孫禮釗

(上?？睖y設計研究院有限公司，上海 200434)

1 前 言

水庫是一種十分重要的水利工程，具有供水、防洪、灌溉、養(yǎng)殖等多方面的效益。我國9萬多座水庫95%以上采用土石壩，不少壩體存在嚴重隱患，包括洞穴、土體疏松帶、裂縫、滲漏、滑坡等[1～2]，每逢汛期可能演變?yōu)殡U情，危及下游居民生命財產安全。因此，早發(fā)現壩體隱患并采取相應治理措施具有重要意義。

我國壩體隱患探測技術始于20世紀80年代，90年代后國家設立科技攻關課題、舉辦學術研討會等，有力地推動了壩體隱患探測技術的發(fā)展[3～4]。地球物理方法具有快速檢查、連續(xù)掃描、無損、成本低的特點，有效地彌補了傳統(tǒng)鉆孔取芯、開挖取樣方法費時費力、破壞程度大等缺陷，因此得到越來越廣泛的應用。目前物探技術還沒完全適用于堤壩隱患探測，方法和儀器在分辨率、可靠性等方面還需要進一步研究。本文以某水庫為例，探討物探技術在壩體隱患探查中的應用。

某水庫采用土石壩，始建于20世紀50年代，開始為低矮攔水壩，其后經過多次加高加厚。由于建壩時期的特殊性，壩體沒有做過完善的選址工作，施工過程中經常遇到停工、人員變動等問題，運行中缺乏有效的管理與監(jiān)督，目前該水庫壩體出現工程質量問題。故查明隱患位置、分析其原因等問題亟須解決，為壩體治理提供依據。筆者分析壩體介質物性特征，采用瑞雷波法、高密度電阻率法、地質雷達法三種方法綜合應用查找壩體隱患，取得良好應用效果。

2 工程概況及地球物理特征

2.1 工程概況

某水庫所在河流發(fā)源于鳳陽山麓，地處江淮分水嶺北側，集水面 42.4 km2，來水區(qū)大部分為丘陵區(qū)。水庫設計洪水標準為50年一遇，洪水位 72.7 m，庫容 1 950萬m3。壩體全長 1 740 m，壩頂寬度 5.0 m，最大壩高 18.2 m；壩體迎水坡采用干砌塊石護坡，坡比1∶2.5；背水坡采用草皮護坡并設有 4.0 m寬平臺，平臺以上坡比為1∶2.5，以下坡度1∶3。

鉆孔資料顯示：壩頂有碎石路面厚 0.3 m，碎石粒徑 1 cm～15 cm，呈棱角狀。壩身填土深度為壩頂以下 9.80 m～13.30 m不等，主要由灰黃色、黃褐色黏性土組成，濕，可塑，局部為軟塑，含少量鐵錳質斑點，土色及土質不均勻，含水率高，結構疏松。局部深度 2.0 m以上見有少量水泥團粒，粒徑 0.2 cm～0.5 cm；6.8～7.5m含粉細砂，土體密實度差?？咨?8.6 m以下壩身土體結構變密實。9.8 m～20.0 m為壩基土，黃褐色粉質黏土、黏土，濕，硬塑，含大量鐵錳質斑，土體結構密實，未鉆穿。圖1為工程地質剖面圖。

2.2 地球物理特征

壩體土質主要為黏性土，壩身與壩基土體結構密實度不同。壩體內部出現隱患(如空洞、裂縫等)時，在地層中形成一個小規(guī)模的空間，其與周圍土體存在明顯的彈性性質 (波速) 差異。當隱患在水位面以上

圖1 工程地質剖面圖

時，其充填的空氣電阻率大于周圍土體電阻率、介電常數小于土體介電常數，隱患表現為高阻～低介電常數特征；當隱患在水位面以下時，其充填的河水電阻率小于周圍土體電阻率、介電常數大于土體介電常數，隱患表現為低阻～高介電常數特征[5～6]。表1為壩體不同介質的物性參數表。

壩體正常介質與隱患之間的彈性、電阻率、介電常數差異為采用地球物理方法探測壩體隱患提供了良好的前提條件，擬采用瑞雷波法、高密度電阻率法、地質雷達法進行綜合探測。

堤身不同介質物性參數表 表1

3 野外施工方法

3.1 瑞雷波法

圖2 瞬態(tài)瑞雷波法數據采集示意圖

圖2為瞬態(tài)瑞雷波勘探數據采集示意圖，本次瑞雷波法采用錘擊激振方式，24道接收，4 Hz檢波器，偏移距 10.0 m。

3.2 高密度電阻率法

高密度電阻率法與常規(guī)電阻率法原理相同，隨著科技進步，發(fā)展成為一種陣列式電阻率測量方法，它將電阻率法與計算機數字技術結合，集電剖面和電測深于一體，采用高密度布點，進行二維地電斷面的測量，既能揭示地下某一深度水平巖性的變化，又能提供巖性沿縱向的變化情況[7～8]。

本次電阻率數據采集選擇溫納裝置，電極距 2.0 m，最大隔離系數16層，供電電壓 200 V。

溫納裝置(如圖3所示)：測量時，AM=MN=NB為一個電極間距，A、B、M、N逐點同時向右移動，得到第一條剖面線；接著AM、MN、NB增大一個電極間距，A、B、M、N逐點同時向右移動，得到另一條剖面線；這樣不斷掃描測量下去，得到倒梯形斷面。

圖3 溫納裝置測量方式圖

3.3 地質雷達法

地質雷達法是一種運用電磁波傳播理論來進行勘探的地球物理方法，探測時由發(fā)射機向地下介質發(fā)射高頻(107 Hz～ 109 Hz)短脈沖電磁波，電磁波在介質中傳播時，主要受到介質的相對介電常數的變化，發(fā)生類似光學的反射和折射，反射的強弱與介質常數直接有關。

常見巖土介質一般為非磁性介質，相鄰介質的相對介電常數ε有差異時，其電磁波阻抗η也存在差異，用電磁波反射系數R表示這種差異：

式中：ε1、ε2分別為上、下介質的相對介電常數；

η1、η2分別為上、下介質的波阻抗。

當R達到一定值時，入射到該介質分界面上的電磁波會發(fā)生反射，形成發(fā)射波。發(fā)射天線與接收天線以固定的間距同時沿測線移動時，可以得到反映測線下不同介質界面分布情況的地質雷達圖像。根據接收到地質雷達波形、強度、雙程傳播時間等，經過數據處理，可得到各測線下隱蔽目標物的分布情況。

本次采用美國SIR-20型地質雷達，天線主頻為 70 MHz，時窗為 600 ns，采樣點為 1 024點/道。

3.4 方法分析

各種地球物理方法有著自身的優(yōu)缺點和適應性，根據異常體的特性選擇合理的方法，才能達到有效勘探的目的。①高密度電阻率法基于地層電性差異，且對低阻目標體反應靈敏；壩體隱患常在水的作用下發(fā)生，水的導電性較周圍土體好得多，其在地電斷面中表現明顯；故高密度電阻率法適合壩體隱患普查及安全預報工作。②瑞雷波法基于地層彈性差異，土體瑞雷波速度為剪切波速度的0.91倍～0.98倍，而土體的剪切波速度是評價巖土體強度的重要指標；當地層存在軟弱夾層時易激發(fā)產生高模式瑞雷波，多模式瑞雷波頻散能量譜中，高模式波占主導地位，疊加頻散曲線會出現明顯“之”字形回折現象[9～11]，故瑞雷波法適應于壩體軟弱層或疏松土體探測。③地質雷達法采用高頻電磁波，其分辨率優(yōu)于其他方法，但是考慮到水庫壩區(qū)地下水位較高，高頻信號衰減迅速，難以達到探測深部異常體的目的，故地質雷達法適合壩體淺部隱患的詳查[12]。

4 成果分析

4.1 測線布置

根據工區(qū)實際情況，在某水庫壩頂中心位置布設高密度電阻率法與瑞雷波法測線，起點樁號0+000，終點樁號0+120；另外根據此兩種方法的探測結果在0+060～0+110段補充地質雷達法，對異常部位進行詳查。圖4為物探測線布置示意圖。

圖4 物探測線布置示意圖

4.2 高密度電阻率法分析

高密度電阻率法數據處理包括：壞點剔除、濾波、網格化以及最小二乘法二維反演，最終得到電阻率等值線斷面圖，如圖5所示。

壩身土體電阻率縱向上整體呈現出上低下高的電性特征；橫向上，深度 1.0 m以上地層電阻率變化復雜，呈高低相間展布，推測壩頂碎石路面及路基引起淺部地層電性不均勻。深度 3.0 m～8.7 m段，電阻率呈現低～高～低～高～低相間展布特征，共圈出3處低阻異常部位，分別為樁號0+014～0+022、樁號0+058～0+064、樁號0+078～0+096；前兩處異常具有封閉性特征，為可能存在的含水空洞，易演變?yōu)閴误w滲漏通道；第三處異常與地表連通，呈條帶狀，推測為壩身裂縫，為潛在的滑動面，異常壩頂位置與已知裂縫吻合。深度 8.7 m以下部位，電阻率較高，推測為壩基土，未見明顯異常。

圖5 電阻率等值線斷面圖

4.3 瑞雷波法分析

瑞雷波法數據處理包括：壞道剔除、濾波、計算頻散譜、提取頻散曲線等。選取兩道典型的頻散曲線(圖6)進行分析，該兩道排列記錄點分別位于樁號0+036、0+084處。

從圖6中可以看出，0.0 m～1.0 m段未能提取頻散曲線，表明該段為瑞雷波法探測盲區(qū)；1.0 m～8.0 m段瑞雷波速介于 120.0 m/s～ 150.0 m/s之間，在 3.0 m～5.0 m出現相對低速區(qū)，推測該段為壩身填筑土，上部土體在外來壓力(行車，等)作用下被壓實，下部土體未被擾動，形成上密下疏的結構特征；8.5 m以下地層瑞雷波速大于 160.0 m/s，且隨深度增大，波速逐漸增大，推測該段為壩基土，在上覆土體應力作用下，結構越來越密實。樁號0+084處在 2.0 m～4.0 m段波速明顯增大，頻散曲線出現“之”型特征，此時高階面波占主導地位，推測為壩身土體疏松部位。

圖6 典型頻散曲線圖

4.4 地質雷達法分析

地質雷達法數據處理包括：時間零點校正、濾波、距離歸一化、振幅均衡等，最終得到地質雷達時間剖面圖(圖7)。

深度1.5 m以上，雷達波同相軸連續(xù)；1.5 m～8.5 m段，剖面中多次反射波較強，持續(xù)時間長，側向散射不明顯，具有局部孤立的特點，推測該反射信號由壩身土質不均勻導致介電常數存在差異所引起，這些異?，F象在瑞雷波法、高密度電阻率法成果中均未有明顯表現，體現了地質雷達分辨率高的特點；樁號0+074～0+095段深度 3.0 m～7.0 m，反射波同相軸連續(xù)性較好，呈約30°傾斜展布，推測為堤身裂縫，與高密度電阻率法異常結果相符。

圖7 地質雷達時間剖面圖

5 結 論

綜合三種地球物理方法的解釋成果及鉆孔資料可知：某水庫樁號0+000～0+120段深度約 8.5 m以下部位土體結構密實，推測為壩基土，未見明顯異常；雖然鉆孔資料揭示 8.6 m～ 9.8 m段仍為壩身土體，但其土體結構變密實，在物探成果中不能與壩基土明顯區(qū)分。 8.5 m以上部位為壩身填筑土，土體不均勻，具有上密下疏的結構特征；在樁號0+014～0+022、樁號0+058～0+064、樁號0+078～0+096共圈出3處異常部位，前兩處推測為可能存在的含水空洞，易演變?yōu)闈B漏通道，第三處異常與地表連通，呈條帶狀，推測為壩身裂縫，為潛在的滑動面，異常壩頂位置與已知裂縫吻合。

6 結 語

瑞雷波法、高密度電阻率法、地質雷達法三種方法綜合應用探測某水庫隱患，取得良好的實際應用效果，得到以下結論：

(1)某水庫壩體隱患部位較正常土體電阻率低，介電常數大，表現出低阻～高介電常數異常特征；高階瑞雷波占主導地位，頻散曲線出現“之”字形回折現象。

(2)某水庫壩體地電斷面中含水空洞呈封閉性低阻異常，壩身裂縫呈低阻異常與地表連通的條帶狀。

(3)高密度電阻率法適合壩體隱患普查及安全預報工作，瑞雷波法適應于壩體軟弱層或疏松土體探測，地質雷達法適合壩體淺部隱患詳查。

(4)利用合理的地球物理方法探測壩體隱患效果明顯，且具有方便、快捷、無損的特點；多種方法綜合應用可以消除單一方法的多解性，得出較合理的解釋結果。