電法勘探在水庫大壩滲流安全評價中的應(yīng)用

1、電法勘探在水庫大壩滲流安全評價中的應(yīng)用電法勘探在水庫大壩滲流安全評價中的應(yīng)用鄭燦堂 ,萬海 ,董延朋 (山東省水利科學研究院 ,山東濟南 250013)摘要：近年來 ,電法勘探在水庫大壩安全隱患探測中得到推廣應(yīng)用，并取得了令人矚目的成就。本文以山東省濰坊市郭家村水庫大壩為實例，介紹了充電法和高密度電法在大壩滲漏隱患探測中的應(yīng)用，并簡要闡述了該技術(shù)對大壩滲流安全評價所起的作用。用充電法測定滲漏隱患的平面分布范圍及其入滲帶的位置，用高密度電法查明滲漏隱患的垂向分布，兩種方法相結(jié)合，可以測定滲漏隱患的空間位置，給鉆孔勘探和滲流計算提供指導，使鉆探避免了盲目性，使?jié)B流計算參數(shù)的選定更加確切，大大增加了

2、滲流安全評價的可靠性。關(guān)鍵詞：電法勘探；充電法；高密度電法；滲漏隱患；安全評價我國在建國初期建設(shè)了大量的水庫，受當時經(jīng)濟、技術(shù)等條件的限制，填筑質(zhì)量普遍不高，運行幾十年來，由于外部條件的影響以及大壩的自然老化，許多水庫不同程度地存在著滲漏隱患。為了對滲漏隱患的分布范圍和危害程度作出可靠評價以避免隱患治理的盲目性，我們對山東省濰坊市郭家村水庫大壩滲漏隱患采用了動態(tài)導體充電法和高密度電法兩種電法勘探技術(shù)進行探測，并鉆探取樣及注水試驗，為滲流計算提供了確切的隱患部位以及物理指標和滲透系數(shù)等計算參數(shù)， 最后對滲漏隱患進行了安全評價。 1 水庫基本概況郭家村水庫位于山東省濰河水系百尺河的上游，于 195

3、9 年動工修建， 1960 年攔洪蓄水。該庫大壩為均質(zhì)土壩，全長 2007m，最大壩高 17.0m，迎水坡坡比為 1:3，背水坡高程 89.0m 處設(shè)一頂寬 2.0m 的戧臺，戧臺以上坡比為 1:2.5，以下為 1:3。水庫地質(zhì)資料缺乏， 部分壩段壩體和壩基常年滲漏，滲流逸出點較高，壩后浸沒嚴重，曾多次出現(xiàn)險情，嚴重影響水庫蓄水和安全運行， 被列為第二批國家病險庫之一。 2 電法探測基本原理隨著電子儀器、計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，動態(tài)導體充電法和高密度電法等物探手作者簡介： 鄭燦堂（1957），男，山東東平人，研究員，主要研究堤壩安全檢測、分析和評估技術(shù)以及水利工程建設(shè)質(zhì)量與安全檢測評定技術(shù) .段

4、已成為堤壩隱患探測的常用技術(shù)?；谖锾绞侄螌μ綔y地質(zhì)體解釋的多解性和特殊性，決定對郭家村水庫大壩采用物探和鉆探聯(lián)合探測，并進行滲流計算，以達到先定性后定量解釋，最終對滲漏隱患作出確切的安全評價的目的。 2.1 充電法充電法是在滲流出逸點、鉆孔、探槽、坑道中等天然漏頭或人工揭露點上接以供電電極（ A），另一供電電極（ B）置于遠離充電體的地方，其電場影響忽略不計。然后在 AB 線路里接上電源對滲漏隱患（充電體）進行供電，形成穩(wěn)定電流場，該電場的分布特征與充電體的形態(tài)、大小和產(chǎn)狀等因素有關(guān)。江、河、水庫、湖泊中的水體在空間的分布一般為均勻體，充電時形成的電流場的電流密度均勻分布。存在滲漏時，滲漏帶

5、形成線形導體，線形導體的電阻率一般比 “圍巖 ”的電阻率要低得多，所以電流線主要沿滲流方向分布。 在主要滲漏帶電流線密度相對較高，可以測到最大歸一化的 U/I 值,其中 U 為觀測到的電位差， I 為電流強度；隨著遠離主要滲漏的地段，其電場微弱，且均勻分布，測到歸一化的 U/I 值很低。堤壩中的滲漏隱患在自然狀態(tài)下為線形導體，注入電解質(zhì)溶液時則成為良好的線形動態(tài)導體。它與常見的導電良好的固態(tài)導體不同，動態(tài)導體其形狀、規(guī)模和導電性隨時間而變化。充電法的地電模型、測線布置見圖 1。圖 1 地電模型、測線布置和探測結(jié)果示意圖 2.2 高密度電法高密度電法就其原理而言，與傳統(tǒng)的電阻率法相同，是在傳統(tǒng)電

6、法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的電法勘探手段。常規(guī)的電法勘探由于其觀測方式的限制，不僅測點稀疏，而且很難從電極排列的某種組合上去研究地電斷面的結(jié)構(gòu)與分布，提供的地電斷面結(jié)構(gòu)特征的地質(zhì)信息較為貧乏，無法對結(jié)果進行統(tǒng)計處理和對比解釋。高密度電法與常規(guī)的電阻率法不同的是一次設(shè)置較多的測試電極，一次勘探過程完成縱橫二維勘探測試，能在現(xiàn)場準確快速地采集大量數(shù)據(jù)，具有較強的抗干擾性能。同一介質(zhì)由于成分或結(jié)構(gòu)等不同以及不同的介質(zhì)，它們具有不同的電阻率。假定介質(zhì)為均質(zhì)各向同性，地下介質(zhì)電阻率通過下式進行計算： （ 1）式中 , 為巖土的視電阻率（單位 : M）；U為電位差 (單位： V)；I 為供電電流強度（單位： A）；

7、K 為裝置系數(shù)（與布極方式和電極距有關(guān)） 。 3 壩體和壩基的地球物理特征通過對郭家村水庫大壩壩體和壩基的物探及鉆探結(jié)果可知：壩體系壤土均質(zhì)壩，含水量相同的條件下，其電阻率隨壤土中粗顆粒的含量不同而不同， 粗顆粒含量高時， 電阻率大，反之，粗顆粒含量低時，電阻率小，其變化范圍為 1030。壩體中存在滲漏帶時，由于滲漏帶的含水量大，電阻率明顯降低。壩基砂層的電阻率為，壩基中滲漏帶的電阻率也相對較低。下伏基巖為凝灰?guī)r，電阻率較高，一般大于 200。4 工程中的應(yīng)用該水庫多次出現(xiàn)險情，為了查明滲漏隱患的平面位置，平行壩軸線布設(shè)了兩條充電法測線，采用梯度觀測；為了查明隱患的垂向分布及成因分析，在充電法

8、測得隱患部位處垂直壩軸線布置了一條高密度電法橫斷面，在隱患處壩頂軸線上布設(shè)了一條高密度電法縱斷面。兩種方法相結(jié)合，以測定滲漏隱患的空間位置。 NextPage4.1 野外探測方法充電法（ 1）觀測方法充電法現(xiàn)場檢測采用電位梯度法，測量電極 M 、N 采用不極化電極，電極距固定，這樣測出的異常屬于純異常。 （2）資料處理方法整理觀測結(jié)果時，把所測的電位差轉(zhuǎn)化為單位距離及單位電流強度時的電位差，即將電位差數(shù)值被 MN 之間的距離和供電電流 I 去除：（2）式中， U 為電位梯度 (歸一化 )，單位為； UMN 為觀測到的電位差，單位 mv；I 為供電電流強度，單位 A；MN 為測量電極 M 和 N

9、 間的距離，單位 m。如果 MN 間距離和 I 保持不變，可以只觀測電位差，此時（ 3）高密度電法（ 1）觀測方法與工作布置考慮到探測目的和大壩的具體地形情況，采用溫納四極裝置，與常規(guī)電阻率法相比設(shè)置了較高的測點密度，在測量方法上采取了一些有效的設(shè)計，使得數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有較高的精度和較強的抗干擾能力。在充電法測出的河床壩段滲漏隱患范圍內(nèi)的壩頂軸線上布置了一條縱斷面，在河床段滲漏嚴重的部位（ 1+134 斷面）布置了一條橫斷面。（2）資料處理方法數(shù)據(jù)處理采用 GeoelectricalImaging 快速二維電阻率反演軟件，該軟件采用非線性最小二乘法反演技術(shù)自動生成由實測數(shù)據(jù)確定的二維電阻率模型剖

10、面，其主要處理流程如下： A 數(shù)據(jù)文件編輯： GeoelectricalImaging 軟件的數(shù)據(jù)文件一般為三列：第一列為記錄點橫坐標，表示電阻率剖面的具體位置，記錄點為 P1P2測量電極的中點；第二列為記錄點縱坐標，表示記錄的深度參數(shù)； 第三列為與記錄點對應(yīng)的實測視電阻率值。對形成的數(shù)據(jù)文件利用軟件的數(shù)據(jù)編輯功能剔除那些突然變大或變小的孤立野值點， 以保證反演的準確性， 形成二維反演單元模型。 B 二維單元模型：根據(jù)文件，程序自動生成用于有限元計算的二維單元模型。C 電阻率二維成像處理： 電阻率二維成像處理通過三個過程的三張剖面圖展現(xiàn)：第一幅圖為視電阻率剖面；第二幅為經(jīng)過圓滑偏置濾波處理后的

11、計算視電阻率剖面；第三幅為經(jīng)過3 次迭代，均方誤差 10的反演真電阻率剖面，它反映了地下介質(zhì)的電性分布。4.2 資料解釋圖 2為充電法 1 號測線和 2 號測線的歸一化電位曲線。從1 號電位曲線中可以看出：大壩 1+1201+240 段為滲漏段，其中1+1201+140、1+2001+236 兩段異常值為正常值的3 倍以上，說明上述部位滲漏嚴重，根據(jù)以往經(jīng)驗判斷，已形成滲漏通道；其余部位為一般性滲漏。從 2 號電位曲線可以看出，該剖面 1+1201+230 段為滲漏異常段，其中 1+1241+146 段、1+2061+230 段為嚴重滲漏段。 2 號測線滲漏異常位置與 1 號測線基本一致。圖

12、2 充電法測試電位曲線圖圖3 為大壩 1+0601+480 段壩頂軸線處高密度電阻率成像。從該圖像可以看出，大壩垂向上存在三處隱患：壩頂 1.5m 以上，壩料電阻率較高，一般在 5060，系砂類土的反映； 結(jié)合地面高程，從深度上分析，壩體內(nèi)部 12.0m16.0m 處電阻率較高，一般在 4060 范圍內(nèi)，亦系砂類土的反映；只是由于壩體壤土影響，電阻率稍微降低； 從深度上分析，深度 1617m 應(yīng)為壩基，該部位電阻率較高，一般為 5060，亦系砂類土的反映。圖 31+060480 段高密度電法成像圖圖 4 為大壩 1+134 斷面高密度電阻率成像。從該圖可以看出， 大壩垂向上存在三處隱患： 壩頂

13、 1.01.5m 以上，壩料電阻率較高，一般在 5060 范圍內(nèi)，系砂類土的反映； 結(jié)合地面高程，從深度上分析，壩體內(nèi)部 11.5m16.0m 處電阻率較高，一般在 4060 范圍內(nèi)，系砂類土的反映； 從深度上分析， 深度 1617m 應(yīng)為壩基，電阻率較高，一般為 5060，亦系砂類土的反映。 NextPage5地質(zhì)鉆探驗證如上所述，用充電法查明了大壩滲漏隱患的平面分布，然后用高密度電法查明了大壩河槽段滲漏隱患的垂向分布，但是隱患部位砂類土的顆粒級配、滲透系數(shù)等物理力學指標需要地質(zhì)鉆探、現(xiàn)場試驗和室內(nèi)試驗來完成。為此確定在充電法探測存在嚴重滲漏的兩個斷面，即1+134 和 1+213橫斷面布置

14、了6 個鉆孔來取得土的物理力學指標。鉆探結(jié)果：壩頂存在一層粗砂礫石層，厚度為1.01.2m；壩體內(nèi)部 12.017.0m 存在厚5.6m 的中粗砂透鏡體；壩基砂沒有清除、隱患部位鉆進時漏水。鉆探結(jié)果與物探判別基本一致。滲流計算滲透破壞是一個復雜的問題，對任何水工建筑物而言，滲透變形可以是單一形式出現(xiàn)，也可以是多種形式相伴出現(xiàn)于各個不同部位，滲透坡壞的起點通常是建筑物或地基的薄弱環(huán)節(jié)，即隱患存在的部位。物探和鉆探查明了大壩河槽段壩基與壩體內(nèi)存在松散砂層，1+1201+240 段壩基異常滲漏，為滲流計算提供了范圍； 壩體內(nèi)采用注水試驗，壩基采用抽水試驗，測得壩體壤土、中粗砂透鏡體和壩基砂的滲透系數(shù)

15、分別為 5.42 10-4cm/s、2.74 10-3cm/s和 8.6 10-3cm/s。土的物理指標采用孔內(nèi)原狀砂類土取土器取樣，經(jīng)室內(nèi)試驗取得了滲流計算需要的參數(shù)。土的物理指標見表1表 1 壩體壤土、壩體砂以及壩基砂基本參數(shù)一覽表位置土的不均勻系數(shù)土的細粒含量土的孔隙率孔隙比土的比重d5d20壩體壤土0.6592.70壩體砂1172332.50.4832.670.0020.075壩基砂802034.30.5222.670.0060.06砂性土的滲透變形類型應(yīng)根據(jù)土的細粒含量采用下式判斷：當 pc 100為流土（ 4）當 pc100為管涌（ 5）式中，pc 為土的細粒顆粒含量， 以質(zhì)量百分

16、率計 (%)；N 為土的孔隙率。由以上公式，可以計算出，壩基砂的滲透變形類型為管涌。管涌型臨界水力比降采用下式計算：Jcr=2.2(Gs-1)(1-n)2d5/d20(6)式中， d5、d20 分別為占總土重的5%和 20%的土粒粒徑。根據(jù)水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范 ，安全系數(shù)取1.5，則壩基砂的臨界和允許水力坡降見表2。表 2 壩基砂的滲透變形和水力坡降一覽表位置滲透變形類型臨界水力坡降允許水力坡降壩基管涌0.160.10根據(jù)工程經(jīng)驗判定壩體壤土（無保護時）的滲透變形類型為流土，臨界水力坡降采用下式計算：Jcr=(7)式中， GS為土的相對密實度； E為土的孔隙比； Jcr為土的臨界水力坡降。

17、經(jīng)計算壩體壤土的臨界水力坡降為1.02。根據(jù)水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范要求，安全系數(shù)取2，壩體壤土的允許出逸坡降為0.51。壩基砂平均水平坡降采用下式計算：J=H/B（8）式中， J 為滲流坡降； H 為壩上、下游水頭差（ 15.3m）；B 為壩底寬度（104m）。NextPage大壩滲流量計算采用有限元法計算， 上游水位采用設(shè)計洪水位295.85m，下游水位采用壩后多年平均水位81.00m，經(jīng)計算 1+134 斷面單寬滲流量為 4.67m3/dm ，壩基砂的平均坡降為0.15,壩體壤土的出逸坡降0.56,河槽壩段異常段年滲流量為10 萬 m3。滲流安全評價經(jīng)過充電法和高密度電法探測， 查明大壩

18、 1+1201+240段為異常滲漏，其中 1+134 斷面和 1+213 斷面附近已形成滲漏通道。地質(zhì)鉆探驗證了物探判斷的正確性，并取得了隱患處壩料的物理參數(shù)及滲透系數(shù)。通過滲流計算得出的滲流等勢線（見圖 5），通過滲流等勢線可以看出，壩后出逸點位于排水體以上， 出逸坡降大于無保護時壤土的允許坡降，分析認為，壩體壤土易形成滲透破壞；壩基砂的滲流坡降計算值大于允許值，所以壩基砂存在管涌破壞的危險。圖 5 設(shè)計洪水位時滲流等勢線結(jié)語通過充電法、高密度電法和地質(zhì)鉆探的聯(lián)合探測以及滲流計算分析，有效查明了郭家村水庫壩后滲水明流的成因，并對該庫滲流安全進行了評價。綜上所述，可得出如下幾點認識：（1）針對大壩滲漏，特別是壩后出現(xiàn)滲水明流的隱患，