高密度电法和雷达法在堤塘渗漏中运用

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摘要:堤塘两侧长期存在水头差，在动静水压力的作用下可能发生渗漏问题，危害堤防安全运行。文章以某堤塘的渗漏探测为例，简要介绍高密度电法和地质雷达法在渗漏通道探测中的应用效果，分析了2种方法对于渗漏通道的异常判别特征。成果表明，这2种物探方法相互验证，互相补充，能有效识别出渗漏通道的分布和规模，为堤塘的除险加固提供了靶区。

关键词:高密度电法;地质雷达;堤塘;渗漏探测

1概述

在土石坝(堤)工程中，堤坝渗漏是较为严重的安全隐患，我国对溃坝事故进行了统计，由于质量问题引起的溃坝共1146起，其中有675起是由坝体渗漏引起的，占到58.9%。渗漏是导致水利水电工程遭受损坏的主要因素之一［1-2］。土石坝(堤)工程的渗漏探测的常规方法主要有钻探(配以水文试验)，物探和人工探视［3］，地质钻探准确、直观，但施工周期长、探测范围有限且对坝体产生破坏;人工探视能观察到堤坝表明的变形、渗漏情况，但难以看到坝体内部情况，准确查明渗漏通道的空间分布在很长时期内都是一个难题。随着物探及水下探测技术的发展，国内已有一些科研和生产单位利用物探技术在水库(堤坝)渗漏探测中取得了良好的效果。郭铁柱［4］、刘昌军等［5］、余东［6］、宋先海等［7］都介绍了高密度电法在堤防、大坝渗漏隐患探测中的应用成果;钟飞等［8］对坝体中的空洞及软弱带进行探测，均取得了较好的应用成果;王振宇等［9］陆续开展了CT技术在水库大坝防渗质量检测及渗漏检测方面的工作，并取得了较好的效果。多个应用成果表明，采用多种物探手段进行渗漏探测，能达到取长补短，相互验证的效果，从而提高了成果的精度和可靠性。

2项目背景

2.1工程概况

某段土石堤塘位于浙江省杭州市，堤顶高程在10.0m左右，宽约6.0m，最大堤高11.0m，迎水面坡比1∶2，采用混凝土预制块护坡，河道水位高程非汛期一般低于3.0m。背水侧为鱼塘，塘内水位高程约7.0m。近日，堤塘管理单位进行巡查时，发现此段堤塘局部迎水坡出现持续渗水现象，推测为背水侧鱼塘向迎水侧发生渗漏。为保证堤塘的安全运行，急需查明此段堤身的渗漏情况，作为堤塘安全评价和处理措施的依据。

2.2地球物理特征

土石堤塘堤身主要由粘性土为主的素填土组成，可近似看作均匀介质。当堤身出现渗漏时，其渗漏部位的土体含水量发生变化，使得此处土体与其他部位存在电性差异;同时，若其发生渗透破坏，通道过水的同时带走土体，会造成此处土体密实度的下降。由此，由此可见，工程区具备了采用物探方法查明堤塘渗漏情况的物性差异条件。

3探测方法的选择和工作布置

工程区位于城郊公路旁，车辆来往不绝，地震方法干扰较大;同时坝顶公路上有电线杆和金属围栏，瞬变电磁法易产生假异常。由此，本次探测采用高密度电法和地质雷达法相互验证的物探手段，对堤塘的渗漏情况进行探测。

3.1高密度电法

高密度视电阻率法是一种阵列勘探方法，其功能相当于四极测深与电剖面法的结合。通过电极向地下供电形成人工电场，其电场的分布与地下岩土介质的电性特征密切相关，通过对地表不同部位人工电场的测量，了解地下介质视电阻率ρs的分布，从而推断解释地下地质结构如图1所示。该方法对岩土体的含水情况特别敏感，当堤身土含水量升高时，其视电阻率明显降低，完整、干燥堤身土的视电阻率明显高于松散、饱和堤身土的视电阻率。在渗漏探测中，该方法抗干扰较强，成果图像直观，是一种分辨率较高的物探方法。

3.2地质雷达法

地质雷达是(简称GPＲ)是一种高效的无损勘探设备，是利用介质的电性差异确定地下岩土体分布情况的工程地球物理方法。其工作原理是向地下发送脉冲形式的高频宽带电磁波，在遇到电性有所差异的异常体(如含水量变化或空洞等)或不同介质的界面时电磁波发生反射，从而通过分析回波来判断地下异常体的类型和地下地层界面［10］，如图2所示。

3.3物探测线布置

为查明可能存在的渗漏通道走向，本次探测在迎水坡和背水坡靠近堤顶各布置1条高密度电法测线，并在堤顶平行布置2条地质雷达法测线，各测线的头尾保持一致。具体测线布置如图3所示。其中高密度电法探测采取温纳α装置，电极距2m，最大极距94.5m，测量层数21层，最大探测深度约21m。地质雷达法选用主频为100MHz的屏蔽天线，采取点测计量方式，点距0.2m，采样时窗754ns，采样点数764个，叠加次数256次。

4探测成果分析

DS1-DS1’测线和DS2-DS2’测线的电阻率剖面图如图4—5所示。图中显示，2个剖面电阻率分布特征相似，电阻率值范围约50～150Ω•m。其中2条测线中间(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)各存在一个低阻异常区域，电阻率值小于20Ω•m，推测这2处区域含水量较高，为可能的渗漏通道。DL1-DL1’测线和DL2-DL2’测线的地质雷达剖面如图6—7所示。图中显示:地质雷达剖面的反射能量整体较弱，除平距38m左右抛物线形态的强反射信号为路边电线杆干扰外，测线中间(平距62.0～72.5m，深度5.0～11.0m)存在一个强反射区域，其反射频率相对较低，反射波相位与直达波相反(如图8所示)，同相轴连续性较强，整体呈多次反射状，推测此处区域5m以下含水量较高，为可能渗漏通道，但由于通道下底的反射能量被震荡信号遮挡，渗透通道的下底未能区分出来。结合2种方法的探测成果，在各测线的中部，皆有一处宽10m左右，顶板深度在5m附近的物性异常带，分布和大小较为统一，推测为堤塘的主要渗漏通道。同时高密度电法显示，在测线尾部还存在一处宽约5m，深3m左右的异常带，但此区域在地质雷达剖面上无异常反应，推测有2种可能:①此处区域含水量升高，但土体密实，不存在明显的介电常数差异，所以不会引起雷达异常;②此处有其他干扰引起的假异常，需结合钻孔等其他手段进行验证。

5结语

(1)工程实践证明，高密度电法和地质雷达法能有效识别出渗透通道的分布和规模。其异常特征在高密度电法成果里表现为低阻区域;在地质雷达成果里表现为首波与直达波相反的强震荡信号，且雷达难以探测出渗漏通道的下底界面。(2)工程物探方法属于间接探测，不仅其自身存在多解性，同时不同方法还会受到不同干扰源的制约，如震动干扰对于地震法、电磁干扰对于电磁法等。采用多种物探方法互相补充和验证，是保障物探成果可靠性的有效手段。(3)物探解释必须以地质背景为基础。开展物探工作之前，需全面收集测区的场地现状、工程地质和水文地质资料，作为物探方法选择及成果处理分析的依据，可有效的避免和识别干扰信号。

作者：黄浩然 荣鑫 郭佳豪 张瑜鹏 单位：浙江省水利水电勘测设计院