电法勘探在水库大坝渗流安全评价中的应用

1、电法勘探在水库大坝渗流安全评价中的应用电法勘探在水库大坝渗流安全评价中的应用郑灿堂 ,万海 ,董延朋 (山东省水利科学研究院 ,山东济南 250013)摘要：近年来 ,电法勘探在水库大坝安全隐患探测中得到推广应用，并取得了令人瞩目的成就。本文以山东省潍坊市郭家村水库大坝为实例，介紹了充电法和高密度电法在大坝渗漏隐患探测中的应用，并简要阐述了该技术对大坝渗流安全评价所起的作用。用充电法测定渗漏隐患的平面分布范围及其入渗带的位置，用高密度电法查明渗漏隐患的垂向分布，两种方法相结合，可以测定渗漏隐患的空间位置，给钻孔勘探和渗流计算提供指导，使钻探避免了盲目性，使渗流计算参数的选定更加确切，大大增加了

2、渗流安全评价的可靠性。关键词：电法勘探；充电法；高密度电法；渗漏隐患；安全评价我国在建国初期建设了大量的水库，受当时经济、技术等条件的限制，填筑质量普遍不高，运行几十年来，由于外部条件的影响以及大坝的自然老化，许多水库不同程度地存在着渗漏隐患。为了对渗漏隐患的分布范围和危害程度作出可靠评价以避免隐患治理的盲目性，我们对山东省潍坊市郭家村水库大坝渗漏隐患采用了动态导体充电法和高密度电法两种电法勘探技术进行探测，并钻探取样及注水试验，为渗流计算提供了确切的隐患部位以及物理指标和渗透系数等计算参数， 最后对渗漏隐患进行了安全评价。 1 水库基本概况郭家村水库位于山东省潍河水系百尺河的上游，于 195

3、9 年动工修建， 1960 年拦洪蓄水。该库大坝为均质土坝，全长 2007m，最大坝高 17.0m，迎水坡坡比为 1:3，背水坡高程 89.0m 处设一顶宽 2.0m 的戗台，戗台以上坡比为 1:2.5，以下为 1:3。水库地质资料缺乏， 部分坝段坝体和坝基常年渗漏，渗流逸出点较高，坝后浸没严重，曾多次出现险情，严重影响水库蓄水和安全运行， 被列为第二批国家病险库之一。 2 电法探测基本原理随着电子仪器、计算机技术的迅猛发展，动态导体充电法和高密度电法等物探手作者简介： 郑灿堂（1957），男，山东东平人，研究员，主要研究堤坝安全检测、分析和评估技术以及水利工程建设质量与安全检测评定技术 .段

4、已成为堤坝隐患探测的常用技术。基于物探手段对探测地质体解释的多解性和特殊性，决定对郭家村水库大坝采用物探和钻探联合探测，并进行渗流计算，以达到先定性后定量解释，最终对渗漏隐患作出确切的安全评价的目的。 2.1 充电法充电法是在渗流出逸点、钻孔、探槽、坑道中等天然漏头或人工揭露点上接以供电电极（ A），另一供电电极（ B）置于远离充电体的地方，其电场影响忽略不计。然后在 AB 线路里接上电源对渗漏隐患（充电体）进行供电，形成稳定电流场，该电场的分布特征与充电体的形态、大小和产状等因素有关。江、河、水库、湖泊中的水体在空间的分布一般为均匀体，充电时形成的电流场的电流密度均匀分布。存在渗漏时，渗漏带

5、形成线形导体，线形导体的电阻率一般比 “围岩 ”的电阻率要低得多，所以电流线主要沿渗流方向分布。 在主要渗漏带电流线密度相对较高，可以测到最大归一化的 U/I 值,其中 U 为观测到的电位差， I 为电流强度；随着远离主要渗漏的地段，其电场微弱，且均匀分布，测到归一化的 U/I 值很低。堤坝中的渗漏隐患在自然状态下为线形导体，注入电解质溶液时则成为良好的线形动态导体。它与常见的导电良好的固态导体不同，动态导体其形状、规模和导电性随时间而变化。充电法的地电模型、测线布置见图 1。图 1 地电模型、测线布置和探测结果示意图 2.2 高密度电法高密度电法就其原理而言，与传统的电阻率法相同，是在传统电

6、法基础上发展起来的电法勘探手段。常规的电法勘探由于其观测方式的限制，不仅测点稀疏，而且很难从电极排列的某种组合上去研究地电断面的结构与分布，提供的地电断面结构特征的地质信息较为贫乏，无法对结果进行统计处理和对比解释。高密度电法与常规的电阻率法不同的是一次设置较多的测试电极，一次勘探过程完成纵横二维勘探测试，能在现场准确快速地采集大量数据，具有较强的抗干扰性能。同一介质由于成分或结构等不同以及不同的介质，它们具有不同的电阻率。假定介质为均质各向同性，地下介质电阻率通过下式进行计算： （ 1）式中 , 为岩土的视电阻率（单位 : M）；U为电位差 (单位： V)；I 为供电电流强度（单位： A）；

7、K 为装置系数（与布极方式和电极距有关） 。 3 坝体和坝基的地球物理特征通过对郭家村水库大坝坝体和坝基的物探及钻探结果可知：坝体系壤土均质坝，含水量相同的条件下，其电阻率随壤土中粗颗粒的含量不同而不同， 粗颗粒含量高时， 电阻率大，反之，粗颗粒含量低时，电阻率小，其变化范围为 1030。坝体中存在渗漏带时，由于渗漏带的含水量大，电阻率明显降低。坝基砂层的电阻率为，坝基中渗漏带的电阻率也相对较低。下伏基岩为凝灰岩，电阻率较高，一般大于 200。4 工程中的应用该水库多次出现险情，为了查明渗漏隐患的平面位置，平行坝轴线布设了两条充电法测线，采用梯度观测；为了查明隐患的垂向分布及成因分析，在充电法

8、测得隐患部位处垂直坝轴线布置了一条高密度电法横断面，在隐患处坝顶轴线上布设了一条高密度电法纵断面。两种方法相结合，以测定渗漏隐患的空间位置。 NextPage4.1 野外探测方法充电法（ 1）观测方法充电法现场检测采用电位梯度法，测量电极 M 、N 采用不极化电极，电极距固定，这样测出的异常属于纯异常。 （2）资料处理方法整理观测结果时，把所测的电位差转化为单位距离及单位电流强度时的电位差，即将电位差数值被 MN 之间的距离和供电电流 I 去除：（2）式中， U 为电位梯度 (归一化 )，单位为； UMN 为观测到的电位差，单位 mv；I 为供电电流强度，单位 A；MN 为测量电极 M 和 N

9、 间的距离，单位 m。如果 MN 间距离和 I 保持不变，可以只观测电位差，此时（ 3）高密度电法（ 1）观测方法与工作布置考虑到探测目的和大坝的具体地形情况，采用温纳四极装置，与常规电阻率法相比设置了较高的测点密度，在测量方法上采取了一些有效的设计，使得数据采集系统有较高的精度和较强的抗干扰能力。在充电法测出的河床坝段渗漏隐患范围内的坝顶轴线上布置了一条纵断面，在河床段渗漏严重的部位（ 1+134 断面）布置了一条横断面。（2）资料处理方法数据处理采用 GeoelectricalImaging 快速二维电阻率反演软件，该软件采用非线性最小二乘法反演技术自动生成由实测数据确定的二维电阻率模型剖

10、面，其主要处理流程如下： A 数据文件编辑： GeoelectricalImaging 软件的数据文件一般为三列：第一列为记录点横坐标，表示电阻率剖面的具体位置，记录点为 P1P2测量电极的中点；第二列为记录点纵坐标，表示记录的深度参数； 第三列为与记录点对应的实测视电阻率值。对形成的数据文件利用软件的数据编辑功能剔除那些突然变大或变小的孤立野值点， 以保证反演的准确性， 形成二维反演单元模型。 B 二维单元模型：根据文件，程序自动生成用于有限元计算的二维单元模型。C 电阻率二维成像处理： 电阻率二维成像处理通过三个过程的三张剖面图展现：第一幅图为视电阻率剖面；第二幅为经过圆滑偏置滤波处理后的

11、计算视电阻率剖面；第三幅为经过3 次迭代，均方误差 10的反演真电阻率剖面，它反映了地下介质的电性分布。4.2 资料解释图 2为充电法 1 号测线和 2 号测线的归一化电位曲线。从1 号电位曲线中可以看出：大坝 1+1201+240 段为渗漏段，其中1+1201+140、1+2001+236 两段异常值为正常值的3 倍以上，说明上述部位渗漏严重，根据以往经验判断，已形成渗漏通道；其余部位为一般性渗漏。从 2 号电位曲线可以看出，该剖面 1+1201+230 段为渗漏异常段，其中 1+1241+146 段、1+2061+230 段为严重渗漏段。 2 号测线渗漏异常位置与 1 号测线基本一致。图

12、2 充电法测试电位曲线图图3 为大坝 1+0601+480 段坝顶轴线处高密度电阻率成像。从该图像可以看出，大坝垂向上存在三处隐患：坝顶 1.5m 以上，坝料电阻率较高，一般在 5060，系砂类土的反映； 结合地面高程，从深度上分析，坝体内部 12.0m16.0m 处电阻率较高，一般在 4060 范围内，亦系砂类土的反映；只是由于坝体壤土影响，电阻率稍微降低； 从深度上分析，深度 1617m 应为坝基，该部位电阻率较高，一般为 5060，亦系砂类土的反映。图 31+060480 段高密度电法成像图图 4 为大坝 1+134 断面高密度电阻率成像。从该图可以看出， 大坝垂向上存在三处隐患： 坝顶

13、 1.01.5m 以上，坝料电阻率较高，一般在 5060 范围内，系砂类土的反映； 结合地面高程，从深度上分析，坝体内部 11.5m16.0m 处电阻率较高，一般在 4060 范围内，系砂类土的反映； 从深度上分析， 深度 1617m 应为坝基，电阻率较高，一般为 5060，亦系砂类土的反映。 NextPage5地质钻探验证如上所述，用充电法查明了大坝渗漏隐患的平面分布，然后用高密度电法查明了大坝河槽段渗漏隐患的垂向分布，但是隐患部位砂类土的颗粒级配、渗透系数等物理力学指标需要地质钻探、现场试验和室内试验来完成。为此确定在充电法探测存在严重渗漏的两个断面，即1+134 和 1+213横断面布置

14、了6 个钻孔来取得土的物理力学指标。钻探结果：坝顶存在一层粗砂砾石层，厚度为1.01.2m；坝体内部 12.017.0m 存在厚5.6m 的中粗砂透镜体；坝基砂没有清除、隐患部位钻进时漏水。钻探结果与物探判别基本一致。渗流计算渗透破坏是一个复杂的问题，对任何水工建筑物而言，渗透变形可以是单一形式出现，也可以是多种形式相伴出现于各个不同部位，渗透坡坏的起点通常是建筑物或地基的薄弱环节，即隐患存在的部位。物探和钻探查明了大坝河槽段坝基与坝体内存在松散砂层，1+1201+240 段坝基异常渗漏，为渗流计算提供了范围； 坝体内采用注水试验，坝基采用抽水试验，测得坝体壤土、中粗砂透镜体和坝基砂的渗透系数

15、分别为 5.42 10-4cm/s、2.74 10-3cm/s和 8.6 10-3cm/s。土的物理指标采用孔内原状砂类土取土器取样，经室内试验取得了渗流计算需要的参数。土的物理指标见表1表 1 坝体壤土、坝体砂以及坝基砂基本参数一览表位置土的不均匀系数土的细粒含量土的孔隙率孔隙比土的比重d5d20坝体壤土0.6592.70坝体砂1172332.50.4832.670.0020.075坝基砂802034.30.5222.670.0060.06砂性土的渗透变形类型应根据土的细粒含量采用下式判断：当 pc 100为流土（ 4）当 pc100为管涌（ 5）式中，pc 为土的细粒颗粒含量， 以质量百分

16、率计 (%)；N 为土的孔隙率。由以上公式，可以计算出，坝基砂的渗透变形类型为管涌。管涌型临界水力比降采用下式计算：Jcr=2.2(Gs-1)(1-n)2d5/d20(6)式中， d5、d20 分别为占总土重的5%和 20%的土粒粒径。根据水利水电工程地质勘察规范 ，安全系数取1.5，则坝基砂的临界和允许水力坡降见表2。表 2 坝基砂的渗透变形和水力坡降一览表位置渗透变形类型临界水力坡降允许水力坡降坝基管涌0.160.10根据工程经验判定坝体壤土（无保护时）的渗透变形类型为流土，临界水力坡降采用下式计算：Jcr=(7)式中， GS为土的相对密实度； E为土的孔隙比； Jcr为土的临界水力坡降。

17、经计算坝体壤土的临界水力坡降为1.02。根据水利水电工程地质勘察规范要求，安全系数取2，坝体壤土的允许出逸坡降为0.51。坝基砂平均水平坡降采用下式计算：J=H/B（8）式中， J 为渗流坡降； H 为坝上、下游水头差（ 15.3m）；B 为坝底宽度（104m）。NextPage大坝渗流量计算采用有限元法计算， 上游水位采用设计洪水位295.85m，下游水位采用坝后多年平均水位81.00m，经计算 1+134 断面单宽渗流量为 4.67m3/dm ，坝基砂的平均坡降为0.15,坝体壤土的出逸坡降0.56,河槽坝段异常段年渗流量为10 万 m3。渗流安全评价经过充电法和高密度电法探测， 查明大坝

18、 1+1201+240段为异常渗漏，其中 1+134 断面和 1+213 断面附近已形成渗漏通道。地质钻探验证了物探判断的正确性，并取得了隐患处坝料的物理参数及渗透系数。通过渗流计算得出的渗流等势线（见图 5），通过渗流等势线可以看出，坝后出逸点位于排水体以上， 出逸坡降大于无保护时壤土的允许坡降，分析认为，坝体壤土易形成渗透破坏；坝基砂的渗流坡降计算值大于允许值，所以坝基砂存在管涌破坏的危险。图 5 设计洪水位时渗流等势线结语通过充电法、高密度电法和地质钻探的联合探测以及渗流计算分析，有效查明了郭家村水库坝后渗水明流的成因，并对该库渗流安全进行了评价。综上所述，可得出如下几点认识：（1）针对大坝渗漏，特别是坝后出现渗水明流的隐患，