本文來源：《高密度電法儀在潰壩試驗中的應(yīng)用研究》，谷艷昌、王宏巍、王宏等，水利水電技術(shù)，第46卷，2015年第3期
案例簡介：
高密度電法即高密度電阻率法，是水利水電工程隱患探測中重要的物探方法之一，。該方法雖然受“豎向限分辨率多只能探測洞徑與埋設(shè)之比為1 ∶ 10”的限制，但是對于庫水位抬升、壩體浸潤面抬升、壩體飽和區(qū)域“大面積”增大的情況，應(yīng)用該方法獲得的壩體電阻率分布可望反映出壩體滲流場分布情況。
本案例研究借助原體大壩管涌潰決試驗，將高密度電法儀應(yīng)用在試驗蓄水過程中，通過電極布設(shè)與探測，獲取壩體蓄水期的視電阻率場分布與變化; 結(jié)合水庫蓄水期庫水位上升、壩體滲流場發(fā)展過程資料，分析壩體電阻率場與滲流場之間的關(guān)系。
分析成果表明，高密度電法儀獲得的壩體電阻率發(fā)展過程與大壩浸潤面發(fā)展過程具有一致性，程度上可以用壩體視電阻率分布反應(yīng)壩體滲流場變化情況。
使用儀器：
本案例中使用的儀器是日本OYO公司生產(chǎn)的McOHM Profiler 4i高密度電法儀（圖1左），該產(chǎn)品2000年左右設(shè)計生產(chǎn)，是具有4通道同時測量能力的高性能電法儀。
圖1 Profiler 4i高密度電法儀 Profiler 8i高密度電法儀
2018年，在McOHM Profiler 4i高密度電法儀基礎(chǔ)上，OYO公司推出了新一代Profiler 8i高密度電法儀（圖1右）。
McOHM Profiler 8i是一款8通道數(shù)字化高密度電法探測儀器。在McOHM Profiler 4i的基礎(chǔ)上進(jìn)行了全面改進(jìn)，儀器性能大幅提升。McOHM Profiler 8i是日本OYO公司臺加入IoT物聯(lián)網(wǎng)兼容模塊的高密度電法探測儀器，可配合云系統(tǒng)使用云分析服務(wù)，是未來電法探測自動化、智能化、信息化的先驅(qū)，領(lǐng)新的高密度電法發(fā)展方向。
McOHM Profiler 8i使用新的高分辨率A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，配有高度整合的接收裝置，結(jié)合具有電極開關(guān)功能的Scanner-32 ，可以進(jìn)行的二維電阻率勘探，采用配置10.1英寸高亮度液晶顯示器和USB端口的平板電腦作為控制面板，具有高清晰度和便于操作的優(yōu)點，體積小、重量輕、可外接USB 存儲器。儀器控制器可顯示電流波形、電位波形和衰減曲線。其性能指標(biāo)包括: ( 1)使用Windows 10 Pro 64位 操作系統(tǒng)，操作性能強; ( 2) 電極排列多樣，可選POLE - POLE，POLE - DIPOLE，DIPOLE - DIPOLE，WENNER - 2 D，STAGGERD - 2 D和ELTRAN - 2 D等; ( 3) 8通道同步測量，提高測量效率; ( 4) 可外接Scanner-32，電極數(shù)量可擴(kuò)充到192個; ( 5)配置Power Booster，輸出電流最大可達(dá)1A;( 6) 借助控制工具和內(nèi)置時鐘自動測量; ( 7) 利用衰減曲線實現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量現(xiàn)場控制等功能。
該電法儀采用RES2DINV二維電阻率快速反演軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其流程包括: ( 1) 數(shù)據(jù)文件編輯，通過人工觀察辨識，刪除異常值; ( 2) 數(shù)據(jù)反演，通過實測值與反演視電阻率值之間的均方根誤差統(tǒng)計計算，形成二維反演單元模型; ( 3)視電阻率二維成像處理，成像顯示兩部分內(nèi)容，一部分為原始視電阻率剖面圖，另一部分是反演后的視電阻率剖面圖。測量數(shù)據(jù)的反演，以平滑約束最小二乘為基礎(chǔ)、以擬牛頓反演為準(zhǔn)則的最小二乘法實現(xiàn)。經(jīng)過若干次迭代，均方誤差一般不大于10% 的反演結(jié)果即為地下巖土介質(zhì)視電阻率分布的二維剖面圖。
潰壩實驗背景與電極布置：
試驗水庫大壩為粘性均質(zhì)土壩，最大壩高達(dá)9.7m，壩頂長120m、寬3m。潰壩試驗發(fā)生在原潰口位置填筑的新壩體，其尺寸結(jié)構(gòu)試驗壩潰口頂部長度17.6 m、底部長度4.8 m，頂部寬3m、底部寬38.4m。立體示意圖如圖2所示。
圖2 實驗壩段潰口立體展示（單位mm）
在新壩壩頂軸距-0.5m處布置探測縱斷面，布設(shè)32個電極，電極間距1.0m，總長度為31m( 覆蓋兩側(cè)老壩體各6m) ，采用單極—單極模式測量。在水庫大壩蓄水期分別選擇典型日期進(jìn)行探測，共計探測4次，時間分別為4月22日(蓄水前)、5月4日(庫水位42.20m，約1/3壩高)、5月12日(庫水位44.50m，約4/5壩高)和5月21日(庫水位45.60m，滿庫)。
探測成果資料解析：
采用RES2DINV快速二維電阻率反演軟件進(jìn)行高密度電法儀數(shù)據(jù)處理，首先人工辨識刪除異常值，形成二維反演單元模型，設(shè)置數(shù)據(jù)迭代均方差為5%( 小于10%) ，反演獲得的視電阻率二維成像見圖3。
4月22日(蓄水前)
5月4日(庫水位42.20m，約1/3壩高)
5月12日(庫水位44.50m，約4/5壩高)
5月21日(庫水位45.60m，滿庫)
圖3 不同典型時間壩體視電阻率分布示意
根據(jù)新壩體中心斷面布置的滲壓計觀測資料，繪制5月4日、5月12日和5月21日典型時刻壩體浸潤線及飽和土層分布場(見圖4)
5月4日
5月12日
5月21日
圖4 典型時刻壩體浸潤線及飽和土層分布場
根據(jù)高密度電法探測的基本原理，大壩土體含水量高、導(dǎo)電性強，其視電阻率相應(yīng)就小( 圖4中灰色區(qū)域) ，因此，可把視電阻率相對較小區(qū)域擴(kuò)展過程理解為大壩土體含水量逐漸增大的表現(xiàn)。從上述壩體電阻率分布與浸潤線分布來看: (1) 電阻率分布圖呈現(xiàn)左右對稱分布，從中間到兩側(cè)電阻率逐漸減小。其中，兩側(cè)各存在藍(lán)色集中區(qū)域，反應(yīng)出兩端新舊壩體結(jié)合處含水量相對較高。(2) 隨著庫水位升高，壩體浸潤線隨之抬升，大壩土體含水量區(qū)域擴(kuò)大。相應(yīng)壩體電阻率藍(lán)色區(qū)域分布亦逐漸擴(kuò)大，呈現(xiàn)出從兩側(cè)向中間發(fā)展的趨勢，并最終連片。(3) 在5月21日電阻率圖譜中顯示，低電阻率區(qū)域布滿整個探測斷面，這與庫水位已基本到壩頂、大壩土體大面積飽和相對應(yīng)。由此分析認(rèn)為，高密度電法儀獲得的壩體電阻率發(fā)展過程與大壩浸潤面發(fā)展過程是一致的，程度上可以用壩體視電阻率分布反應(yīng)壩體滲流場變化情況。
總結(jié)：
文中將高密度電法儀應(yīng)用于潰壩試驗中，獲得了水庫蓄水過程中壩體視電阻率分布變化過程，并與滲流場發(fā)展過程對比分析，獲得了較為理想的成果。( 1) 隨著庫水位升高，壩體浸潤線隨之抬升，大壩土體含水量區(qū)域擴(kuò)大，相應(yīng)壩體低電阻率區(qū)域分布亦逐漸擴(kuò)大，并最終連片。( 2) 高密度電法儀獲得的壩體電阻率發(fā)展過程與大壩浸潤面發(fā)展過程是一致的，程度上可以用壩體視電阻率分布反應(yīng)壩體滲流場變化情況。高密度電法儀的實際應(yīng)用中還應(yīng)注意: ( 1)根據(jù)實際情況，電極間距布置可以疏密結(jié)合; ( 2) 探測反演圖像解析時，應(yīng)緊密結(jié)合工程實際情況、滲流觀測資料進(jìn)行綜合分析，相互印證。
