高密度电阻率法CT探测技术在病险水库勘察中的应用

赵敏敏  韩新  韩焕庆  殷玉琴

摘  要  山东省的大中型水库多兴建于20世纪五六十年代，许多工程存在隐患。其中水库大坝存在的隐患主要有坝基渗漏、砂壳松散、心墙存在软弱带等。对于心墙软弱带的勘察，采用常规的钻探和物探手段难以查清其分布状况。在东周水库除险加固工程中，利用高密度电阻率CT成像探测技术，辅以电阻率测深，查明了心墙软弱带的分布状况，为工程加固方案的选择提供依据。

关键词  高密度电阻率法  CT探测技术  病险水库

    山东省的大中型水库多兴建于20世纪五六十年代，经过几十年的运行，许多水库存在工程隐患，需进行除险加固，其中水库大坝的主要问题有坝基渗漏、砂壳松散、心墙存在软弱带等。对于心墙软弱带的勘察，采用常规的钻探和物探手段难以查清其分布状况。东周水库除险加固工程中，利用高密度电阻率CT成像探测技术，查明了心墙软弱带的横向和纵向分布，并在几个重点断面研究其空间形态，再辅以钻探和试验分析，精确度较高。

    东周水库位于山东省新泰市东部，是大汶河支流渭水河上游的中型水库。水库兴建于1959年，1962年破坝弃库，1972年在原坝址恢复续建，枢纽工程包括大坝、溢洪道、放水洞，总库容8670m3。水库大坝曾进行过一些物探和钻探工作，并于1994年发现了软弱带，但由于工作量小，方法简单，对软弱带的研究不够深入。

一、地球物理特征

  东周水库大坝为黏土心墙砂壳坝，坝长1390m，最大坝高23m，坝顶宽6m。大坝心墙顶宽3m，心墙上部边坡为1:0.5，下部边坡为1:1。坝基岩性有两种：混合花岗岩和第三纪砾岩，两者之间为断层接触。

    经电测分析，大坝砂壳电阻率很大，一般为350～600Ω·m。心墙电阻率较低，一般为50～800Ω·m。当心墙存在软弱带时，含水量偏大，电阻率明显降低，一般为20～30Ω·m。这是探测心墙软弱带的物理基础。

二、野外工作布置

1．观测方法选择

    考虑到大坝的具体地形情况，选择高密度电阻率CT成像探测法为主，辅以电阻率测深法来完成探测工作。

    (1)高密度电阻率CT成像探测法

    采用温纳四极装置，与常规的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抗干扰能力，并可获得较丰富的地电信息。这种方法既能提供地质体某一深度沿水平方向岩性的变化情况，又能反映在铅垂方向岩性变化情况。一次可以完成纵横二维的勘探过程，所以观测精度高，采集的数据可靠，勘探能力显著提高。数据通过处理应用CT技术进行电阻率成像，可清晰、直观、准确地反映地电断面电阻率分布状况。

    (2)电阻率测深

    受地形地物的影响，垂直大坝走向进行电阻率剖面观测很难取得好的探测效果。为了能够获得坝体软弱带的空间形态，在高密电法探测成果的基础上，选择几个关键位置在大坝的上下游边坡合适的位置进行电阻率测深。因电阻率测深反映垂直边坡坡面由浅人深的电阻率变化情况，可通过对测深曲线的分层解析圈定软弱带在横断面上的位置。这种方法作为一种辅助手段与高密电法结合可以圈定软弱带在测深点处的空间形态。

2．工程布置

    高密度电阻率法观测剖面平行坝体走向，测线沿坝顶坝轴线布设，以0+200为起始记录点，1+400为终止记录点，点距x=6m，电极距α=nx(n=1，2，……，10)，测线总长度1200m，共计物理点1500多个。

    根据高密度电阻率法探测结果，在0+845、0+975、1+055和1+215桩号上下游坝坡设置测深点8个，供电极距AB/2分别为：3m、6m、9m、15m、21m、27m、33m、39m和45m，测量电极距MN=AB／10，测深点距坝顶斜长8m。

三、资料处理

1．高密度电法数据处理

  地形修正按坡度30°山脊地形对顺山脊走向的纯地形模型电测深曲线进行地形修正。对n=1，2，……，10的不同极距分别除以相应的修正系数，即为消除地形影响后的视电阻率值。

    数据圆滑和滤波首先对n=1，2，……，10这10个不同极距的视电阻率测量结果进行5点圆滑处理，然后在权系数分别为0.12、0.38、0.38、0.12的偏置滤波器上进行滤波处理。圆滑和滤波的结果可有效地消除地形和浅部不均匀地电体的干扰，突出有用异常，提高信噪比。

    视电阻率CT成像将修正、圆滑和滤波处理后的数据按记录坐标展布在相应的空间剖面上，把剖面分成若干小单元，如果小单元内有数据点，则该单元视电阻率值即为数据点值，若小单元内无数据点，则通过三次样条进行插值，在此基础上利用幂函数圆滑各小单元数据。根据地下介质电阻率分布特征设计色谱，生成色谱剖面图或等值断面图。

2．电阻率测深数据处理

    当电测深点位于上游时，水体的存在(水体的电阻率远远低于周围介质的电阻率)将影响测量结果，其影响程度与供电极距(AB/2)和测深点距水体的距离(D)的比值有关。电测深布极方向平行倾斜分界面时，视电阻率与AB/2D近似以对数规律衰减。查相应的理论曲线可以确定某一供电极距下的修正系数，所测视电阻率基本上沿铅垂方向。当测深点位于下游时距离水体较远，水体的影响可忽略不计，所测视电阻率垂直下游边坡界面。

    修正后的电测深数据采用拟合核函数反演解释程序进行处理，获得测深点自上而下的电性分层，以确定软弱带的起始和终止深度。

四、资料解释

1．高密度电阻率法视电阻率CT成像探测解释成果

    根据坝体及坝基电阻率特征，设计8级色谱，分别是<27、34、40、55、90、120、200、300Ω·m。形成水库大坝高密度电阻率法视电阻率CT成像图，清晰地显示了坝体内软弱带的水平位置和垂直分布状况。0+200-0+220、0+350-0+420、0十470～0+550桩号浅部分布有弱的低阻带，视电阻率27-40Ω·m，其深度小于10m。它们的异常特点是范围小，埋藏浅，推断异常区内黏土密实性较差，含水量偏大，引起电阻率降低。

    0+800桩号，垂深14～16m处有一小低值异常，推断在这一深度有一薄层软弱带。

    0+835-0+910桩号垂深5～8m范围有一较大低阻区。判断该范围存在多层软弱带，且软弱带内含水性稍强。

    0+950-1+230桩号，水平宽度约280m，垂深5～18m为一大片低阻异常区，这一区域范围大，视电阻率低(27～34Ω·m)，是本次探测出的主要异常区。推断该区域在深度10～20m范围内存在多层软弱带，且含水性较其他异常区强。特别是在1+055桩号附近，垂深15m左右存在较强的含水软弱带，视电阻率小于27Ω·m。

    1+350桩号的异常幅度不大，可不作软弱带处理。

    另外，水库大坝视电阻率等值断面图，有助于分析大坝坝基的起伏及构造情况。

2．电阻率测深法解释成果

    绘制0+845、0+975、1+055、1+215桩号位置上下游边坡测深曲线图，求得各测深点曲线正反演拟合参数结果，从而圈定各测点位置上心墙软弱带的大致位置和形态。成果显示软弱带多靠近上游坡，深度范围和电阻率与CT成像图相一致。

五、后期勘察验证和软弱带形成原因

1.勘察验证

    在高密度电阻率CT探测基础上，在大坝桩号0+845、0+975、1+055、1+215处进行钻探，钻孔显示出在20m以上多处出现土体呈软塑和流塑状态，取样试验分析指标如表1。

    表1显示，软弱带内土体含水量、孔隙比、渗透系数明显偏大，干容重、压缩模量和抗剪强度明显偏小。

2．软弱带形成原因分析

    根据本次探测和施工管理资料分析，软弱带形成的原因有三个。一是水库曾多次破坝续建，坝体分期填筑接触部位处理不好；二是水库建于丘陵地区，周围多为冲洪积物，均匀性和分选性差，填筑心墙所需的黏性土的数量和质量难以保证；三是当时社会原因，施工机械落后，对材料、工序、质量等控制不严，形成局部的松散、软弱。上述原因表明，软弱带的分布无明显规律。 

(作者单位：赵敏敏、韩焕庆、殷玉琴为山东省泰安市水利勘测设计研究院，韩新为水利部建设管理总站)
责任编辑  岳梦华