高密度電法和雷達法在堤塘滲漏中運用

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摘要:堤塘兩側長期存在水頭差，在動靜水壓力的作用下可能發生滲漏問題，危害堤防安全運行。文章以某堤塘的滲漏探測為例，簡要介紹高密度電法和地質雷達法在滲漏通道探測中的應用效果，分析了2種方法對于滲漏通道的異常判別特征。成果表明，這2種物探方法相互驗證，互相補充，能有效識別出滲漏通道的分布和規模，為堤塘的除險加固提供了靶區。

關鍵詞:高密度電法;地質雷達;堤塘;滲漏探測

1概述

在土石壩(堤)工程中，堤壩滲漏是較為嚴重的安全隱患，我國對潰壩事故進行了統計，由于質量問題引起的潰壩共1146起，其中有675起是由壩體滲漏引起的，占到58.9%。滲漏是導致水利水電工程遭受損壞的主要因素之一［1-2］。土石壩(堤)工程的滲漏探測的常規方法主要有鉆探(配以水文試驗)，物探和人工探視［3］，地質鉆探準確、直觀，但施工周期長、探測范圍有限且對壩體產生破壞;人工探視能觀察到堤壩表明的變形、滲漏情況，但難以看到壩體內部情況，準確查明滲漏通道的空間分布在很長時期內都是一個難題。隨著物探及水下探測技術的發展，國內已有一些科研和生產單位利用物探技術在水庫(堤壩)滲漏探測中取得了良好的效果。郭鐵柱［4］、劉昌軍等［5］、余東［6］、宋先海等［7］都介紹了高密度電法在堤防、大壩滲漏隱患探測中的應用成果;鐘飛等［8］對壩體中的空洞及軟弱帶進行探測，均取得了較好的應用成果;王振宇等［9］陸續開展了CT技術在水庫大壩防滲質量檢測及滲漏檢測方面的工作，并取得了較好的效果。多個應用成果表明，采用多種物探手段進行滲漏探測，能達到取長補短，相互驗證的效果，從而提高了成果的精度和可靠性。

2項目背景

2.1工程概況

某段土石堤塘位于浙江省杭州市，堤頂高程在10.0m左右，寬約6.0m，最大堤高11.0m，迎水面坡比1∶2，采用混凝土預制塊護坡，河道水位高程非汛期一般低于3.0m。背水側為魚塘，塘內水位高程約7.0m。近日，堤塘管理單位進行巡查時，發現此段堤塘局部迎水坡出現持續滲水現象，推測為背水側魚塘向迎水側發生滲漏。為保證堤塘的安全運行，急需查明此段堤身的滲漏情況，作為堤塘安全評價和處理措施的依據。

2.2地球物理特征

土石堤塘堤身主要由粘性土為主的素填土組成，可近似看作均勻介質。當堤身出現滲漏時，其滲漏部位的土體含水量發生變化，使得此處土體與其他部位存在電性差異;同時，若其發生滲透破壞，通道過水的同時帶走土體，會造成此處土體密實度的下降。由此，由此可見，工程區具備了采用物探方法查明堤塘滲漏情況的物性差異條件。

3探測方法的選擇和工作布置

工程區位于城郊公路旁，車輛來往不絕，地震方法干擾較大;同時壩頂公路上有電線桿和金屬圍欄，瞬變電磁法易產生假異常。由此，本次探測采用高密度電法和地質雷達法相互驗證的物探手段，對堤塘的滲漏情況進行探測。

3.1高密度電法

高密度視電阻率法是一種陣列勘探方法，其功能相當于四極測深與電剖面法的結合。通過電極向地下供電形成人工電場，其電場的分布與地下巖土介質的電性特征密切相關，通過對地表不同部位人工電場的測量，了解地下介質視電阻率ρs的分布，從而推斷解釋地下地質結構如圖1所示。該方法對巖土體的含水情況特別敏感，當堤身土含水量升高時，其視電阻率明顯降低，完整、干燥堤身土的視電阻率明顯高于松散、飽和堤身土的視電阻率。在滲漏探測中，該方法抗干擾較強，成果圖像直觀，是一種分辨率較高的物探方法。

3.2地質雷達法

地質雷達是(簡稱GPＲ)是一種高效的無損勘探設備，是利用介質的電性差異確定地下巖土體分布情況的工程地球物理方法。其工作原理是向地下發送脈沖形式的高頻寬帶電磁波，在遇到電性有所差異的異常體(如含水量變化或空洞等)或不同介質的界面時電磁波發生反射，從而通過分析回波來判斷地下異常體的類型和地下地層界面［10］，如圖2所示。

3.3物探測線布置

為查明可能存在的滲漏通道走向，本次探測在迎水坡和背水坡靠近堤頂各布置1條高密度電法測線，并在堤頂平行布置2條地質雷達法測線，各測線的頭尾保持一致。具體測線布置如圖3所示。其中高密度電法探測采取溫納α裝置，電極距2m，最大極距94.5m，測量層數21層，最大探測深度約21m。地質雷達法選用主頻為100MHz的屏蔽天線，采取點測計量方式，點距0.2m，采樣時窗754ns，采樣點數764個，疊加次數256次。

4探測成果分析

DS1-DS1’測線和DS2-DS2’測線的電阻率剖面圖如圖4—5所示。圖中顯示，2個剖面電阻率分布特征相似，電阻率值范圍約50～150Ω?m。其中2條測線中間(平距59.0～71.5m、深度5.0～13.0m)和尾部(平距103.0～108.0m、深度3.0～7.0m)各存在一個低阻異常區域，電阻率值小于20Ω?m，推測這2處區域含水量較高，為可能的滲漏通道。DL1-DL1’測線和DL2-DL2’測線的地質雷達剖面如圖6—7所示。圖中顯示:地質雷達剖面的反射能量整體較弱，除平距38m左右拋物線形態的強反射信號為路邊電線桿干擾外，測線中間(平距62.0～72.5m，深度5.0～11.0m)存在一個強反射區域，其反射頻率相對較低，反射波相位與直達波相反(如圖8所示)，同相軸連續性較強，整體呈多次反射狀，推測此處區域5m以下含水量較高，為可能滲漏通道，但由于通道下底的反射能量被震蕩信號遮擋，滲透通道的下底未能區分出來。結合2種方法的探測成果，在各測線的中部，皆有一處寬10m左右，頂板深度在5m附近的物性異常帶，分布和大小較為統一，推測為堤塘的主要滲漏通道。同時高密度電法顯示，在測線尾部還存在一處寬約5m，深3m左右的異常帶，但此區域在地質雷達剖面上無異常反應，推測有2種可能:①此處區域含水量升高，但土體密實，不存在明顯的介電常數差異，所以不會引起雷達異常;②此處有其他干擾引起的假異常，需結合鉆孔等其他手段進行驗證。

5結語

(1)工程實踐證明，高密度電法和地質雷達法能有效識別出滲透通道的分布和規模。其異常特征在高密度電法成果里表現為低阻區域;在地質雷達成果里表現為首波與直達波相反的強震蕩信號，且雷達難以探測出滲漏通道的下底界面。(2)工程物探方法屬于間接探測，不僅其自身存在多解性，同時不同方法還會受到不同干擾源的制約，如震動干擾對于地震法、電磁干擾對于電磁法等。采用多種物探方法互相補充和驗證，是保障物探成果可靠性的有效手段。(3)物探解釋必須以地質背景為基礎。開展物探工作之前，需全面收集測區的場地現狀、工程地質和水文地質資料，作為物探方法選擇及成果處理分析的依據，可有效的避免和識別干擾信號。

作者：黃浩然 榮鑫 郭佳豪 張瑜鵬 單位：浙江省水利水電勘測設計院