蒋甫伟,王 淼,丁 浩,章思亮
(山东省水利勘测设计院,山东 济南 250000)
我国水库大部分建于上世纪五六十年代,受建库时的主客观条件限制,已建成水库存在问题较多,其中以大坝渗漏问题较为突出。为了确保水库工程的安全运行,需要准确找到大坝渗漏位置并及时加以处理。传统的检测方式主要以现场观测结合相关钻孔资料进行分析,或采用单一物探方法进行探测,具有一定的限制性,难以系统地掌握大坝渗漏情况。综合物探法是运用最新电子信息技术进行探测的方法,是最佳方法或手段的优化组合。本文以山东省青杨堡水库大坝渗漏工程为例,对综合物探方法在大坝渗漏探测中的应用进行探讨。
综合物探方法是运用最新电子信息技术进行探测的方法,它不仅是不同方法的综合,也是同种方法不同勘察方式的综合,是最佳方法或手段的优化组合。
综合物探方法主要是依据不同岩层的物理特性,运用先进的电子仪器设备对地质结构进行探测,并依据仪器设备收集的信息,对地质结构进行分析。不同的地质结构体现不同的物理特性,依据反馈的图像和数据对地质结构做定量分析,可准确对所需数据做出判断[1~2]。
大坝渗漏的探测方法有很多,其中以综合物探方法最为常用:(1)运用综合物探方法细致检查水库大坝的实际情况,对于存在异常的范围进行加密测试和分析,标记产生渗漏的位置;(2)在大坝渗漏探测中应用综合物探方法,明确具体的渗漏种类、通道深度等情况;(3)检测出大坝的异常区域后,观察、明确具体的渗漏通道,并对渗流的速度加以准确计算,并依据渗漏水量分析产生渗漏的规模。
高密度电法是将电测深技术与联合剖面技术相结合的一种方法,是以岩土体的电性差异为基础的一种电探方法,根据在施加电场作用下地中传导电流的分布规律,推断地下具有不同电阻率的地质体的赋存情况[3]。
检测系统经过A、B电极朝地下进行电流供应,电流为I,并对M和N极电位差ΔU加以测定,获取记录点相应的视电阻率数值。
式中:ρs为视电阻率,即阻体具有排斥电流的能力;ΔUMN为MN间的电位差;I为供应电流。
式中相关几何因素K仅和野外有关的几何排列密切关联,在运用相关四极设备对岩石的电阻率进行测定时(图1),O代表电源A、B与电源M、N的中心,a=OA=OB=AB/2,b=OM=ON=MN/2,由此得出K=π(a2-b2)/(2b)。
图1 四极测深图
在坝体均匀情况下,其浅表位置较为干燥、密实,下端的水分逐渐增多,导致相应视电阻率的等值线呈层状分布状态,由地表朝下不断下降。若坝体存在不均匀裂缝、土体以及渗漏通道等情况,相应视电阻率等值线则表现出明显的梯度变化,成层性不明显,进而产生较高或较低电阻异常闭合圈的现象。因此,分析具体测定的视电阻率剖面,可以掌握地层内的电阻率分布状况,以便明确渗漏问题的具体位置及性质等信息。
地质雷达探测主要是运用高频电磁波的宽频带短脉冲方式,从地面经过天线T延伸到地下,待到达探测目标之后再返回到地面,被另一个天线R接收,见图2。在相关电磁波处于介质内进行传播时,无论是波形、还是强度,均会受所经过介质电性与几何形态的影响而出现变化。因此,所接收波的旅行时间、波形信息、幅度等情况可作为分析介质具体构造的参考[4]。
图2 地质雷达的运作机制
山东省青杨堡水库大坝渗漏工程水库平面图以及剖面图见图3、图4,坝轴线长170.6 m,最大坝高17 m。水库大坝坝顶高程161.11 m~162.55 m,心墙顶高程159.04 m~161.21 m,设计蓄水高程为160.04 m。上游坡为干砌块石护坡,背水坡杂草护坡;坝后为贴坡排水体,坝后无排水沟。库区两岸丘陵相对较高,形成地表水和地下水的天然分水岭,地下水分水岭高于水库正常蓄水位,且分水岭山体组成岩性多为透水性较差的花岗岩类,库内未发现有连通水库与相邻沟谷的导水断裂,因此,不会产生水库向邻谷渗漏的问题。由于心墙以上大坝坝顶土为风化岩碎屑填筑,结构疏松,颗粒大小悬殊,坝顶土与上下游坝壳砂料相连通,形成渗水通道,产生渗透破坏。对此,运用物探法,采取深浅搭配的方式可提高探测数据信息的精准度,确保信息的完整性,具有很大的实践价值。
图3 青杨堡水库平面图
图4 青杨堡水库剖面图
2017年山东省水利勘测设计院专家团队选择在青杨堡库坝区丘陵和河谷地段进行试验,主要设备及方法为:(1)DUK-3A型高密度电法测定控制系统在坝区丘陵或者河谷地段选点,点距为4 m,相应电极数量35~50个,供电电压50 V;(2)LTD-2100型地质雷达系统,相应天线主频120 MHz,采用连续扫描与点测的方式,采样点数1028~2046个,采样速率15次扫描/秒,点测时测点距为0.4 m/点,相应采样长度755 ns[5]。测线布置方法见表1,布置图见图5。
表1 测线的具体布置方法
图5 平面布置图
本次探测电法测线位于研究区35 m~83 m范围内,埋深11 m~25 m、85 m~120 m、9 m~40 m 处相应视电阻率介于11 Ω·m~42 Ω·m之间,属于低阻区域,是坝体中最容易出现渗漏的位置;埋深68 m~72 m、14 m~22 m、99 m~120 m、9 m~22 m位置,有2处封闭低阻极值区域,是大坝地下主要的渗漏通道位置。图6为剖面3-3′的电位变化图,横坐标为测线点桩号,纵坐标为自然电位。
图6 剖面3-3′电位变化曲线图
由图6可知,剖面自然电位值有先增大后减小的趋势。3-3′剖面65 m~175 m段有高电位异常表现,且浮动较大。表明青杨堡库坝区丘陵对面地下水位远高于库水位。渗流层存在较大的压差,能够形成较强的自然电场,可以排除绕坝渗漏的可能性。
剖面1-1′电位电流密度值的高低和分布情况显示坝后存在渗流现象。坝基下伏基岩呈全风化中等风化状,岩芯呈粗砂、碎块状,风化岩RQD(岩石质量指标)=0,漏水严重,漏水量约50 L/min。根据钻孔压水试验,与坝基接触的全强风化花岗闪长斑岩的透水率为21.62 Lu,中等透水性,坝基下全强风化花岗闪长斑岩存在渗漏问题。坝体壤土与基岩接触处,在渗透压力作用下,土颗粒可能被渗流带走,存在接触冲刷的可能,对大坝运行带来安全隐患。建议对全、强风化岩采取防渗措施,处理深度以进入中风化岩为宜。
剖面2-2′电位电流密度值的高低和分布情况表明深度5.0 m~14.0 m范围内视电阻率偏低,推测此处坝体含水量较高,可能存在渗漏问题。建议在坝体进行高压旋喷灌浆,以及时消除隐患。
文中青杨堡水库大坝渗漏工程通过采用高密度电法和地质雷达探测法的结合,准确地探测出了工程大坝渗流层存在较大压差、坝体含水量较高、坝后存在渗漏等问题,并对此提出了系列相关防渗措施,及时避免了大坝在后期运行中出现溃坝的风险。综合文中青杨堡水库大坝渗漏处理案例可以发现,综合物探法在工程勘察时合理组合不同的物探方法,结合其优点,能够顺利应对大范围内的勘查工作,大大提高了工程勘察的工作质量和勘察效率,降低了工程的勘察成本,对推动我国社会主义现代化建设有着明显优势。