物探技术在大坝隐患探测中应用实例分析

2011-06-08杨甫权白广明

黑龙江水利科技 2011年6期

关键词：高密度物探电阻率

杨甫权，白广明

(黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨 150080)

物探技术在大坝隐患探测中应用实例分析

杨甫权，白广明

(黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨 150080)

为了检查大坝内部质量情况，探明大坝坝体可能存在隐患，可用流场法查明坝前是否存在渗漏集中入口，同时综合利用另外3种物探方法可以实现从坝体浅部到深部的详细勘探，实现多种物探方法的成果可以相互验证，保证探查结果的正确性。

物探技术;隐患;电阻率;反射波;瞬变电磁法

1 工程概况

哈尔滨市磨盘山水库供水工程由水库、输水管线、净水厂和市区配水管网四部分组成。水库位于黑龙江省五常市沙河子镇境内的拉林河上游，是一座以为哈尔滨市供水为主，结合防洪、灌溉等综合利用的大型水利枢纽工程。主要建筑物由挡水建筑物、泄水建筑物、引水建筑物等组成。工程2003-04开始建设，2004-09截流，2005-09下闸蓄水。

水库的坝址位于沙河子乡沈家营村以东1.5 km处，拦河坝为黏土心墙土石坝，坝顶长度为406 m，最低建基面为274.6 m，最大坝高为49.9 m，平均坝高31.91 m。坝顶宽8.0 m，坝顶高程为324.50 m。坝顶设钢筋混凝土防浪墙，墙顶高程为325.70m，墙底高程为322.50m，与黏土心墙顶相接，坝顶设沥青混凝土路面，厚6 cm。黏土心墙顶高程为322.50 m，宽3.0 m，心墙坡比1∶0.25，河床段心墙底高程为284.00 m，下接混凝土防渗墙，混凝土防渗墙插入心墙4 m。黏土心墙上游设一层砂砾石反滤，厚3 m。下游设中粗纱、砂砾石反滤各一层，每层厚度均为1.5 m。坝壳料为砂砾石。

因大坝在桩号0+255分别于2009-07-01和2010-06-06出现两次塌陷，2010-09-06在导流灌溉洞出口至下游护坡的回水处水面出现浑水现象，并发现下游护坡底部有渗水点。为了检查大坝内部质量情况，探明大坝坝体可能存在隐患，故进行本次物探检测工作。

2 工程地质条件

坝址区河谷呈不对称“U”字型，河床宽50 m～60 m，河床两侧发育有10 m～20 m宽的狭长型河漫滩，滩面稍有起伏，地面高程为280m～282m，高出河床2 m～3 m，右岸山坡坡度45°～60°，山脚与河漫滩相连，左岸为山前倾斜台地，地面坡度约为10°～15°，前缘与河漫滩相连，台地宽度＞200 m。

该地区主要由第四系和侵入岩组成，见图1。坝基可划分为河谷区和左岸斜坡区两部分。河谷区表层上部为含细粒土细砂，厚2.0 m～3.2 m;下部为混合土卵石，而且混合土卵石层较密实，其间无软弱夹层，透水性强，渗透系数一般在20m/d以上。左岸斜坡区由上部的碎石混合土和下部的混合土卵石组成，上部碎石混合土层密实，且无软弱夹层，属弱透水，渗透系数在1×10-4cm/s左右，下部的混合土卵石同上部情况相同。坝基基底由花岗岩组成。

图1 坝轴线工程地质剖面图

右坝肩岩体直接裸露，为花岗岩，山坡较陡，约45°～60°，在坝轴线上下游各发育有一条断层破碎带，宽度分别为1.3 m和1.7 m，其走向为350°～352°，它们与坝轴线夹角为25°～27°，与山体走向近于垂直，故不会影响坝肩稳定;右坝肩节理发育，其中最发育的一组倾向为70°～82°，倾角80°～88°，其产状对坝肩稳定无不利影响，另一组节理倾向为150°～155°，接近于山坡倾向，但其倾角较高为60°～70°，不至产生顺坡滑动。山体表层岩石为弱风化，工程地质条件较好。

左坝肩处在左岸斜坡区的上部，坡度较缓，覆盖层较厚，上部为碎石混合土，厚度为41.40 m左右，密实，无软弱夹层，稳定条件较好。

3 物探检测工作实施及成果

3.1 测试方法选择

本次检测采用4种物探方法对堤坝实施了测试。4种物探方法分别是流场法、高密度电阻率法、瞬变电磁法和地震映像法。

4种物探方法特点简介如下：

1)流场法：通过对坝前水域探测区场强测试结果平面图分析，如果场强分布均匀，场强幅值在正常值范围，则测试范围内无集中入渗区。如幅值在异常范围，那么异常区域即为探测到的管涌渗漏的入水部位。如果异常幅值高，范围较小，一般是管涌的特征。异常幅值高，范围大，则是集中渗漏的特征。异常幅值低，一般是散浸的特征，特别大面积幅值介于正常与异常场的区域基本是由于散浸所引起的。

2)高密度电阻率方法：坝体均匀时，坝体浅层表面干燥密实，下部含水率随深度变化而增加，视电阻率等值线将呈层状分布。当坝体内存在不均匀土体、裂缝、渗漏通道等隐患时，则视电阻率等值线梯度变化大，成层性差，将出现高阻或低阻异常闭合圈。由此，可由视电阻率等值线的变化情况及曲线形态，结合地质情况及坝体结构特征，推断隐患的性质、产状和埋深等情况。该方法适用于堤坝裂缝、洞穴、松软层、高含砂层以及其他土质不均等隐患的详查。

3)瞬变电磁方法：坝体均匀时，电磁波随着测试深度呈有规律的指数衰减趋势，电阻率等值线呈层状分布。当坝体不均匀时，其内存在不密实土体、裂缝、空洞等隐患时，电磁波能量衰减增大，干扰加强，导电性能明显减弱，电阻率增大，当其中充满水后，导电性增加强，电阻率减小，将表现为局部的低电位高阻异常或高电位低阻异常。该方法适用于堤坝裂缝、洞穴、松软层、高含砂层以及其他土质不均等隐患中深部的详查。

4)地震映像法：主要利用了波的运动学特征，要求隐患与其周围介质之间有明显的波速、波阻抗差异和性质稳定，并且隐患埋深应在该方法探测深度范围内，其厚度或规模要大于有效波长的1/4。该方法常用于探测松软层、洞穴、高含砂层、护坡、闸室底板脱空以及堤身、堤基加固效果评价等。

3.2 测试原理

3.2.1 流场法探查原理

流场法堤坝管涌渗漏探测仪是利用在堤坝前水域和堤坝渗漏出水点架设的电极建立的特殊电流场去拟合渗漏水流场的“流场法”原理实现快速查明堤坝渗漏或管涌进水口位置的，与其他物探方法相比，该方法不是探查堤坝渗漏路径，它可以探查到渗漏路径前端在堤坝前水域内的位置，为大坝或堤防除险加固，渗漏入口封堵提供依据。该方法避开了其它物探方法探查深度越大分辨率越差的弊端，是目前为止国际上唯一能够实际应用，快速、准确探测堤坝渗漏或管涌进水部位的方法。

探测时首先对欲测试水域用发射机建立电场，然后使用接收机连接的探头在该水域进行探测，在正常没有管涌渗漏的情况下，接收机面板上渗漏指示表中有一定(一般数值较小)的数值显示，该数值反映了该区域正常情况下电场的电流密度分布特征，称之为正常值，对于不同的水域，其正常场的电流密度分布特征有所不同。

如果堤坝存在管涌渗漏，就会使渗漏入口附近水域电流密度的分布特征发生改变，在正常值基础上局部区域出现高值反映，该高值称之为异常值，其幅值的大小与分布范围与管涌渗漏点的分布情况有密切的关系。

测试后将各测线测量结果值汇总，可以得到如图2样式的测值平面图。正常值分布表现在图面上为低值区域，一般来说其值变化范围也比较小，曲线比较缓。异常值则具有突变的特点，跳跃比较大，幅值高。

图2 场强测试结果平面图样式

平面图正常分布应是大范围幅值小，等值稀的区域。如果测试区域存在渗漏入口，则渗漏入口附近水域会出现等值线密，幅值高的异常分布区域。

3.2.2 高密度视电阻率法勘探原理

电法勘探是以岩、矿石的导电性为基础，通过观测分析电场分布变化规律来解决地质问题的一种地球物理勘探方法。高密度电阻率法和常规电阻率法一样，它通过A、B电极向地下供入电流I，然后在M、N极间测量电位差ΔU，测试原理见下图，该记录点的视电阻率值用下式计算。

式中：K为装置系数。

根据实测的视电阻率剖面，进行计算、处理、分析，便可获得地层中的电阻率分布情况，从而可以划分地层、圈闭异常、确定裂隙带等特点。高密度电阻率法集测深和剖面法于一体的一种多装置、多极距的组合方法，它具有一次布极即可进行多装置数据采集以及通过求取比值参数而能突出异常信息的特点。

图3 半空间局部不均匀体产生视电阻率异常示意图

本次探测所采用的是高密度电阻率法，高密度电阻率法实际上是一种阵列勘探方法、野外测量时只需将全部电极(几十至上百根)置于测点上、然后利用程控电极转换开关和微机工程电测仪便可实现数据的决速和自动采集，当将测量结果送入微机后，还可对数据进行处理并结出关于地电断面分布的各种图示结果。显然，高密度电阻率勘探技术的运用与发展，使电法勘探的智能化程度大大提高。相对于常规电阻法而言、它具有以下特点：

1)电极布设是一次完成的，这不仅减少了因电极设置而引起的故障和干扰，而且为野外数据的快速和自动测量奠定了基础。

2)能有效的进行多种电极排列方式的扫描测量，因而可以获得较丰富的关于地电断面结构特征的地质信息。

3)野外数据采集实现了自动化或半自动化，不仅采集速度快，而且避免了由于手工操作所出现的错误。

4)与传统的电阻率法相比，成本低、效率高，信息丰富，解释方便。勘探能力显著提高。

3.2.3 瞬变电磁法勘探原理

利用不接地回线或电极向地下发送脉冲式一次电磁场，用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布，从而来解决有关地质问题的时间域电磁法。

在导电率为σ、导磁率为μ的均匀各向同性大地表面敷设面积为S的矩形发射回线，在回线中供以阶跃脉冲电流

在电流断开之前(t＜0时)，发射电流在回线周围与大地空间中建立起一个稳定的磁场，如图4所示。

图4 矩形框磁力线

在t=0时刻，将电流突然断开，由该电流产生的磁场也立即消失。一次磁场的这一剧烈变化通过空气和地下导电介质传至回线周围的大地中，并在大地中激发出感应电流以维持发射电流断开之前存在的磁场，使空间的磁场不会即刻消失。

于地面或空中设置通以一定波形电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流，断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减，衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小;而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后不同时间的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。

3.2.4 地震映像法勘探原理

地震映像法又称高密度地震勘探和地震多波勘探，是基于反射波法中的最佳偏移距技术发展起来的一种常用浅地层勘探方法。这种方法可以利用多种波作为有效波进行探测，也可以根据探测目的要求仅采用一种特定的波作为有效波。这种方法中，每一测点的波形记录都采用相同的偏移距激发和接收。在该偏移距处接收到的有效波具有较好的信噪比和分辨率，能够反映出地质体沿垂直方向和水平方向的变化。

地质模型如图5所示，图中表示了当偏移距为L时，O1、O2点激发，S1、S2点接受的反射波传播路径，界面水平时，反射点在激发点和接收点中点下的界面上，反射波的传播时间与界面深度有关。反射波时距方程为：

如图5所示，当界面水平时，每次激发的反射波传播时间不变，反射点的位置正好在记录点上，当界面深度发生变化时，反射波的传播时间会发生变化，跨入在断层两对侧表现为突变;如果是倾斜界面，反射点的位置会偏离记录点向界面的上倾方向移动。同样可以从反射波同相周的变化情况定性推断界面的起伏情况。

图5 反射波模型示意图

地震映像法特点

1)数据采集速度较快，但抗干扰能力弱，勘探深度有限。

2)地震映像法在资料解释中可以利用多种波的信息，即有效波不但是反射波，还可以是折射波、面波、绕射波，或同时有两种或3种波能够反映地下地质条件的变化。

3)在探测目的较单一、只需研究横向地质情况变化的情况下，地震映像法效果较好。

4 使用仪器

本次大坝流场法、高密度电法、瞬变电磁法及地震映像法勘查使用了国内先进的DB-3型堤坝管涌渗漏探测仪、E60D型高密度电法仪、MDTEM64多通道分布式瞬变电磁勘探系统和Miniseis24型综合工程探测仪。

DB-3型堤坝管涌渗漏探测仪主要由信号发送和信号接收两部分组成。发送部分包括仪器专用电源、发送机、供电电极、供电导线等;接收部分包括接收机、测量探头等。配套工具有GPS定位系统、专用笔记本电脑、对讲机、快艇等。

E60D型高密度电法仪是一种新型的电法仪，仪器采用程控方式进行数据的采集和电极控制，采集的数据以图像或者曲线的形式实时显示在屏幕上，以便随时可以监控资料的质量。该型仪器可以进行高密度电阻率、双频高密度激发激化法、自然电位法、充电法等勘探方法的数据采集任务。由于仪器本身配置有高性能的计算机，故配合相应的处理软件系统，可对上述勘探方法所采集的资料进行现场处理。

MDTEM64多通道分布式瞬变电磁勘探系统，体积小巧，重量轻，内置笔记本电脑，采用Windows XP操作系统。内置发射机，操作使用方便。采集/处理软件全部在 Windows下开发，适应性好，采集板为先进的大规模集成电路，模数转换采用24位模数转换器，运算精度高，信噪比高，数据存储采用大容量硬盘，存储速度高，仪器采用铝合金外壳，易于散热，密封好。

Miniseis24综合工程探测仪是一款内置锂离子电池，具有24个高精度记录道的综合地震勘探系统。该系统内置高性能计算机用于进行数据采集系统的管理以及数据的管理，同时保留了计算机所有功能。Miniseis24综合工程探测系统采用ΔΣ24位高精度、高速模数转换器，仪器具有最小25微秒的采样间隔和131dB的动态范围。Miniseis24设备轻便(主机整体仅重4.5 kg)、全中文界面操作简单，

5 工作实施

5.1 流场法

测试时将电场发射机A电极放置在坝后渗出水中，电场发射机B电极放置在水库库区左岸边的远处。

测试仪器的发射机电极布置好以后，开机通电后就在水库内建立了电流场。首先测量了电流场的正常场强值。具体测量方法是：用船载测试仪器的接收机并且在测试区域拖拽探头测试。通过在水库内可能的测试范围进行大面积测试，测得库区内的电流场的正常场值在10～15。

检测当日水库水位317.53 m，水面线在坝前距坝轴线水平距离17.94 m处。正式测试时在水库测区内采用的测线间距为5 m。根据现场的探测条件，用经纬仪确定测线。首先在坝东端垂直坝轴线向上游确定一条直线。然后在这条直线的上游侧转角90°，在距离坝前混凝土护坡上水边线5 m的库区水面上确定出平行坝轴线的第一条测线。用同样方法再分别确定出平行且距离水边线10 m、15 m、20 m……90 m共18条测线。相对应的测试范围南北方向是坝轴线前110 m以内水域、东西方向是左、右岸之间水域。

5.2 高密度视电阻率法

本次高密度电阻率法测线在坝顶坝轴线上布设，测线起于桩号0+038 m，长度350 m。

测试时采用的是2 m的电极距，64根电极，一次布设电极可以测试距离128 m。为完成较长的测线，采用滚动式采集观测系统。测试时共移动4次电缆，前3次移动32个电极、最后一次移动24个电极。采用的装置形式有温纳装置、单边三极装置、施伦贝尔装置和偶极装置。经试验最终选取施伦贝尔装置成果图进行测试和解释。其装置形式、数据采集方式如下。

施伦贝格装置：该装置适用于变断面连续滚动扫描测量，测量时，M、N不动，A逐点向左移动，同时B逐点向右移动，得到一条滚动线;接着A、M、N、B同时向右移动一个电极，M、N不动，A逐点向左移动，同时B逐点向右移动，得到另一条滚动线;这样不断滚动测量下去，得到倒梯形断面。其电极排列如下：

图6 施伦贝格装置数据采集方式示意图

其视电阻率ρs表达式为：数据处理流程见图7：

图7 高密度电阻率法数据处理流程图

5.3 瞬变电磁法

瞬变电磁法勘探的测线位置在坝顶，测试线框中心距防浪墙距离2.5 m。

瞬变电磁勘探采用重叠回线装置，线框为3×3 m，点距为2 m，线框匝数2匝，发射脉宽为10 ms，叠加次数64。

瞬变电磁处理流程见图8：

图8 瞬变电磁数据处理流程图

5.4 地震映像法

地震映像法选取桩号0+184～0+348重点研究区段进行测试。测线亦是平行于坝轴线布设，震源选用24磅大锤，60 Hz检波器，偏移距2 m，测点点距2 m。采用间隔为1 ms，采样点数为1024。数据处理流程见图9：

图9 地震单点映像法数据处理流程图

6 物探探测成果及分析

6.1 流场法

用船载测试仪器的接收机，在测试区域布设的测线上拖拽探头详细探查，测得测区内电流场的场强值均在正常场强值范围，数值在10～15。

检测当日水库水位317.53 m，即坝前距坝轴线水平距离17.94 m水面线以下流场法测试未发现集中入渗区域。

6.2 高密度电阻率法

图10为高密度电阻率法得到的成果剖面图，根据大坝渗压管观测资料，该成果图反映的应是黏土心墙浸润面以上视电阻率。

从图中可以看出整个断面纵向电性分层特征明显，表层2 m以上呈高阻状态为表层混凝土、碎石路基及砂砾石料层的反应，坝顶下2～11 m呈低阻为黏土心墙的反应;

横向方向上，在桩号 0+078、0+118、0+135、0+198、0+228、0+263、0+290、0+323 处存在高阻异常区。这些区域可能是渗透隐患所在位置，也可能是坝体中存在致密高阻介质的位置。块石、混凝土构造物及局部含水率相对较低区域都可以使测试结果呈现高阻状态。

图10 高密度视电阻率法剖面成果图

6.3 瞬变电磁法

图11为瞬变电磁视电阻率剖面成果图，图中在表层7 m以上高阻状态是由于关断时间影响产生勘探盲区反应，在7 m以下范围内纵向分层比较清晰，绿色以下连同黄色、红色连续高阻区域推断为坝基基底视电阻率的反应，之间区域为坝体视电阻率的反应。图中靠近左边部分低阻区域较深，对应着主河道对应的最大坝高坝体区段，同时在0+028、0+078、0+208、0+248、0+328桩号处存在电阻率变大的现象，其中在0+208桩号附近的0+178～0+218区段内高阻反映强烈，尤其0+248、0+328桩号处应该反映的是坝身视电阻率，应引起注意。