一种改进的高密度电法在堤坝渗漏探测中的应用

欧阳永永 朱 珺 杨 翼

中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司，湖南长沙 410000

湖南省郴州市苏仙区桥口镇境内某水库离郴永大道约120m，面积约12万m2，水库存水量较大，周边有工业厂房和村庄。据现场调查发现，该水库堤坝坝体渗漏严重，日涌水量超2000m3，对水库坝体结构稳定及附近基础设施安全构成严重威胁。现场地质人员采用传统地质勘察手段均未能查明渗漏位置，因此急需对此堤坝开展工程物探工作，以帮助探明渗漏准确位置。

当前，针对堤坝渗漏的工程的物探方法有很多，探测仪器门类也较丰富，在不同的地质及地球物理条件下，通过各种物探方法进行渗漏探测，各有优劣。高密度电法凭借反映地电信息丰富、施测简便、工作效率高等优势，被广泛应用于工程地质、水文地质、环境地质勘查中。但在工程物探应用中，高密度电法由于正反演计算有时也存在一定的局限性，因此在地质解释中常作“半定量”推断。而在特定工程条件下，若结合实际，通过对高密度电法进行有针对性地“改良”，往往达到到事半功倍的勘探效果。

1 工区地质及地球物理特征

本次渗漏堤坝所处场地为丘陵地貌，附近基层多裸露，覆盖层很薄。坝体上方道路长约60m，路面较窄，约5～8m。堤坝迎水面离坝体顶部约3m，堤坝背水面地形陡峭，植被茂盛，渗漏处涌水点较多，涌水流速高。通过地质勘察发现，堤坝道路表层为填方区，主要为粘土，夹有砂砾；往下为厚度较薄的混凝土层，结构较破碎；下伏基岩为第三系红砂岩地层。

据分析，坝体表层粘土电阻率稍高，下伏基岩红砂岩为低阻地层，两者存在一定的电阻率差异。而堤坝渗透通道含水库流水，也属低阻介质，且与周围的红砂岩电阻率差异小，很难在地球物理场中分辨出电性异常区。若通过人工干预的方法改变渗漏通道的物性，使之与周围介质存在一定的物性差异，可具备开展物探工作的地球物理条件。

2 高密度电法原理及外业工作方法

高密度电法作为一种阵列电阻率勘探方法，采用高密度布点，进行二维地电断面测量，集电剖面和电测深于一体。高密度电法勘探的前提条件是地下介质间的导电性差异，和常规电法一样，它通过A、B电极向地下供电（电流为I），然后测量M、N极电位差△U，从而求得该记录点的视电阻率值ρs=K×ΔU/I。根据实测的视电阻率剖面进行计算、处理、分析，便可获得地层中的电阻率分布情况，从而解决相应的工程地质问题。

本文高密度电法采用温纳（α）装置，通过重庆地质仪器厂高密度电法仪器自动转换电极、扫描测量得到二维电法数据断面。室内数据处理采用RES2DINV自动迭代反演程序，其正演过程采用有限元法，反演采用光滑约束最小平方反演技术，反复迭代降低RMS，提高反演精度，从而得到电阻率反演断面图。数据处理与资料解释流程示意图如图1所示。

图1 数据处理与资料解释流程示意图

在外业工作布置时，沿坝体方向、大致垂直渗透通道走向布置一条高密度电法勘探剖面，敷设电极总数为60，电极距为2m，隔离系数为18，勘探剖面长度118m，勘探覆盖范围与深度可满足工程勘察需要。在数据采集时，先保持高密度电法勘探装置观测参数不变，连续进行两次数据采集，经二维反演后，发现电阻率断面一致性良好，以此证实该观测系统的稳定性。

根据前期制定的物探实施方案，结合现场迎水面及渗漏流速等情况估算，在该堤坝迎水面投入约500kgNaCl粉末，经溶解后增加堤坝渗透通道中导电离子的总数量，从而改善渗漏通道导电性，降低渗透通道电阻率，增大与围岩介质的电性差异。在投盐5～8min后，再进行第二次高密度电法数据采集，通过对比分析电阻率反演剖面其中的电性变化，并对电阻率异常区进行解释推断，从而达到查明堤坝渗漏目的。

3 物探资料解释及推断

在完成本次高密度电法数据采集后，通过将数据转换、剔除坏点、加地形等处理，经二维反演得到电阻率断面图。根据电阻率二维反演计算规律，剖面“两翼”的三角形区域一般不作定性或定量解释。

由投入NaCl前的勘探剖面图2可知，剖面中间黄色区段为堤坝坝体，主要对应为上部回填压实的粘土层，厚度在1.5～3m之间；往下为回填土与基岩界面，有轻微破碎并存在一定的渗透现象；在42～46m、55.2～57.5m、72～75m，埋深分别为3～4m、8～10m、5.3～6.3m的三处均存有低阻异常区，且异常区形态较明显。

图2 堤坝坝体上方高密度电法反演电阻率断面图

当投入NaCl间隔5～10min后施测，经反演得到勘探剖面图3可知，在42～46m、55.2～57.5m、72～75m，埋深分别为3～4m、8～10m、5.3～6.3m的三处低阻异常更明显，反演呈现的低阻闭合圈呈现一定的“放大”或“拉伸”现象，且反演电阻率值变小。经分析，主要原因为：当岩体致密或较完整，未形成渗透的含水通道，导电离子无法进入岩体时，岩体电阻率不会有明显变化。相反，当岩体破碎或含渗透通道，由于水的运移携带导电离子，会导致该区域电阻率下降，从而使二维电阻率反演后的低阻区域扩大。由此可知，低阻异常区扩大以及反演电阻率下降的现象与坝体的渗透通道有关，一定程度上佐证了低阻异常区解释为渗透通道的可能。

图3 投入NaCl后堤坝坝体上方高密度电法反演电阻率断面图

结合工程地质条件，在物探剖面42～46m、55.2～57.5m、72～75m选取3个点进行钻探验证。经钻探验证发现，三处均存在岩体破碎，厚度在0.3～1.1m不等。为进一步验证探测位置的准确性，在钻孔中加入木屑等不溶于水材料进行了堤坝渗透的连通试验。试验充分表明，钻孔所揭露的渗透通道与坝体背水面渗漏的涌水是完全相连的。因此，表明坝体布置物探剖面所对应42～46m、55.2～57.5m、72～75m，埋深分别为3～4m、8～10m、5.3～6.3m的三处位置为堤坝坝体渗透的主要通道。

4 结语

（1）采用此改进的高密度电法方法对堤坝渗漏问题进行探测是有效的，且有较高的解释精度，能较快查明堤坝渗漏空间位置，为堤坝渗漏施工治理提供良好的参考作用。

（2）在解决堤坝渗漏问题时，当渗漏规模相对小，或渗漏通道与周围介质的物性差异性小难于探测时，可结合工程实际，采用通过人工干预方法适当改变渗漏通道导电性，使之与周围介质产生更大的物性差异，提高地球物理信号响应，并通过对比分析人工干预前后的物性特征变化，更易探测异常目标体的存在，且较准地确定其空间位置，这对于解决类似工程问题具有较好的借鉴和指导意义。