超高密度电法在共和水库探查新旧坝体中的应用

2021-02-18 09:19孙宝喜胡景松高贵兵

黑龙江水利科技 2021年12期

孙宝喜，胡景松，张雷，高贵兵

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

0 前言

地球物理勘探，简称“物探”，是用物理方法来勘探地壳上层岩石的构造与寻找有用矿产的一门新的学科。按照所探测的物理参数的不同，常用物探方法主要分为重、磁、电、震四大类，其中的“电”即电法勘探，它主要探测的是地下介质的电阻率值，通过电阻率差异来达到勘探地下地质结构的目的，电法勘探方法也分为很多种，主要有电剖面法、电测深法及其它电探方法三大类，以上不同的电法勘探方法各有优缺点，例如：电剖面法沿测线方向分辨率较高，而电测深法沿垂直方向分辨率较高，而超高密度电法勘探做为一种新兴物探方法，它集合了电剖面法和电测深法的优点，自动化程度高，每个断面采集的数据量高达6万多个，因此探测结果更加精准，工作效率也更高，近年来在工程勘察领域已被广为应用[1]。

桦南县共和水库位于桦南县城西北约20km处。水库兴建于1958年，续建于1976年，1980年全部完工交付使用至今，前后分2期，历时22年。水库枢纽工程由拦河坝、溢洪道、输水洞三部分组成。水库按50a一遇洪水设计，500a一遇洪水校核，兴利水位146.88m，校核洪水位147.44m，相应库容3590万m3,，死水位141.00m。

共和水库承担着共和灌区的灌溉任务，负责下游明义乡、金沙乡、土龙山镇三个乡镇共计21个村屯的水田灌溉任务，灌溉面积4.2万亩，其中输水洞灌溉1.2万亩，溢洪道灌溉3万亩。共和水库还有重要的防洪任务，保护着下游25个村屯，5.4万人口，12万亩农田，保护鹤大公路10km和201国道15km。

目前共和水库现状如下：土坝原设计(1958)为黏土均质坝，原坝顶高程为144.3m，1976年在原坝体上进行加高培厚，这部分坝型为黏土心墙坝，坝壳为碎石料，总最大坝高10.9m，坝长1070m(含副坝)。现坝顶高程148.42m，坝顶宽5.0m，坝顶上游无防浪墙。坝上游浆砌石护坡，坡比1∶3.5；坝下游碎石护坡，坡比1∶3.0。在144.0m高程坝后坡设一宽2.0m马道。坝后坡脚处设有贴坡排水体。

勘察工作的重要任务为：查明新、老两期坝体的分界线，并查明黏土芯墙的轮廓线。

1 原理

超高密度电法基本原理是一种阵列式电阻率测量方法，是借鉴地震勘探技术与计算机数字技术的典型应用，它集电剖面和电测深于一体，采用高密度布点，进行二维地电断面的测量，既能揭示地下某一深度水平岩性的变化，又能提供岩性沿纵向的变化情况。从主要调查对象和数据处理和成图考察，它更具有电剖面的属性。

2 工作方法及仪器使用

进行超高密度电法野外作业时，我们首先将两根专用电缆沿测线布置，再将一定数量的金属电极按等间距接地(具体点距由勘探深度决定，勘探深度大致为点距的10倍)，并分别与电缆上的每一道连接，仪器主机位于两根电缆中间，两根电缆也分别接到主机上，外加电源为12伏蓄电池，蓄电池一方面通过逆变器给专用笔记本电脑供电，另一方面通过主机给电缆电极供电，正式测量前首先要查道，对于断道要逐一检视，尽量保持接地良好，对于极个别不通的道，测试前可剔除掉，正式测量时，主机内置的程控电极转换开关，就可以实现剖面中不同电极距的转换，从而对不同电极排列方式下的数据进行快速、自动的采集，这样大大节省了测量时间，也实现了自动采集化的实现[2]。

超高密度电法每个完整的测量断面(64道)每次测量一共可得到约6万对的数据量。本次超高密度视电阻率值法勘探采用了0.5m、1.0m两种不同点距，其中0.5m点距一次测量可覆盖31.5m长度，勘探深度约5m，0.5m点距主要用来解决查清黏土芯墙轮廓的问题；1.0m点距一次测量可有效覆盖63.0m长度，勘探深度约10.0m，1.0m点距主要用来解决查清新、老坝体分界线的问题。

本次超高密度视电阻率值法勘探使用仪器是由澳大利亚ZZ Resistivity Imaging研发中心研制的FlashRES 64多通道超高密度直流电法仪。

3 资料解释

后期资料处理时，利用为Flash RES 64多通道超高密度直流电法勘探系统专门配置的处理软件FlashRES64S.EXE可对野外采集的数断面据进行处理，对于单个断面的短测线，处理后得到单独的*.grd格式的文件，而对于由多个断面组成的长测线，在处理时还可以通过专用软件把多个断面接成一个长德数据文件，最终每条测线也得到一个*.grd格式的文件，该文件可进一步被等值线绘图软件Surfer直接调用，再利用Surfer绘制该剖面的视视电阻率值剖面图，最后利用该视视电阻率值剖面图结合地质资料进行综合解释工作。

依据每条测线的超高密度反演色谱图中低阻异常体或高阻异常体的形态，可进一步确定地下地质体的形态特征，以此达到解决相关地质或工程类问题。

4 工程实例分析

4.1 新、老坝体分界线勘察

共和水库兴建于1958年，当时是按均质土坝建的，续建于1976年，续建时在原坝体上部按黏土心墙坝修建，直至1980年全部完工交付使用。

4.1.1 新老坝体分界线(1958年-1976年)

原有土坝坝体填筑土为黄褐色及深褐色高液限黏土，粉粒含量51%-53%，黏粒含量29%-34%，平均含水率25.5%。

物探工作的一个重要目的是查清新老坝体的分界线，为此，采用1m点距超高密度电阻率勘探，本次在基本垂直坝轴线方向布置11条超高密度电法勘测线，各条测线对应的坝轴线桩号为： B—B’线为0+000、C—C’线为0+142、D—D’线为0+220、E—E’线为0+340、F—F’线为0+392、G—G’线为0+520、H—H’线为0+610、I—I’线为0+710、J—J’线为0+812、K—K’线为0+916、L—L’线为1+030。

纵观11条测线，在超高密度电法断面色谱图基本上较清晰地反映出新老坝体交接处的界面形态，其中，上部新坝体视电阻率在20Ω·m -150Ω·m；老坝体视电阻率在50Ω·m -460Ω·m。由于篇幅所限，本篇附上B—B’线、G—G’线、J—J’线超高密度电法解释成果。对应的反演色谱图详见图1-图3。

4.2 黏土心墙轮廓线勘察

物探工作的另一个重要目的是查清1976年至今续建时的黏土心墙轮廓，为此，我们采用0.5m点距超高密度电阻率勘探，本次在基本垂直坝轴线方向布置11条超高密度电法勘测线其中各条测线对应的坝轴线桩号为： B—B’线为0+000、C—C’线为0+142、D—D’线为0+220、E—E’线为0+340、F—F’线为0+392、G—G’线为0+520、H—H’线为0+610、I—I’线为0+710、J—J’线为0+812、K—K’线为0+916、L—L’线为1+030。

纵观11条测线，可依稀分辨出黏土心墙的轮廓线。其中，心墙部分黏土的视电阻率在20Ω·m -200Ω·m；心墙两侧反滤料的视电阻率在20Ω·m -480Ω·m，心墙顶高程在147m -147.6m，心墙在坝轴线方向连续性好，垂直坝轴线方向上宽窄不一，局部相对较窄，心墙顶宽在2m -3.8m，平均宽度2.9m。由于篇幅所限，本篇附上B—B’线、G—G’线超高密度电法解释成果及黏土心墙上顶宽度变化示意图。详见图4、图5及图6。