李　波，何愷愷，羅　安，朱森強(qiáng)

(1.安吉縣天子崗水庫(kù)管理處，浙江　安吉　313310；2．浙江錢(qián)江科技發(fā)展有限公司，浙江　杭州　310012)

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高密度電法儀在天子崗水庫(kù)大壩滲漏探測(cè)中的應(yīng)用

李波1，何愷愷2，羅安2，朱森強(qiáng)2

(1.安吉縣天子崗水庫(kù)管理處，浙江安吉313310；2．浙江錢(qián)江科技發(fā)展有限公司，浙江杭州310012)

摘要：高密度電法是在常規(guī)電法基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型物探方法。針對(duì)傳統(tǒng)土石壩滲漏安全隱患探測(cè)方法的不足，采用高密度電法對(duì)天子崗水庫(kù)土石壩滲漏安全隱患進(jìn)行了無(wú)損探測(cè)，以檢查評(píng)價(jià)高密度電法在中型水庫(kù)土石壩滲漏安全隱患探測(cè)中的有效性和適用性。

關(guān)鍵詞：高密度電法；水庫(kù)大壩；隱患探測(cè)；滲漏

1工程概況

天子崗水庫(kù)位于西苕溪支流渾泥港北源泥河上游，其源流與安徽省廣德縣交界，水庫(kù)集水面積23.8 km?？値?kù)容1 801萬(wàn)m3。是一座以灌溉為主，結(jié)合供水、防洪、發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫(kù)。大壩由主壩、副壩組成，全長(zhǎng)1 195.00 m,壩型為黏土類(lèi)均質(zhì)壩。主壩壩頂長(zhǎng)1 150.00 m,壩高13.75 m，壩頂高程27.80 m，壩頂寬5.00 m。副壩位于主壩右側(cè)，壩頂長(zhǎng)45.00 m，壩高15.20 m，壩頂高程27.80 m，壩頂寬5.00 m。2008年10月進(jìn)行水庫(kù)除險(xiǎn)加固，2010年10月主體工程完工驗(yàn)收。經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行主壩壩腳處有多處滲漏，決定采用以高密度電阻率法對(duì)水庫(kù)的滲漏隱患進(jìn)行探測(cè)。

2高度密度電阻率法工作原理及方法

高密度電阻率勘探方法和普通電阻率方法一樣，以地下巖礦石的電性差異或者地下被觀(guān)測(cè)的目標(biāo)體與其圍巖之間的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)的一種地球物理勘探方法。向地下施加人工電場(chǎng)，在地表用專(zhuān)門(mén)的儀器測(cè)量、記錄并研究傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律，以解決相應(yīng)的地質(zhì)問(wèn)題。在求解上述電場(chǎng)的分布規(guī)律時(shí)，理論上通常采取解析法。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，上述電場(chǎng)的分布滿(mǎn)足下面的偏微分方程：

(1)

式中：x0、y0、z0是源點(diǎn)坐標(biāo)，x、y、z是場(chǎng)點(diǎn)坐標(biāo)。當(dāng)x≠x0、y≠y0、z≠z0時(shí)，即只考慮無(wú)源空間時(shí)，上式可變?yōu)槔绽狗匠蹋?/p>

▽2=0

(2)

由于坐標(biāo)系的限制，解析法所能求解出來(lái)的地電模型是非常有限的。因此，在研究復(fù)雜的地電模型的電場(chǎng)分布時(shí)，通常采用數(shù)值模擬方法。譬如：二維地電模型使用點(diǎn)源二維有限元方法，三維地電模型使用面積分方程等方法。

本次高密度電法系統(tǒng)以WDJD-4多功能直流激電儀為測(cè)控主機(jī)，通過(guò)選配分布式高密度電阻率或激電電纜、電極，實(shí)現(xiàn)分布式二維高密度電阻率測(cè)量。通過(guò)高密度電法測(cè)量系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)的軟件控制同一多芯電纜上的電極連接與轉(zhuǎn)換，即用1根多芯電纜與多個(gè)電極連接，在測(cè)量過(guò)程中由測(cè)量系統(tǒng)的軟件控制電極的連接和轉(zhuǎn)換，從而自動(dòng)構(gòu)成了多個(gè)垂向電測(cè)深點(diǎn)和多個(gè)電測(cè)斷面的組合。從控制系統(tǒng)中選擇不同的測(cè)量裝置，來(lái)控制電極排列的不同組合，按照電測(cè)深點(diǎn)的順序和測(cè)量的電測(cè)斷面的深度的順序，進(jìn)行逐點(diǎn)和逐層的測(cè)量。從而實(shí)現(xiàn)了供電電極和測(cè)量電極的全部一次布設(shè)，自動(dòng)供電、自動(dòng)跑極、自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)計(jì)算、自動(dòng)記錄、自動(dòng)存儲(chǔ)。把測(cè)量系統(tǒng)中采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的處理獲得整體的地電斷面圖像。圖1為有60個(gè)電極的二維高密度電阻率測(cè)量系統(tǒng)野外施工布線(xiàn)示意圖。

野外采集數(shù)據(jù)時(shí)，給供電電極A、B 提供電流I，測(cè)量2個(gè)測(cè)量電極M、N之間的電位差U，從而就獲得了視電阻率。視電阻率表示為：

(3)

式中：K為裝置系數(shù)，ΔU是電極M、N之間的電位差(V)。

視電阻率的大小反映地下電場(chǎng)所達(dá)到區(qū)域的巖石電性的綜合性質(zhì)，視電阻率的值不僅與地下不同導(dǎo)電性的巖礦石有關(guān)，而且與所用的裝置類(lèi)型以及地形有關(guān)。

本系統(tǒng)支持16 種測(cè)量裝置，包括溫納排列(α)、偶極排列(β)、微分排列(γ)、聯(lián)剖排列A(δA)、聯(lián)剖排列B(δB)、AM 排列、AMN 排列、ABM 排列、ABMN 排列、MNB 排列、施倫貝謝爾排列(α2)、自電M、自電MN、充電M、充電MN 排列和跨孔偶極排列。本次實(shí)測(cè)主要采用了溫納排列(α)和施倫貝謝爾排列(α2)。溫納排列(見(jiàn)圖2)在測(cè)量時(shí)，AM=MN=NB 為1個(gè)電極間距，A、B、M、N 逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng)，得到第1條剖面線(xiàn)；接著AM、MN、NB 增大1個(gè)電極間距，A、B、M、N 逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng)，得到另一條剖面線(xiàn)；這樣不斷進(jìn)行掃描測(cè)量，得到倒梯形斷面。

施倫貝謝爾排列(見(jiàn)圖3)測(cè)量時(shí)，AM=MN=NB 為1個(gè)電極間距，A、B、M、N 逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng)，得到第1條剖面線(xiàn)；接著AM、NB 增大1個(gè)電極間距，MN 始終為1個(gè)電極間距，A、B、M、N 逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng)，得到另一條剖面線(xiàn)；這樣不斷進(jìn)行掃描測(cè)量，得到倒梯形斷面。

3儀器設(shè)備

重慶奔騰WGMD-4高密度電法系統(tǒng)，具有存儲(chǔ)量大、測(cè)量準(zhǔn)確快速、操作方便等特點(diǎn)，并且可方便地與國(guó)內(nèi)常用高密度電法處理軟件配合使用，使解釋工作更加方便直觀(guān)。同時(shí)集先進(jìn)的發(fā)射、接收功能于一體，體積小、重量輕，所有電極排列全部采用滾動(dòng)測(cè)量方式，斷面收尾亦變得輕而易舉；通過(guò)移動(dòng)電極可使斷面無(wú)限接續(xù)，且系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算并提示需要移動(dòng)的電極，大大方便了使用者操作。采用帶背光的160×160點(diǎn)陣液晶顯示，32位單片機(jī)實(shí)現(xiàn)全中文人機(jī)界面及采集控制，采集參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)、各種曲線(xiàn)繪制等快捷直觀(guān)， 高達(dá)1 GB可存貯超過(guò) 5 000 000 組測(cè)量值，支持通過(guò)USB接口導(dǎo)出存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，儀器將被計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別成通用U盤(pán)存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)文件的拷貝、剪切等操作和普通U盤(pán)完全相同，使用極其方便。采用多極濾波及信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)，測(cè)量精度高。

4野外數(shù)據(jù)采集

本次探測(cè)的目的是了解高密度電法儀在檢測(cè)大壩滲漏的適用情況，在平行主壩方向共布置了3條測(cè)線(xiàn)。測(cè)線(xiàn)57201距離壩頂1 m，樁號(hào)0+400～0+695 m，電極距5 m，電極數(shù)60，分別采用溫納排列、施倫貝謝爾排列測(cè)量。測(cè)線(xiàn)57202距離壩頂12 m，樁號(hào)0+400～0+695 m，電極距5 m，電極數(shù)60，分別采用溫納排列、施倫貝謝爾排列測(cè)量。測(cè)線(xiàn)57203距離壩頂12 m，樁號(hào)0+870～0+929 m，電極距1 m，電極數(shù)60，分別采用溫納排列、施倫貝謝爾排列測(cè)量(見(jiàn)圖4)。

數(shù)據(jù)采集的基本步驟：

(1)按照設(shè)計(jì)好的測(cè)線(xiàn)、電極距布設(shè)電極，并將開(kāi)關(guān)電纜線(xiàn)與電極連接好。

(2)把主機(jī)的電源線(xiàn)、地線(xiàn)連接好，并把主機(jī)接在電源上且給其供電。

(3)確保所有的電線(xiàn)都連接好后，然后打開(kāi)主機(jī)的電源開(kāi)關(guān)。

(4)檢測(cè)各電極接地情況。在主界面下按“R 地”鍵，進(jìn)入接地電阻測(cè)量界面。測(cè)量每根電極的對(duì)地電阻值。系統(tǒng)默認(rèn)以第1根電極作為參考電極，因此測(cè)量前必須確保第1根電極的可靠接地。若測(cè)得的接地電阻大于5 kΩ，系統(tǒng)提示接地電阻過(guò)大。若測(cè)得的接地電阻過(guò)大，應(yīng)采取澆水、打深電極等措施減小接地電阻。接地電阻檢測(cè)也可判斷電極與主機(jī)間的連線(xiàn)是否斷線(xiàn)，電極漏插的情況。

(5)打開(kāi)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集參數(shù)的設(shè)置，如裝置類(lèi)型、電極數(shù)、電極距、測(cè)量的層數(shù)等。

(6)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，一個(gè)裝置采集完成后進(jìn)行保存并存盤(pán)。

5數(shù)據(jù)處理與解釋

現(xiàn)場(chǎng)記錄：天子崗大壩類(lèi)型為黏土類(lèi)均質(zhì)壩；樁號(hào)之間的間隔為1 m；樁號(hào)0+418～0+420 m、樁號(hào)0+500～0+505 m處是鋼筋混凝土臺(tái)階；樁號(hào)0+610～0+611 m、樁號(hào)0+898～0+899 m處是混凝土水渠；樁號(hào)0+900 m附近大壩底部有滲漏點(diǎn)。

現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)通過(guò)2DRES反演軟件進(jìn)行最小二乘反演，迭代5次，使每條測(cè)線(xiàn)的迭代誤差小于2%，得到如下反演成果圖5，圖中橫坐標(biāo)為測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)度，縱坐標(biāo)為測(cè)深。

測(cè)線(xiàn)57201布置在距離壩頂1 m處，樁號(hào)0+400～0+695 m，由圖5～6可知測(cè)線(xiàn)16 m深以下視電阻率<40 Ω·m是潛水層，12 m深度以上視電阻率>80是第四系全新統(tǒng)人工堆積層的高阻區(qū)，分布著大大小小的高阻閉合圈，是由地下含水率差異或者地下黏土分布不均勻?qū)е碌摹D5～6可知溫納排列與施倫貝謝爾排列的反演結(jié)果沒(méi)有很明顯的差別。

測(cè)線(xiàn)57202布置在距離壩頂12 m處，樁號(hào)0+400～0+695 m，由圖7～8可知樁號(hào)0+400～0+440 m處有明顯的低阻異常，可能是受降雨等影響，表層積水未完全排出，導(dǎo)致表層填土局部含水率較高，電阻率偏低。測(cè)線(xiàn)9 m深度以下視電阻率<40是潛水層，6 m深度以上視電阻率>60是第四系全新統(tǒng)人工堆積層的高阻區(qū)。對(duì)比測(cè)線(xiàn)57201可知測(cè)線(xiàn)57202的高阻區(qū)視電阻率明顯偏低，是由于測(cè)線(xiàn)57201在壩頂，測(cè)線(xiàn)57202在壩中，壩頂?shù)娜斯ざ逊e層部分含水率比壩中低。

測(cè)線(xiàn)57203布置在距離壩頂12 m處，樁號(hào)0+870～0+929 m，由圖9可知在樁號(hào)0+898 m附近0～1 m深度范圍內(nèi)視電阻率ρS較小,視電阻率值為100～350 有明顯的高阻異常閉合圈，該高阻異常的形狀呈橢圓形，輪廓清晰，與現(xiàn)場(chǎng)記錄的樁號(hào)0+898～0+899 m處混凝土水渠相符。同時(shí)在0+896～0+905 m范圍內(nèi)有低阻異常閉合圈，與樁號(hào)0+900 m附近大壩底部有滲漏點(diǎn)相符合。在深度2～7 m范圍內(nèi)有2處低阻異常區(qū)并未在相對(duì)應(yīng)的大壩底部發(fā)現(xiàn)滲漏點(diǎn)，可能此處有微小滲漏或者沒(méi)有完全滲透。對(duì)比圖9和圖10可以發(fā)現(xiàn)施倫貝謝爾排列在樁號(hào)0+896～0+905 m范圍內(nèi)檢測(cè)出2個(gè)低阻異常體，而溫納排列檢測(cè)的是一個(gè)大范圍的低阻異常。

綜合以上可知，電極距設(shè)為5 m時(shí)，測(cè)量范圍大，能得到295 m長(zhǎng)的剖面，但是精度明顯降低，在樁號(hào)0+418～0+420 m、樁號(hào)0+500～0+505 m、樁號(hào)0+610～0+611 m處看不到高阻閉合圈，而實(shí)際上這幾處有臺(tái)階。溫納排列與施倫貝謝爾排列測(cè)量的反演結(jié)果差別不大，施倫貝謝爾排列測(cè)量在深度方向上的分辨率較高。

6結(jié)論

高密度電法儀在天子崗水庫(kù)大壩檢查滲漏有一定的適用性，從取得的探測(cè)效果看，高密度電法不失為一種有效的水庫(kù)滲漏探測(cè)方法，總結(jié)以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)電極距為1 m時(shí)基本能檢測(cè)出滲漏位置而且與實(shí)際符合較好，缺點(diǎn)是測(cè)量范圍和深度降低了很多。

(2)電極距5 m時(shí)精度不能滿(mǎn)足水庫(kù)滲漏的檢測(cè)要求，只能大致區(qū)分地層分布情況。

(3)溫納排列與施倫貝謝爾排列測(cè)量的結(jié)果差別不大，可以互相對(duì)比驗(yàn)證，防止測(cè)量誤差；在有些地質(zhì)情況下，施倫貝謝爾排列測(cè)量在深度方向上的分辨率較高。

(4)本次探測(cè)的高密度電阻率法反演結(jié)果很好地反映該水庫(kù)大壩存在滲漏隱患，達(dá)到預(yù)期探測(cè)目的。

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(責(zé)任編輯郎忘憂(yōu))

收稿日期：2015-09-28

作者簡(jiǎn)介：李波(1978-)，男，工程師，大學(xué)本科，主要從事水利工程管理工作。

中圖分類(lèi)號(hào)：TV698.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1008-701X(2016)02-0092-04

DOI：10.13641/j.cnki.33-1162/tv.2016.02.027