(鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450001)

1 研究背景

水利部第一次全國水利普查公報(bào)顯示，截止2017年12月，我國水庫的數(shù)量達(dá)98 795座[1]，水庫的保有量位居世界前列。然而隨著時(shí)間的發(fā)展，在多種因素的影響下，水庫病害頻發(fā)，若沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行有效修補(bǔ)，將會(huì)導(dǎo)致病害的進(jìn)一步發(fā)展，甚至?xí)斐蓾?，?yán)重危害社會(huì)安全和生態(tài)環(huán)境。在眾多病害當(dāng)中水庫滲漏問題一直是水庫常見的病害之一,滲漏的發(fā)生是多種因素共同作用的結(jié)果。水庫滲漏造成的直接影響是降低效益，增加運(yùn)行成本，間接影響則是對地下結(jié)構(gòu)的完整性有損壞，并隨時(shí)間發(fā)展，可能會(huì)對大壩甚至整個(gè)庫區(qū)造成災(zāi)難性影響[2-4]。

電法勘探的思想自從20世紀(jì)誕生以來，經(jīng)過不斷地發(fā)展完善，到現(xiàn)在已經(jīng)形成一種比較成熟的探測方法。由于高密度電法具有無損檢測特點(diǎn)，同常規(guī)的電阻率法相比，其成本更低，效率更高，通過一次布線即可獲得非常豐富的地質(zhì)信息[5]，在后期的數(shù)據(jù)處理中，方法簡單，精度高。因此將該方法由最初用于大規(guī)模的地下水源的勘探、大規(guī)模的礦產(chǎn)資源的勘探，到如今逐漸被廣泛用于眾多大型復(fù)雜工程中的病害精確探測[6]。方易小鎖等[7]探究了高密度電阻率法對不同電極排列方式的分辨率響應(yīng)的規(guī)律，提出布點(diǎn)間距可小到0.5 m，為了保證探測的效果，布點(diǎn)間距最大不宜超過6 m。陳睿等[8]探究高密度電法在隧道超前探測的可行性，提出地下復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的探測要結(jié)合相應(yīng)的鉆探。馬志抒等[9]使用高密度電法對水庫滲漏進(jìn)行2～3 d的探測，并成功查明滲漏位置。謝緒杰[10]運(yùn)用高密度電法在巖溶地區(qū)對壩基進(jìn)行了滲漏檢測，準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)了壩基病害位置。劉偉等[11]運(yùn)用高密度電法對巖溶富水構(gòu)造進(jìn)行探測研究，發(fā)現(xiàn)高密度電法對地下隱伏低阻體反應(yīng)靈敏。Ammar等[12]在埃及沙漠地帶應(yīng)用直流電阻率法成功描繪出地下斷層帶并確定裂隙含水層的位置。 閆亞景等[13]利用高密度電法對邊坡地下水進(jìn)行研究，驗(yàn)證了對邊坡潛在滑動(dòng)面識(shí)別的可行性。吳亞楠[14]在探究巖溶發(fā)育及分布規(guī)律時(shí)采用高密度電法， 并取得較好的效果。

目前高密度電法的應(yīng)用研究較多采用溫納式排列進(jìn)行探測，溫納式排列具有較高的豎直方向分辨率，但是每次只能觀測一個(gè)位置的數(shù)據(jù)信息。在水庫大壩的應(yīng)急搶險(xiǎn)中，快速準(zhǔn)確地探測出病害位置并進(jìn)行及時(shí)處理對保障大壩安全有重要意義。本文以某水庫檢測實(shí)例來分析高密度電法的偶極-偶極式的探測方式對地質(zhì)病害異常體的辨識(shí)度和準(zhǔn)確度，并通過鉆芯驗(yàn)證該方法的探測準(zhǔn)確性。

圖1 高密度電阻率法檢測原理

2 檢測原理及檢測方式

2.1 檢測原理

高密度電法的全稱是高密度電阻率探查法，其本質(zhì)屬于直流電阻率法的一種。該方法工作原理與電阻率法一樣，通過電極A，B端接入大地制造人工穩(wěn)定電場，在觀測電極M，N端處觀測地下電場中的電位差，如圖1所示；然后通過所用排列方式的地面電極裝置系數(shù)與供電電流轉(zhuǎn)換成視電阻率，從而探測巖土體中介質(zhì)導(dǎo)電性的差異，并通過這些物理特征對地質(zhì)體進(jìn)行分析診斷。

地面電極裝置系數(shù)K計(jì)算公式為

(1)

式中：LAM為電極A與電極M間的距離；LAN為電極A與電極N間的距離；LBM為電極B與電極M間的距離；LBN為電極B與電極N間的距離。

視電阻率計(jì)算公式為

(2)

式中：ρ為視電阻率；K為裝置系數(shù)(m)；ΔV為觀測的電位差(V)；I為供電電流(A)。

高密度電法的檢測方式從最初的3種(α，β和γ)[6]發(fā)展到現(xiàn)在的十幾種，其中最常用的是施倫貝格(對稱四極)、溫納、兩極、三極、單極-偶極、單極-單極、偶極-偶極。溫納式檢測因其在豎直方向的精度較高而被廣泛地采用，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中，溫納、施倫貝格、兩極、三極、單極-偶極、單極-單極這幾種探測方式的效率與偶極-偶極式的相比較為低下。

此次檢測采用偶極-偶極式探測方式，偶極-偶極排列式在檢測時(shí)每次可以同時(shí)觀測多個(gè)位置的電位數(shù)據(jù)，而溫納等其他排列方式每次只能觀測同一個(gè)位置的電位數(shù)據(jù)。偶極-偶極排列相對于其他排列方式在提高效率的同時(shí)，也能保證較高的精度。偶極-偶極排列式在檢測時(shí)需要保持較高的信噪比，保持激發(fā)電極和觀測電極的距離小于8倍電極距，同時(shí)保持較大的供電電流。

圖2 偶極-偶極排列

2.2 檢測方式

偶極-偶極式檢測方式

見圖2。該方式是通過對電極A,B進(jìn)行供電，在觀測電極M，N處進(jìn)行觀測，其中BM間的距離小于AB或MN間距離的8倍。在設(shè)備方面，采用美國AGI所生產(chǎn)的Supersting R8高密度電法檢測儀，該設(shè)備特點(diǎn)是當(dāng)采用偶極-偶極式的探測陣列時(shí)，在命令文件控制下可一次激發(fā)8個(gè)電位，并同時(shí)觀測這8個(gè)電位的數(shù)據(jù)，如圖3(a)所示；在保證數(shù)據(jù)精度的同時(shí)，其效率是單點(diǎn)檢測的溫納法(圖3(b))的8倍。在電極方面，采用的是雙模式自動(dòng)智能電極，此類電極可同時(shí)進(jìn)行高精度的電阻率和激發(fā)極化電位差測量。

圖3 8通道儀器和單通道儀器

2.3 工程概況

圖4 測線及鉆孔位置示意圖

此次在某水庫進(jìn)行滲漏檢測，該水庫庫區(qū)三面環(huán)山，壩后方向?yàn)楸保瑝魏鬄楦?，水庫庫區(qū)利用天然地形優(yōu)勢在汛期儲(chǔ)存山水、雨水，在修建大壩后，在壩后庫區(qū)外有明顯滲漏點(diǎn)，且滲漏點(diǎn)高程遠(yuǎn)低于庫區(qū)內(nèi)最低水位。該地區(qū)地質(zhì)為灰?guī)r和中風(fēng)化灰?guī)r地質(zhì)，當(dāng)?shù)叵滤凶兓蚴芡饬τ绊憰r(shí)，在灰?guī)r區(qū)易出現(xiàn)溶蝕現(xiàn)象，隨著進(jìn)一步發(fā)育會(huì)逐漸形成溶洞、溶蝕裂隙等不良的地質(zhì)現(xiàn)象[15]。在旱季，壩前庫區(qū)水位較低，裸露地質(zhì)多為天然泥土地，土質(zhì)松軟，對高密度電法的探測十分有利。針對可疑地區(qū)，布置2條測線位置，如圖4中直線所示，布設(shè)參數(shù)見表1，均采用偶極-偶極式進(jìn)行探測。

表1 測線布設(shè)參數(shù)

在正式檢測之前，對每個(gè)電極進(jìn)行接地電阻測試，確保每個(gè)電極的接地電阻的電阻率都在1 kΩ以內(nèi)，電阻率較大的采取澆灌鹽水的措施改善接地條件。觀測時(shí)間設(shè)為1.2 s，重復(fù)觀測2次，重復(fù)誤差設(shè)置在2%以內(nèi)。觀測結(jié)束后，導(dǎo)出數(shù)據(jù)進(jìn)行反演分析。

3 數(shù)據(jù)分析與解釋

3.1 數(shù)據(jù)處理

從布置測線開始，到數(shù)據(jù)檢測采集結(jié)束，此次檢測共耗時(shí)1.5 h。2次檢測數(shù)據(jù)點(diǎn)共643個(gè)，其中第1組數(shù)據(jù)為412個(gè)，第2組數(shù)據(jù)為231個(gè)。根據(jù)阻尼最小二乘法采用EarthImager 2D進(jìn)行數(shù)據(jù)反演分析。阻尼最小二乘法公式為

(JTJ+λCTC)P=JTg。

(3)

式中：J為偏導(dǎo)數(shù)雅可比矩陣；JT為J的轉(zhuǎn)置矩陣；λ為阻尼因子；C為二維光滑濾波系數(shù)；P為模型參數(shù)的校正矢量矩陣；g為計(jì)算的比值參數(shù)理論值與實(shí)測視電阻率值計(jì)算得到的比值參數(shù)之差的矢量矩陣。

反演方法選擇阻尼最小二乘法，可以有效計(jì)算出觀測點(diǎn)的電阻率數(shù)據(jù)，通過多次的迭代和擬合從而使得計(jì)算出的數(shù)據(jù)逐漸接近真實(shí)觀測到的數(shù)據(jù)，最后得到最真實(shí)的反演模型。根據(jù)黃真萍等[16]的研究，在噪聲較小時(shí)，阻尼因子采用0.15可以獲得較好的反演結(jié)果。二維光滑濾波系數(shù)可消除數(shù)據(jù)采集過程中隨機(jī)噪聲的干擾。

3.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量

圖5為1號(hào)測線和2號(hào)測線反演結(jié)果。從圖5可知，第1組數(shù)據(jù)反演均方值相對誤差在5.3%，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性高，結(jié)果可信度高；第2組數(shù)據(jù)反演均方值相對誤差在2.6%，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性高，結(jié)果可信度高。從數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性及反演的結(jié)果來看，此次檢測獲得的數(shù)據(jù)質(zhì)量較高。

圖5 1號(hào)測線和2號(hào)測線反演結(jié)果

3.3 物探異常推斷

此次檢測的目的是為了尋找滲漏通道，因此在反演結(jié)果中，異常的低阻率區(qū)域是需要關(guān)注的，反演結(jié)果中異常的低阻率區(qū)域已用圈形標(biāo)識(shí)圈出。測線反演數(shù)據(jù)判讀分析結(jié)果見表2。

4 檢測結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證此次的檢測結(jié)果，探究偶極-偶極式的檢測方式在高密度電法檢測方式中的準(zhǔn)確率，結(jié)合鉆探來進(jìn)行對比驗(yàn)證，鉆孔位置見圖4。檢測結(jié)果與鉆探結(jié)果對比見表3。

表2 測線反演數(shù)據(jù)推斷

表3 檢測結(jié)果與鉆探結(jié)果對比

從鉆探結(jié)果來看，漏水點(diǎn)、溶洞存在位置、溶蝕裂隙較發(fā)育帶都與此次高密度電法偶極-偶極式的檢測方式的檢測結(jié)果高度吻合。

5 結(jié) 語

通過高密度電法的探測勘察以及結(jié)合前期的工程地質(zhì)調(diào)查、后期的鉆探驗(yàn)證對比，證明了高密度電法偶極-偶極式的檢測方式的準(zhǔn)確性;且在此次某水庫的滲漏檢測中，高密度電法的偶極-偶極式檢測方式在對滲漏通道、溶洞及溶蝕發(fā)育帶的辨別都取得了較好效果，為以后類似的檢測工作提供了一些借鑒。