高密度电法对水库渗漏判断及指导地质勘察的应用研究

陈文锐

（广东中灏勘察设计咨询有限公司,广东 广州 510000）

1 工程概况

本工程水库位于云浮市云城区南盛镇大枧村,距城区20 km,在新兴江一支流的上游,是一座以防洪、灌溉为主,结合发电、养殖等综合利用的中型水库,其运行管理单位为云浮市云城区水务管理服务中心。本工程水库枢纽由水库大坝（分主、副坝）、泄洪洞、输水洞、灌区建筑物、电站等主要建筑物组成。

由于大坝施工过程中盲目追求速度,赶进度,没有把好质量关,致使水库投入运行以来,存在严重的渗漏问题,针对主坝、副坝渗漏问题,经历多次防渗抢险措施,水库一直处于控制运行状态,故本工程对大坝渗透原因、渗漏情况进行论证。

2 项目技术背景

地质勘察主要目的是判断水库土坝填筑状况、填土的物理力学参数、坝体坝基防渗性能,主坝和副坝的地质情况、岩土力学参数及防渗性能。传统勘察办法：通过收集资料、踏勘、工程地质调查、勘探试验和原位测试,查明堤坝范围的地层分布、成份、性质、厚度,各岩土层物理力学性质和地基承载力,检查坝体填筑质量。传统单一勘探办法通常耗时长、费用高且效果不理想。

高密度电阻率法是集电测深和剖面法于一体的一种多装置,多极距的组合方法,它具有仅一次布极就可以进行的装置数据采集以及通过求取比值参数而能突出异常信息,信息多并且观察精度高,速度快,探测深度灵活等特点。影响因素为成分、含水率、矿化度、温度,及探测前段时间长历时暴雨、坝基清基、临侧山体渗水情况等。高密度电法已经成为近年来水库大坝渗漏隐患探测应用的重要手段。

3 大坝渗透判断技术方法

针对云浮市某水库渗流安全评价方法有历史资料分析法、现场检查法、监测资料分析法、物探检测、工程地质、计算分析法和经验类比法。根据本次工程现状渗漏情况、工程地质、渗漏监测、物探检测、历史数据分析等资料,采用综合分析监测资料分析与渗流计算对大坝渗流安全进行评价。

通过历史数据分析法得知大坝施工过程中盲目追求速度,赶进度,没有把好质量关,致使水库投入运行以来,存在严重的渗漏问题。且经过现场检查方法以及监测资料分析法能初判渗漏的出渗点位置。根据现场检查情况和测压管分析情况,本次采用高低密电法探测坝体的渗水通道渗漏通道范围、规模、渗透通道走向与位置,并对钻探进行选择性钻孔验证。

4 高密度电法技术应用

4.1 工作原理

高密度电法量测的原理为以地下介质导电性的差异作为基础,通过观测和研究介质导电性的差异以及人工电场的分布情况,是一种可查明地下地质构造和识别地下典型不均匀体的地球物理勘探方法。

本工程通过假设坝面段水平,坝面下充满均匀各向同性半无限介质,在坝面上任意取两点用供电电极a、b 进行通电,取另外两点用电压表量测m、n 两点的之间电位差。a、b 两个电极在点m 产生的电位是：

同理,它们在点n 产生的电位是：

推导出点m 与点N 间的电位差是：

因此得出均匀坝体电阻率的计算公式：

根据大坝地质体电性的不同来进行划分界限的断面,称为地电断面。地电断面所划分的界线与地质体、地层层位的界面可能吻合也可能不吻合。这时候向非均匀介质的大坝进行通电并量测,也可按（1）式求出其“电阻率”的值。但该值不是某一地质体或者地层的电阻率,与物理量和电流有效作用范围内的所有地质体的电阻率都有关系,称它为视电阻率,用ρs表示,即：

视电阻率的值和各种地质体电阻率与电场有效作用范围内地形对应的。虽然式（2）与式（1）变量右侧的形式是一致的,但左端的ρ和ρs却是完全不同的两个概念。只有在坝面水平且地下介质均匀各向同性情况下,ρ和ρs才是相同的。视电阻率的基本公式（2）为便于进行定性分析,可以转换公式,即视电阻率与地表电阻率、电流密度的关系式。

当坝面水平,当m、n 电极间是很小的距离的时候,其mn间的电场强度可视为均匀的,则有

所以：

式中：jmn、ρmn分别为m、n 电极之间任意点的电流密度与介质的电阻率。

将式（3）代入式（2）式可得到：

把均匀各向同性半无限介质的电阻率设为ρ,电极mn 间的电流密度为j0,此时式（4）可写成：

因讨论的是均匀介质,故ρs应等于ρ,于是便有：

将（5）代入（4）中得到：

式中：ρ0只受装置的类型和大小所决定,则对于确定的装置可认为它是已知的。

4.2 工作方法技术

4.2.1 实物工作量

物探剖面7 条,测点227 个,剖面总长度880 m,见表1。

表1 完成工作量一览表

4.2.2 野外工作办法与技术

（1）工作装置及参数选择

本项目采用对称四极（施伦贝谢尔,schlum2 berger）装置进行量测,勘探的工作参数选择为：

电极距a=2 m,点距2 m,最小隔离系数为n=1,最大隔离系数n=35。

供电波形：方波供电0+0-。

（2）野外工作方法

①利用RTK 进行测地工作,按设计测线进行测点布设,用红布条做标记。

②沿布设好的测点敷设电缆,各电极入土深度为电极长度的2/3,电极距2 m,遇到不合适布极处进行处理或合理偏移。

③开始测量前,利用仪器自带功能对所有电极接地进行检查,电极接地较大或不通的,需对电极重新布置,大部分接地电阻小于1 kΩ,少部分小于2 kΩ。

④设置好仪器各参数,进行电极滚动测量,测量过程中需对数据进行实时监控,遇到突变点查找原因后进行重测。

⑤测量完成后将数据及时传到计算机并进行备份,以供后续处理。

4.3 资料的解释推断

根据历史资料和现状情况调查确定测区的地球物理特征,大坝处主要以基岩及填充的密实的粘性土材料为主,均为高阻特征。当局部出现通道裂隙后,易充填水变成饱和粘性土和砂砾通道等低阻物质,从而导致导电率显著降低,成为低阻甚至超低组地段。因此,结合7 条测线的电阻率特征,总结本次高密度电法测量的解释推断原则：将电阻率小于100 Ω·m 的部位,推断为大坝的裂隙或充水孔洞的部位,电阻率在100 Ω·m～300 Ω·m 之间的推断为裂隙发育部位。电阻率大于300 Ω·m 的地段,推断为坝基完整部位。

如图1 所示,将推断的18 个异常投影到平面图上,可以明显的显示出异常所在的平面位置,也是推断的水库易发生渗漏的地段,但影响高密度电法结果多种因素,包括物质成分、含水率、矿化度、温度,以及探测时间前段时间长历时暴雨、坝基清基情况、临侧山体渗水情况等,如图2 与图3所示,坝肩均出现电阻率小于100 Ω·m 的部位,可能为山体持续渗水所致。则高密度电法探测出的大坝渗漏范围、规模、渗透通道走向与位置需要进行进一步认证。本项目推荐采用钻孔实验进行选择性的钻探验证。

图1 水库高密度电法测量低阻异常分布图

图2 主坝L14 线高密度电法测量成果图

图3 主坝L12 线高密度电法测量成果图

本次高密度电法检测结论为：

①通过本次工作,获得了工作区内7 条测线的电阻率断面图,了解了大坝的电阻率分布特征。

②圈定了14 个低阻异常,其中5 个低阻异常推断为裂隙充水引起,9 个低阻异常为孔洞充水引起。

本次物探检测建议为：

①对圈定的异常择进行选择性的钻探验证,验证孔需正对低阻异常中心。

②高密度电法为间接方法,圈定的异常范围大小与实际情况可能存在误差,在运用其工作成果时应综合其他工作成果资料。

③高密度电法初步判断大坝渗漏范围、规模、渗透通道走向与位置,可指导其他钻探实验工作,以及其他物理参数的确认。

5 钻探验证与应用

本次根据高密度电法的结论和建议,开展钻探认证工作,并把部分钻孔位置布置在高密度电法推测渗漏通道的典型异常处。

通过钻孔确认,高密度电法反映的导电率显著降低区域,充填大量碎石和砂砾,裂隙发育,呈松散状态。以ZK6 为例,ZK6 位于物探剖面L12 的138 m 左右,ZK6 于深度5 m～9 m左右充填大量碎石和砂砾,裂隙发育,呈松散状态,结合物探成果分析,进一步认证改钻孔位置坝段存在渗透通道。

L12 线长度138 m,方位角30.3°,位于主坝西侧路面,图3 中四处电阻率较低,推测该4 处异常均为为大坝裂隙或孔洞充水的反映。物探成果和地勘成果相符,在127 m 高程以上坝体填土压实不足,填土不均匀,呈中等透水性,尤其在左右两肩坝体与山体接触位置漏水较严重。

本次在主坝旧填土层进行原位注水试验,共进行原位注水试验18 段次,本次在副坝旧填土层进行原位注水试验,共进行原位注水试验14 段次,并均取土样开展室内实验,结果见表2。

表2 大坝注水试验与室内渗透试验结果表

根据注水试验主副坝填土土料大部分属中等透水性,局部呈微～弱透水性。

6 结论

（1）高密度电法成果判断的渗漏通道范围、规模、渗透通道走向与位置成果可信,在其成果指导下开展的钻孔实验、注水实验和室内渗透实验,成果更加真实和科学,大大节省勘察的钻孔工作量、时间和准确性,其指导确认的力学物理参数也更加合理,从而为大坝加固措施和范围提供技术基础数据支撑。

（2）本次采取高密度电法为间接物探方法,影响探测解析成果的因素很多,传统勘探办法采用钻探试验和注水试验等传统勘察方法成果更加直观,两者优势互补和相互验证。

（3）物探解析过程中要结合历史资料分析法、现场检查法、监测资料分析法、计算分析法和经验类比法等资料进行综合解析,以提高结果的可靠性。