自动化数据采集，其效率高、精度高，探测能力提高明显。

2.2 探测设备

高密度电法在实际工作时，将许多电极按一定极距排列，通过电缆、开关控制箱同测量仪器相连。测量时，测量仪器通过指令控制开关控制箱，并以一定的排列顺序将电极转换成供电电极或测量电极，其工作方式见图2[4]。

于桥水库大坝渗漏隐患探测采用日本OYO公司(应用地质株式会社)生产的McOHM Profiler 4多道数字电阻率测量仪。该仪器有32个电极转换功能，带有高分辨率24位delta sigma A/D转换器的四通道接收电路，用于技术支持的基于PC的控制器，最大输出为400 V(峰流量800 V、120 mA)[5]。能显示电流波形、四通道电位波形和衰减曲线，所以能有效地控制数据的质量，该仪器见图3。

图2 高密度电法工作方式示意图

图3 McOHM Profiler 4多道数字电阻率测量仪

3 渗漏探测与结果分析

3.1 测线布置

于桥水库大坝高密度电法渗漏隐患探测布置，采用电极间距由疏到密、局部加密、探测范围适度扩大的原则。每次探测布置32个电极，探测纵断面长度为“31×电极间距”。为了解大坝渗流性态，高密度电法探测布置如下：

(1)0+311～0+404桩号段

放水洞所在位置为桩号0+356，以该断面为中心，左右两侧各布置16个电极，电极间距3.00m。探测范围为0+311～0+404，测线位于坝轴线+6.50 m、高程27.50 m的坝坡上。探测分两次进行，实际探测深度分别为26.00 m和52.00 m。探测时库水位为19.30 m。

(2)1+083～1+176桩号段

1+130断面渗流监测结果表明该断面的渗流压力较高。以该断面为中心，左右两侧各布置16个电极，电极间距3.00 m，探测纵断面范围为1+083～1+176。探测分两次进行，实际探测深度分别为26.00 m和52.00 m。探测时库水位为19.30 m。

(3)1+572～1+655桩号段

在右坝段1+605下游坡脚存在渗水，为此，以该断面为中心从上游到下游依次布置4个探测纵剖面。每个纵剖面左右两侧各布置16个电极，电极间距为3.00 m，探测范围为1+572～1+655。四个纵剖面距坝轴线依次为-10.00 m、+6.50 m、+28.00 m、+41.50 m，高程依次为26.70 m、27.50 m、22.50 m、20.80 m，每个纵剖面探测1次，共计4次，探测深度均为26.00 m。探测时库水位为19.30 m。

3.2 探测结果分析

首先对高密度电法探测成果进行人工辨识删除异常值，然后采用Res2dinv快速二维电阻率反演软件对数据进行反演，获得视电阻率二维色谱图。色谱图中横坐标为桩号，纵坐标为测深，电阻率单位为Ω·m。

3.2.1 0+311～0+404桩号段

放水洞附近探测数据经反演得到的视电阻率图谱见图4。

图4 放水洞附近视电阻率分布图

放水洞在图中的位置为42.00～47.00 m(即0+353～0+358之间)，埋设深度在13.00～18.00 m之间。

根据高密度电法探测原理，土体含水量高、导电性强，其视电阻率相应就小。由上图可知，放水洞位置处的视电阻率较高，而两侧分别存在低视电阻率分布区域(见图中黑色虚线所围区域)，深度为7.00～12.00 m，表明放水洞两侧透水性较强，存在渗漏区。

为了进一步验证放水洞周围存在渗漏区，对放水洞附近0+360断面轴距为+6.00 m处的渗压计监测资料进行分析。坝体渗压计B0360BA测值过程线表明(见图5)，其测值稳定在15.50 m上下(深度位置为12.00 m)，并呈现逐年上升趋势，测值最高达17.50 m(深度位置为10.00 m)，说明该断面周边坝体透水性增强，有可能是放水管渗漏或接触渗漏造成。另外，坝基渗压计B0360BB与库水位相关性较强，相关系数为0.81。

表1 0+360断面渗压计考证信息表

由以上分析可知，高密度电法探测的低视电阻率区域与渗流资料分析结果基本一致；而放水洞两侧渗流异常或放水洞渗漏导致坝体出现渗流饱和区，致使出现低视电阻率区域。

3.2.21+083～1+176桩号段

根据探测数据经反演得到的1+083～1+176桩号段视电阻率图谱见图6。

图5 0+360桩号断面渗压过程线图

图6 1+130断面附近视电阻率分布图

图6显示了1+130断面左右两侧均存在明显的呈带状分布的低阻区，推测土体含水率较高。

1+130断面渗压计考证信息见表3，坝体渗流压力过程线见图7。由图7可知该断面测点渗流压力均较大，其中B1130EA、B1130AA、B1130BA三测点测值接近库水位，一般保持在17.40～19.30 m(深度位置为8.20～10.10 m)之间。

表2 1+130断面渗压计考证信息

图7 1+130断面坝体渗流压力过程线图

由以上分析可知，高密度电法探测结果与资料分析结果基本一致。由于1+130断面处于水中倒土坝段，该断面左右两侧出现带状低阻区可能与该坝段坝体填筑材料有关。

3.2.3 1+572～1+665桩号段

1+572～1+665桩号段4个纵剖面探测数据经反演得到的视电阻率图谱见图8～11。

由图8～11可知，在图中33.00～39.00 m处(即1+605～1+611之间)，四个纵剖面均存在一集中低电阻率区域，从上游到下游距坝面的深度范围依次为4.00～12.00 m、4.00～12.00 m、2.00～12.00 m、3.00～13.00 m，对应的高程依次为14.70～22.70 m、15.50～23.50 m、10.50～20.50 m、7.80～17.80 m。

取临近断面1+650坝体渗流压力监测资料进行分析，该断面渗压计考证信息见表3，渗流压力过程线见图12。由图可知，渗压计B1650EA水头测值较大，接近库水位，渗压计B1650AA与B1650BA水位测值保持在16.30 m上下，渗压计B1650CA水位测值保持在15.50 m左右。由此可见，该坝段的渗压计水位较高，且随库水位的变化作同步变化，与库水位的相关性显著。

图8 轴距为-10.00 m电阻率分布图

图9 轴距为6.50 m电阻率分布图

图10 轴距为28.00 m电阻率分布图

图11 轴距为41.50 m电阻率分布图

图12 1+650断面坝体渗流压力过程线图

测点编号桩号轴距/m埋设高程/m孔口/孔底高程/m相关系数B1650EA1+650-18.5015.2424.41/-12.700.95B1650AA1+650-12.0014.4124.80/-13.800.91B1650BA1+6506.0014.7727.06/-5.040.87B1650CA1+65040.0014.7119.37/-2.630.94

综合隐患探测和渗流监测资料分析成果，认为坝体在1+600断面附近存在贯通上下游的低电阻率区，由于该断面恰好位于右岸轻碾压坝段，可能是土体渗透性强所致。

4 结 语

文中将高密度电法应用在于桥水库大坝渗漏隐患探测中，获得了大坝视电阻率分布情况，查明了大坝渗漏区域。综合探测断面的电阻率云图以及渗流观测资料分析成果，本次高密度电法探测较好地揭示了坝体各断面渗流情况，验证了高密度电法在大坝渗漏隐患探测中的可行性和可靠性。

高密度电法运用方便、无需开挖坝体，且成果可信，未来在水库大坝应急监测和检测方面，如何充分发挥高密度电法的作用及提高探测效果，还需进一步探索研究。

参考文献：

[1] 严加永，孟贵祥，吕庆田，等.高密度电法的进展与展望[J].物探与化探，2012，34(6)：576～583.

[2] 谷艳昌，王宏巍，王宏，等.高密度电法仪在溃坝试验中的应用研究[J].水利水电技术，2015，46(3)：94～96.

[3] 杨阳，徐海峰，李卓，等.霍林河水库渗漏检测与防渗效果分析[J].三峡大学学报(自然科学版)，2015，37(3)：11～14.

[4] 邓超文，周孝宇.高密度电法的原理及工程应用[J].西部探矿工程，2006(s)：278 ～279.