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水库土石坝渗漏探测中高密度电法的应用

2021-08-09 423 上传者：管理员

摘要：由于我国的大多数水库大坝都建于20世纪50~70年代，水库大坝病害频发。渗漏问题是最为常见的水库大坝病害类型，如何准确高效地探测大坝渗漏路径的课题显得愈发重要。用高密度电法测定渗漏隐患的平面分布范围及其垂向分布，可以测定渗漏隐患的空间位置，给钻孔勘探提供指导，为水库后续的除险加固提供可靠依据。

关键词：
土石坝
堤坝渗漏
水库大坝
隐患探测
高密度电法
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1、方法原理

高密度电法(resistivityimaging)是电测深与电剖面方法的组合，观测点密度高，可同时探测水平和垂直方向上的电性变化。

高密度电法的探测深度随着供电电极C1、C2距离的增大而增大，当隔离系数n逐次增大时，C1、C2电极距也逐次增大，对地下深部介质的反映能力亦逐步增加。由于单一电极排列的测点总数是固定的，因此当极距扩大时，反映不同勘探深度的测点数将依次减少。通常把高密度电法的测量结果记录在观测电极P1、P2的中点、深度为n×a的点位上，整条剖面的测量结果便可以表示成一种倒三角形的二维断面的电性分布。观测系统，见图1。

根据本次测试精度和深度要求及场地条件，测试采用温纳装置，基本电极距3m，单一排列采用100～130根电极，隔离系数20，分布式滚动测量，供电电压360～450V，装置示意，见图2。

2、工程概况

某水库位于内蒙古自治区，1961年建成，2003年9月在原坝址下游1.3km处重新建坝，并对原水库进行了改扩建。改扩建后水库工程等别为Ⅳ等，主要建筑物大坝、泄水洞为4级建筑物，水库总库容784.2万m3，是一座以灌溉为主，兼顾养殖等综合利用的小(I)型水库。

在库水位1279.26m的情况下，分析断面0+107处纵向浸润线，见图3。地下水位线在经过PE复合土工膜后急剧下降，地下水位线从坝轴线到坝后坡脚处(出逸点)，由于坝体填筑土属中等透水性，浸润线水位较高，浸润线抬升较为明显，且在坝后横向排水沟上游坡脚处形成了集中出逸点。

坝后背水坡面从左至右存在多处小规模塌陷，大坝下游左右岸坡与坝体接触带存在5处集中出逸点，出逸点分布高程为1267.50～1271.53m。大坝下游坝坡横向排水沟上游坡脚处有5处集中出逸点，出逸点分布高程为1267.48～1268.66m。经水库管理人员介绍，库水位升高该断面集中出逸点渗漏量明显增大。

3、地质简况及地球物理条件

3.1 地质简况

(1)第四系上更新统冲湖积地层(Q3al+l)。该层广泛分布于坝轴线坝基及坝址区左右两岸，地层岩性以细砂和粘土为主，其中，细砂主要分布于坝址区左右两岸的上部、中部，呈中等透水性，粘土主要分布于坝轴线坝基及坝址区左右两岸的下部，呈弱透水性。

(2)第四系全新统冲积地层(Q4al)。该层主要分布于坝址区河床底部，岩性上以细砂为主。

(3)第四系全新统人工堆积地层(Q4S)。该层主要分布于坝址区坝体部分，岩性以细砂为主。

3.2 地球物理条件

工区第四系地层随含水率、密实度等参数的不同而具有相当的电性差异，适合开展电阻率法工作。

4、成果分析

4.1 工作布置

测线布置根据“采用多条平行测线，垂直潜在的渗漏通道方向”的原则，由上游至下游平行坝轴线布设物探测线4条，分别为坝前坡迎水面D1、坝顶靠近上游一侧D2和靠近下游一侧D3、坝后半坡D4。

4.2 资料分析

对使用温纳装置测得高密度电法勘探原始数据，经编辑、添加地形信息后，应用RES2DINV高密度电阻率二维反演软件处理，最终获得视电阻率断面图。本工区高密度电法探测深度可按下式进行估算，最大探测深度一般在30m左右。

式中h—深度，m;

AB—供电极距，m。

一般情况下，对于第四系地层，其含水率高、成分粒径越小，电阻率值越低。下面以D2测线的电阻率等值断面图为例进行反演解释，其最大探测深度按最大供电极距的1/6计算，约为30.0m，见图4。

D2测线位于坝顶上游一侧，长717m，走向平行于坝轴线。由图5可见，反演电阻率断面图清晰地反映了测试剖面地表面以下垂直和水平方向的地电结构，探测范围内地层电阻率范围值为6.5～1027Ω·m。

⑴ 垂向大致层状分布，地电结构基本为KQ型和K型(测线330～500m局部为HK型)、电阻率随深度加大渐次递减，局部夹团块状低阻体。

⑵ 水平方向根据电阻率等值线形态可分为左坝肩、坝体、右坝肩3个部分。

沿测线0～312m为左坝肩段，可以看出在垂向上54～69m、162～234m、279～303m的3处异常在水位高程1279m附近电阻率值随深度增加迅速降低(117～132m处为2007年在大坝下游左岸第二级台地岸边距大坝150m处发现渗漏并进行灌浆封堵，渗漏量降低但并未消失，由图可见该处灌浆效果较好，推测相邻渗漏通道与该渗漏通道沟通)，推断为左坝肩绕坝渗漏。

沿测线314～498m为坝体段(高程1266m以上为坝体)，联系左右坝肩段在水位高程处的变化，坝体段在水位高程处低阻异常整体埋深更深，表明坝体起到了一定的挡水作用。其中，330～354m、384～414m、474～492m，高程在1259～1273m之间的低阻异常电阻率为7.2～59Ω·m，推断该处异常分别为坝基渗漏和部分坝体渗漏、坝基渗漏和部分坝体渗漏、右坝肩与坝体接触渗漏，相应的渗漏通道上方坝体都存在团块状低阻异常，推测这些位置的异常是由筑坝时碾压不足引起，进而导致下方渗漏，坝体均匀度一般。对比右坝肩与左坝肩电阻率形态，右坝肩处与右坝段原始地层电阻率形态一致，推测右坝肩筑坝时在测线位置存在碾压不足的情况。

沿测线498～717m为右坝肩段，可以看出在垂向上右坝段低阻异常在水位高程1279m附近，下方地层随着含水率上升电阻率逐渐降低，其中，沿测线492～600m、沿测线642～657m、高程在1250～1273m之间存在低阻异常，电阻率22～59Ω·m，推断右坝肩存在较为普遍的绕坝渗漏，沿测线645～657m的异常为放水洞反映。

4.3 分析验证

观察分析4条测线的异常，通过各个空间位置上异常的互相印证和相互约束，可大致推断出渗漏通道的走向。结合地质钻孔ZK20-2对沿D2测线399m处物探成果进行进一步的验证，见表1。结果表明，物探结论与钻孔及试验成果一致。

5、结论

(1) 左坝肩存在绕坝渗漏和接触渗漏，坝体段上存在2处渗漏通道，主要为坝基渗漏，存在部分坝体渗漏，坝体局部均匀性较差，右坝肩存在绕坝渗漏和接触渗漏。

(2) 结果表明，高密度电法对土石坝坝体均匀度、坝基渗漏及绕坝渗漏均有良好的反应，是一种无损、高效的探测方法。

(3) 在本次勘查中，D2测线位于干砌石护坡上方，第一次采集数据时出现视电阻率值高低相间投影现象以及大量的负值，后经浇筑大量盐水恢复正常。由此表明，干砌石、碎石土、混凝土等较差的接地条件对高密度电法数据采集有相当大的干扰。

(4) 由于客观原因此次勘察仅使用了高密度电法这一种手段，无法在电阻率上区分含水细砂和粘土，只能结合钻孔分析，建议针对不同的工区条件，有针对性地采用多种物探手段进行较精确的探测。

参考文献:

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[2]张建清,徐磊,李鹏,等.综合物探技术在大坝渗漏探测中的试验研究[J.地球物理学进展,2018,33(1):0432-0440

[3]石念增,刘康和.堤防隐患探测实例分析[J].地质灾害与环境保护,2005,16(4):376-382

文章来源：刘寅,南瑞芳,倪昕旭,南江.高密度电法在土石坝渗漏探测中的应用[J].内蒙古水利,2021(07):41-43.