微动技术在堤坝渗漏探测中的应用

贾慧涛，刘 杨，盛 勇，蔡向阳

(安徽省地球物理地球化学勘查技术院，安徽 合肥 230022)

0 引 言

至20世纪80年代，我国建设的土石坝已高达9万座，受限于当时的施工条件和工程技术手段，部分坝体质量堪忧。因长期使用又疏于修整，不少水坝存在安全隐患，有些出现了渗漏现象，甚至出现管涌、流土、滑坡等严重问题，影响水电站的正常运转，危害周围群众的生命财产安全。因此，定期对使用中的大坝进行检测，尤其是对出现渗漏迹象的大坝进行无损检测非常必要(程建设等，2017)。常规物探手段因大坝的环境制约，难以达到理想的应用效果(刘云祯等，1996；张建清等，2018)。微动勘探技术无需人工源，不受电磁干扰，无需破坏施工现场，对因不密实(渗漏)引起的低速异常灵敏，适用于水库大坝探测施工(陈兴海等，2014)。

微动是地球表面随时随地都存在的微弱震动，Toksöz等(1968)认为其信号源主要分为2类：①由自然运动引起的频率<1 Hz的长波微动，常用于深部目标探测；②由人类活动产生的频率>1 Hz的常时微动，常用于浅部精细结构调查。基于Tokimatsu等(1992)对浅层S波速度结构的研究，在保持其高精度勘探效果的同时拓展其勘探深度和应用范围而研发的MicroSWP微动处理软件(安徽省地球物理地球化学勘查技术院)，利用频率-波数谱法的优势，针对不同勘探需求及场地灵活设计观测台阵，在地热资源勘探、大坝渗漏检测、地下采空区探测、城市地质调查等领域均取得了理想效果(盛勇等，2019；贾慧涛等，2020)。

对江苏句容一处已渗漏的水库大坝进行微动勘探施工，寻找渗漏点位置并进行钻孔验证，检验微动勘探技术在水库大坝渗漏检测中的应用效果。

1 微动勘探理论

微动勘探技术利用面波的频散特性，从微动信号中求取面波频散，对频散曲线进行反演得到地下不同深度对应的视剪切波速度，从而区分地层及构造(冉伟彦等，1994；何正勤等，2007)。

高分辨率频率-波数谱：

(1)

式(1)中，(xi,yi)、(xj,yj)分别为第i、j个拾震器的坐标，(kx,ky)为波数k在x、y方向的分量。

(2)

式(2)中，Qij(f,k)为矩阵exp[i(kx(xi-xj)+ky(yi-yj))]·Sij(f)的逆矩阵。

找到每一个频率f在二维波数kx-ky平面上的高分辨率频率-波数谱的极大值点位置，求得对应的波数k，即可得到对应频率的相速度vR(f)。

采用经验公式(Xu et al.,2012)：

(3)

对面波频散曲线进行处理，得到视剪切波速度vx与频率的关系，进而计算得到vx随深度的变化曲线(vx-H曲线)。再对剖面上各个测点的vx-H曲线插值处理，得到视剪切波速度-深度剖面图，可直观推断测点地下各层的横波速度结构以及层厚度等地层信息。

2 大坝渗漏检测微动勘探实例

2.1 研究区概况

该渗漏坝体兴建于1998年，坝顶高程为68.8 m、长度为100 m，坝高最大值为11.5 m。上游水库容水量为11.5万m3，汛限水位66.5 m，集水面积约为0.22 km2，水库主要功能为调蓄洪水、引水灌溉、防洪抗旱等。该水库堤坝已发生滑坡，坝体下侧可见到管涌点和浸润区，上侧可见凹陷点。大坝水位线距坝顶2.6 m，水深在2 m以上。大坝自左向右23 m处有一涵闸，30 m处有一涵洞，处于水位线上(图1)。

图1 大坝渗漏检测微动剖面位置示意图1-钻孔及编号；2-微动测钱及测点编号；3-自然电位剖面；4-高密度电法剖面Fig. 1 Microtremor profile location for dam leakage detection

2.2 微动数据采集仪器

使用由宽频单分量拾震器和MicroGS微动数据采集器构成的高精度微动数据采集系统，仪器参数指标见表1。

表1 微动数据采集器系统参数指标Table 1 System parameters for the microtremor observation equipment

2.3 野外数据采集

因大坝场地所限，采用直线型台阵布设方式进行测量。大坝顶部迎水一侧和背水一侧各布置1条测线W1、W2，测线长120 m，探测点点距1 m。每条采样频率1 000 Hz，观测时间为20 min。以20为间隔，仅标出部分点位和点号(图1)。观测台阵包含测线方向上5个相邻观测点，中心点为探测点位置，每个观测点布设1套采集系统(图2)。

图2 微动勘探线性点阵观测系统示意图Fig.2 Detection system of the linear array by microtremor observation

2.4 微动数据处理

采用MicroSWP微动处理软件进行数据处理，主要处理步骤包括数据预处理、滤波、面波频散提取、视剪切波速度结构计算、生成视剪切波速度-深度剖面图，对探测点地下介质进行分层及构造识别。该软件界面友好、操作简便，在地热勘探、采空区探测、城市地质调查等深部和浅部勘探应用中均取得了良好的勘查效果。以W1线30号点为例说明单点数据处理流程(图3)。

图3 W1线30号点数据处理流程Fig.3 Processing flow of microtremor data at survey Point 30,Line W1(a)synchronization time signals;(b)dispersion curve;(c)apparent shear wave velocity structure

2.5 成果资料解释

图4所示为坝顶迎水面(图4a)和背水面(图4b)的微动视S波速度-深度剖面。视S波速度的变化反映了地下介质的变化，可能引起速度变化的因素包括介质的岩性、孔隙度、含水量、松散程度等，结合钻孔岩性特征划分剖面图中视S波速度变化范围(表2)，并据此将大坝结构分为3层。

表2 大坝渗漏通道推断及钻孔验证结果Table 2 Deduced leakage passages and the related borehole verification

(1)深度0～2.6 m之间推测为未浸水的素填土层，视S波速度范围约为140～200 m/s，与大坝水位线位置吻合。迎水面坝体长期浸水冲蚀，介质较稀疏，界面较松散；背水面坝体浸蚀程度较低，界面更清晰。

(2)深度-2.6～-12.0 m之间有一“U”形速度界面，界面以上推测为浸水的素填土层，视S波速度范围约为200～400 m/s，该层中的低速异常区域推测为主要渗漏位置；界面以下推测为坝底基岩层，该层较密实，视S波速度范围约为500～1 000 m/s。

通过迎水面和背水面的微动异常对比，可从坝体素填土部分圈出4处明显的低速异常组合(图4)：① Y1异常组合，包括Y11与Y21，已知此处为排水涵洞；② Y2异常组合，包括Y12与Y22，推测该异常组合为一处渗漏通道Ⅰ；③ Y3异常组合，包括Y13与Y23，推测该异常组合为一处较大渗漏通道Ⅱ；④ Y4异常组合，包括Y14与Y24，推测为渗漏通道Ⅲ。

钻探验证(图5)所示，钻孔ZK1速度结构中7～8 m位置的低速异常(Y11右侧异常)推测为受排水涵洞影响，渗水导致周围风化角砾岩局部破碎引起；钻孔ZK2速度结构中7.0 m位置的低速异常(Y12异常)经验证是由渗漏引起。根据钻孔岩性资料在微动剖面图上对主要层位进行标定，勾画出各岩层顶、底界面位置(图4中黑色折线)，发现与微动速度分层界面位置基本一致。经钻孔验证，Y12和Y13均出现渗漏现象，与微动推断成果吻合。结合钻探资料推断，Y14处异常组合是由右侧边坡雨水等水沿坝体与基岩之前的强风化、全风化层渗入坝体长期浸润软化所致，属渗漏危险区，重点防治监测。

图5 钻孔岩性与速度结构对比图Fig.5 Comparison between borehole lithology with velocity structure

表3为推断的3处渗漏通道位置的钻探验证结果。① 钻孔验证通道Ⅰ处在7.0 m位置有渗漏，图4显示此处迎水面异常在5～7.0 m之间，表现为多个小异常，多个小渗水通道或裂隙在较低的背水面汇聚，导致背水面介质流失，并在7～10 m之间形成明显的渗漏通道，因为此处迎水面坝体的完整性好于背水面，所以微动剖面上迎水面的波速也大于背水面。② 钻孔验证通道Ⅱ处在8.4 m处开始漏水，迎水面异常范围主要在5～8 m、12～14 m两处，背水面异常在5～9 m范围，可见迎水面的第一处异常与背水面的异常形成了渗漏通道，迎水面第二处异常可能会与背水面9.3 m～12 m处异常连通形成新的渗漏通道。③ 通道Ⅲ推测为渗漏危险区，迎水面异常在7～9 m之间，背水面异常在7～10 m之间，背水面速度较迎水面稍大，推测此处通道未彻底形成，但随着上游水流的渗透，很快会形成渗漏通道。

图4 坝顶迎水面(a)和背水面(b)微动视S波速度-深度剖面Fig.4 Velocity-depth profiles of the microtremor apparent S-wave in the meet-water-surface(a) and the back-water-surface(b)on the top of the dam

表3 坝体岩性与视S波速关系Table 3 Relationship between lithology of the dam body and the apparent S-wave velocity

迎水面90、105 m处及背水面80、86、102 m处均存在低速显示，均因浸水导致坝体局部破碎或松散引起，虽然还未形成明显的渗漏通道，但已经出现渗漏的风险，应加以重视。

3 结 论

(1)通过微动技术在水库大坝渗漏堪查中的应用实例，介绍了微动勘探的基本理论、高精度微动数据采集系统以及微动数据处理软件。证实了微动勘探方法具有无损勘探、不受电磁干扰、分辨率高、勘探精度高的优点，且对高低速异常变化反应灵敏。

(2)利用微动探测技术能够准确查明水库坝体渗漏位置，通过视S波速度结构生成的微动剖面能够有效识别密实坝体、含水坝体、坝底基岩界面，准确确定渗漏位置和影响范围，勘探效果明显。

(3)微动技术可根据勘探目标和施工场地灵活设计观测台阵，抗干扰能力强，适用于人口密集区，经济高效，技术优势突出，具有很好的推广前景。MicroSWP微动处理软件优化了模型和计算方法，界面友好，快速、简洁、直观、分辨率高，在实际工作中应用效果良好。