综合物探方法在土坝渗漏通道检测中的应用

叶立龙，徐洪苗，胡俊杰

(1.歙县水利局, 安徽 黄山 245200；2.安徽工程勘察院，安徽 合肥 230011)

1 引 言

土坝渗漏是危及水库大坝安全的重大隐患。快速、准确排查出坝体渗漏通道的分布，是排除大坝险情进一步恶化的有效措施。

近年来，随着物探技术的发展，物探方法及物探仪器设备精度均得到大幅度提高，物探方法以无损、快速、准确的特点被广泛地应用于大坝渗漏检测领域[1]。肖长安[2]利用自然电场法、伪随机流场拟合法进行组合，使物性参数多样化，从不同的参数角度来表现出渗漏通道，取得了较好的探测效果；郑立霖等[3]利用探地雷达法探测10 m深度范围内的渗漏通道，建立渗漏通道在雷达图形上的异常特征，并结合平行剖面观测方式，追踪渗流通道的走向；郑灿堂等[4]将充电法和高密度电阻率法相结合，来确定渗漏带的平面分布及空间形态，给钻孔勘探和渗流计算提供了指导意见。综上所述，综合物探方法以多种物性特征为基础，相互验证，大大提高了探测结果的准确性[5-7]。

2 综合物探方法

2.1 直流充电法

充电法是指在钻井、坑道等人工揭露或天然露头的良导体上接一供电电极(A)，并将另一供电电极(B)置于离充电体很远的地方(无穷远极)，通过对充电体进行充电[8,9],进而查明充电体的空间分布形态、产状及延伸的一种电法勘探方法。

2.2 探地雷达

探地雷达法(GPR)是利用高频、超高频电磁波以短脉冲形式由发射天线传入地下介质，经目标物或地层反射后返回地面，被接收天线接收反射信号，探测目标体空间位置和分布的一种非破坏性物探方法[7,10]。其实际是利用目标体及周围介质的电磁波的反射特性差异，对目标体内部的构造和缺陷进行探测。

3 探测实例及分析

3.1 工程概况

安徽皖南山区某水库兴建于20世纪70年代，集水面积为1.85 km2，大坝为土坝，在背水坡底部出现渗漏，渗漏出水量约2.0 m3/h。为查明渗漏通道的平面分布，采用物探方法进行探测。根据现场情况，发现坝体下游区域有明显的渗漏出水口(充电露头)，为进行直流充电法提供了前提；根据坝基施工资料，坝基壤土中夹杂块状碎石，推测渗漏原因为坝基壤土中块碎石夯实充填不均，局部存在裂隙，形成渗漏通道。因此对探测分辨率要求较高，对比目前各种物探方法，探地雷达是目前分辨率最高的方法之一，综合各种因素，选用直流充电法及探地雷达两种方法对大坝进行探测。

表1 常见介质物理参数

3.2 大坝相关的物性特征

表1为本次大坝探测中常见介质的物性参数。由表1可见，坝体组成部分与空气、水存在明显的物性差异，并且随着含水量的不同，黏土、泥砂的物性有较大的变化，这为本次利用综合物探方法探测坝体渗漏隐患提供了地球物理基础。

3.3 物探综合剖面布设

结合大坝走向及测区地质背景特征，采用充电法布置剖面8条，水库放水前布置剖面为L1、L4、L5、L6、L7、L8、L9及L10线；水库放水后，布置测量剖面为加L0、加L1及加L2线，点距0.2 m，剖面总长340 m；采用探地雷达布置剖面6条，水库放水前布置剖面为L1、L2、L4、L7线，L1、L2线分别使用250 MHz及100 MHz天线进行测量，L4、L7线使用100 MHz天线进行测量；水库放水后，布置剖面为加L2、加L3线，测量点距0.1 m，剖面总长198.3 m。物探工作布置示意图见图1。

图1 物探工作布置示意图Fig.1 Sketch map of geophysical prospection layout

3.4 物探方法技术参数设置

本次直流充电法采用电位梯度法观测，测量数据经归一化处理，测量点距0.5 m，充电无穷远极(∞)选择在测区自然电场平稳的背景地段，且距测区中心的距离不小于测区对角线的两倍。探地雷达采用250 MHz、100 MHz屏蔽天线，采样间距0.1 m，自动叠加64次，距离触发探测方式。

3.5 物探异常及特征解释

以典型剖面L2线为例，进行综合物探方法解释。

3.5.1 直流充电法异常解释

根据加L2线充电法归一化电位梯度剖面曲线(图2a)，电位梯度值呈正、负反对称分布；在115～124号点为负值反映，最大幅值为-12.5 mV/A·m，在125～130号点呈正值反映，最大幅值为11.6 mV/A·m，零值点异常位于124.5号点，解译为渗漏通道中心在地面的反映。

3.5.2 探地雷达异常解释

根据加L2线探地雷达剖面图(图2b)，高程182～176 m范围内雷达反射信号强烈，幅值较高，绕射波相互叠加形成一定区域，解译为坝基壤土夹碎石的反映。在高程176 m以下，雷达信号幅值较弱，解释推测为元古界环沙组砂质千枚岩强～中风化的反映。在剖面的129～132号点，雷达反射信号强烈，幅值较高，绕射波相互叠加形成一定区域，解释推测为坝基与基岩接触带附近基岩破碎、裂隙发育的反映。在123.5～125号点，高程179～175 m，雷达反射信号幅值较弱，呈空腔状形态，解释推测为渗漏通道或脱空区的反映。

图2 L2线综合剖面Fig.2 The comprehensive cross-sectional view of line L2

3.6 物探异常平面分布特征及解释推断

根据充电法归一化电位梯度剖面平面图(图3)及平面等值线图(图4)，11条电位梯度值均呈正、负反对称分布，并且随着各剖面距离充电点的垂距增大，各剖面电位梯度曲线的正、负幅值依次减小，剖面的零值点为充电体顶部中心，解译为渗漏带在地面的反映。各剖面的电位梯度零值点具体分布在：加L0线零值点反映在剖面的120～122.5号点，加L1线反映在121、124.5号点，L3线零值点反映在剖面的123～123.5号点，L4线反映在120、123～125、128.5号点，L5线反映在126.5、130.5号点，L6线反映在131～131.5号点，L7线反映在137号点，L8线反映在132～133号点，L9线反映在131.5～132号点，L10线反映在133～133.5号点。各剖面电位梯度零值点与充点电呈带状分布，解译为渗漏带在地面的反映，走向为北东向，渗漏带宽度1～4 m。

图3 充电法归一化电位梯度剖面平面Fig.3 The normalized potential gradient profile plane by charging method

图4 充电法归一化电位梯度平面等值线Fig.4 Normalized potential gradient plane contour map by charging method

4 结 论

1)探地雷达对坝基中壤土夹碎石与下伏基岩的分界面反映清晰，能够清楚地反映出坝基壤土夹碎石由于夯实充填不均，局部形成疏松区，最终形成渗漏通道。

2)当大坝存在明显的渗漏出水点时，直流充电法具有较好的探测效果，能够快速、准确地确定渗漏通道。

3)在大坝渗漏检测中，综合物探方法作为无损探测，具有快速、准确的特点，同时相比较单一物探方法，可以大大降低物探的多解性，达到取长补短、相互补充的效果。