動(dòng)態(tài)四維探測(cè)堤壩滲漏

范素芳，黃采倫，陳紅釗，馬立乾，龍 魁

（湖南科技大學(xué) 機(jī)械設(shè)備健康維護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭 411201）

0 引 言

截止到20世紀(jì)80年代，我國共建各類水庫共計(jì)8萬多座，其中大型水庫355座，中型水庫2462座，小型水庫80120座.年復(fù)一年，日復(fù)一日，隨著水庫壩堤運(yùn)行時(shí)日的增長，及受基礎(chǔ)工程技術(shù)質(zhì)量，水文地質(zhì)環(huán)境等因素的影響，水庫大壩存在于各方面的安全隱患日益加劇，這是在我國的具體條件下形成的.過去大躍進(jìn)年代，經(jīng)濟(jì)技術(shù)各方面條件差，有不尊重科學(xué)的作法，修建水庫工程急于求成，不經(jīng)過勘測(cè)設(shè)計(jì)就倉促開工.堤壩滲漏是危害堤防安全運(yùn)行的主要因素之一.我國在對(duì)2000余座潰壩進(jìn)行一系列統(tǒng)計(jì)分析后，發(fā)現(xiàn)由堤壩滲漏引起的潰壩超過30%，由此可見，滲漏是造成大壩潰決的主要原因之一，防滲治漏對(duì)于工程的建設(shè)與運(yùn)行至關(guān)重要，在非潰壩性事故中堤壩滲漏也占了較大的比例［1］.因此準(zhǔn)確探測(cè)堤壩滲漏通道的位置對(duì)堤壩的整治具有十分重要的意義.

我國堤壩滲漏探測(cè)方法主要有地質(zhì)鉆探、人工探視和地球物理探測(cè)等3種.但是前兩種方法均不能滿足快速、準(zhǔn)確、大面積無損檢測(cè)等要求，而地球物理勘探恰恰是快速的、可連續(xù)掃描、代表性廣，無損傷檢測(cè)的較為有效的方法.歸納起來有：瞬變電磁法、高密度電阻率法、放射性同位素示蹤法、測(cè)溫法、表面波法、淺層地震法、地質(zhì)雷達(dá)、流場測(cè)量法等［2］.堤防滲漏隱患探測(cè)的特點(diǎn)是距離長，隱患類型多，隱患深度變化范圍大，堤防結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)儀器要求很高，探測(cè)難度很大.由于堤防的復(fù)雜性和已有技術(shù)的局限性等原因，探測(cè)結(jié)果都不是唯一的，是多解的.目前，國內(nèi)外尚無探測(cè)堤防滲漏的成熟技術(shù)和行之有效的儀器.

1 地下磁流體探測(cè)壩堤滲漏基本原理

幾十年來各科技單位組織經(jīng)過不斷努力，已經(jīng)研究開發(fā)了十幾種方法進(jìn)行堤壩滲漏探測(cè).經(jīng)多年研究，國內(nèi)外專家認(rèn)為在諸多可利用于隱患和滲漏探測(cè)的堤身填筑材料的物理參數(shù)中，電導(dǎo)率電阻率變化最明顯且探測(cè)方法簡便，這是目前滲漏前廣泛采用瞬變電磁法和高密度電法探測(cè)堤防隱患和滲漏的原因.基于地下磁流體探測(cè)技術(shù)的堤壩滲漏探測(cè)方法，以地核發(fā)射電磁波作為探測(cè)信號(hào)場源，通過儀器在地表接收攜帶有地下不同地質(zhì)體的特征信息的，天然電磁波的分布場，并由探測(cè)結(jié)果反演地層結(jié)構(gòu)從而達(dá)到探測(cè)的目的［3－4］.該方法不僅能探測(cè)攜帶動(dòng)態(tài)信息的滲漏低阻異常，并在傳統(tǒng)的三維找礦的基礎(chǔ)上，提出（X，Y，Z，T）四維定位，其中T－時(shí)間因素是關(guān)鍵.只要通過測(cè)量確定瞬變電磁波場形態(tài)，（X，Y座標(biāo)）就確定了；滲漏的埋藏深度h（Z座標(biāo)）可用儀器所采用的探測(cè)頻率來確定；那么我們所說四維方法的第四維T是怎么確定的呢？T：動(dòng)態(tài)信息變動(dòng)周期（s）［5］.這樣關(guān)于地下水水勢(shì)場場源就找到了，即地下水流系統(tǒng)的X、Y、Z、T座標(biāo)就確定了.從而使探測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠.

圖1 地下磁流體探測(cè)原理框圖

地下磁流體探測(cè)的基本原理框圖如圖1所示，通過插入地表的探針接收天然電場在地表的分布量；由現(xiàn)場探測(cè)裝置對(duì)探針?biāo)邮盏男盘?hào)進(jìn)行放大轉(zhuǎn)換并從中提取特征信息（地下水動(dòng)態(tài)信息、裂隙信息等），采集并保存探針接收的信息；上位PC機(jī)通過USB電纜從現(xiàn)場探測(cè)裝置中讀取探測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)軟件綜合分析處理后顯示探測(cè)結(jié)果.

圖2 地下磁流體探儀器用于壩堤探測(cè)示意圖

儀器對(duì)靜態(tài)信息與動(dòng)態(tài)信息的測(cè)量采用智能化方法，能對(duì)靜態(tài)信息能自動(dòng)改變采樣周期長定時(shí)采集，而對(duì)動(dòng)態(tài)信息則高速采集，以保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.實(shí)際探測(cè)工作中，只要將探頭插入水庫壩堤被測(cè)點(diǎn)的土壤中，起動(dòng)儀器檢查所有探針都完全接好后即可進(jìn)行探測(cè).由于壩堤管涌、滲漏的水流量與時(shí)間存在一定的關(guān)系，所以對(duì)于同一測(cè)線需采集不同時(shí)間段的多組數(shù)據(jù)，同一測(cè)線采集到多組數(shù)據(jù)后；經(jīng)上位機(jī)軟件對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理給出探測(cè)結(jié)果，了解到測(cè)線范圍內(nèi)地下水、裂隙的分布情況，離地面距離有多深、流量有多大等信息.

2 在拓木唐水庫壩堤滲漏探測(cè)中的應(yīng)用

2.1 應(yīng)用背景

柘木塘水庫壩址位于湘鄉(xiāng)市棋梓鎮(zhèn)南岸村，東經(jīng)112°9′55″，北緯27°46′30″，屬漣水支流新河流域，是一座具有防洪、灌溉等綜合效益的小型水庫.柘木塘水庫投入運(yùn)行以來，為湘鄉(xiāng)市棋梓鎮(zhèn)的農(nóng)業(yè)發(fā)展和下游防洪供水做出了重大貢獻(xiàn)，但由于施工、老化等諸多原因，水庫壩體出現(xiàn)管涌滲漏，嚴(yán)重威脅水庫的運(yùn)行安全.

2.2 探測(cè)實(shí)例

探測(cè)小組采用地下磁流體探測(cè)方法對(duì)拓木塘水庫堤壩進(jìn)行了多組測(cè)線的綜合探測(cè)，如下對(duì)其中1組有代表性的測(cè)線進(jìn)行詳細(xì)分析.測(cè)線布置如圖3所示，其中探針B8至探針A4沿水庫右邊公路布置，探針A5至探針A8沿公路外坡布置，每兩根探針之間的距離約為10m，探測(cè)了兩個(gè)深度段：垂深10m到30m，間隔2m；垂深65m到90m，間隔5 m.將儀器現(xiàn)場所測(cè)的數(shù)據(jù)經(jīng)上位機(jī)分析軟件綜合分析得圖4、圖5.

結(jié)合現(xiàn)場探測(cè)數(shù)據(jù)分析圖7、圖8：在測(cè)線范圍內(nèi)，A6、A7處在垂深20～24m之間存在低值異常，B4、B5處在垂深10～30m之間存在低值異常；垂深22m探針A2～B2之間以及B6～B8之間存在多處裂隙信息，垂深28m探針B2～B4之間存在裂隙信息；垂深30m探針A4至A5處存在地下水動(dòng)態(tài)信息△3.01Hz，B1至B2處存在地下水動(dòng)態(tài)信息△3.82Hz，B4至B5處存在地下水動(dòng)態(tài)信息△2.23 Hz；垂深65m，A7至A6處存在地下水動(dòng)態(tài)信息△1.83Hz，A6至 A5處存在地下水動(dòng)態(tài)信息△2.29 Hz，A5至A4處存在地下水動(dòng)態(tài)信息△1.15Hz，B3至B4處存在地下水動(dòng)態(tài)信息△0.3Hz，B4至B5處存在地下水動(dòng)態(tài)信息△0.6Hz，B5至B6處存在地下水動(dòng)態(tài)信息△1.05Hz；垂深80m，B1到B6之間多處存在地下水動(dòng)態(tài)信息△0.61Hz.綜合分析多組測(cè)線的探測(cè)結(jié)果可知：探測(cè)范圍內(nèi)巖溶裂隙較為發(fā)育，淺部巖溶裂隙豐富，在測(cè)線B4至B5處垂深80m左右存在一地下水徑流帶，水量大于100m3／h，是淺部巖溶裂隙水的主要源頭.

2.3 探測(cè)結(jié)論

壩堤滲漏系統(tǒng)是客觀存在且極其復(fù)雜的一個(gè)系統(tǒng)，已知各種用于壩堤滲漏監(jiān)測(cè)工作方法存在多解性問題，難免會(huì)有失敗的可能性.但是地下磁流體探測(cè)技術(shù)用專門的工具捕捉它的動(dòng)態(tài)信息，抓住它們的共性與個(gè)性，使找水、治水、防水問題迎刃而解.在實(shí)際工程應(yīng)用中，驗(yàn)證了地下磁流體探測(cè)技術(shù)在監(jiān)測(cè)堤壩滲漏的這種實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化過程時(shí)效果顯著.

［1］汝乃華，牛運(yùn)光.大壩事故與安全土石壩［M］.北京：中國水利水電出版社，2001.

［2］王傳雷，董浩斌，劉占永.物探技術(shù)在監(jiān)測(cè)堤壩隱患上的應(yīng)用［J］.物探與化探，2001，25（4）：294－299.

［3］黃采倫，張 劍，等.地下磁流體探測(cè)技術(shù)及應(yīng)用鑒定證書［Z］.湖南省科技廳，2007－5－25.

［4］周 華，黃采倫.地下磁流體探測(cè)方法及其應(yīng)用［J］.礦業(yè)工程研究，2009，24（2），42－45.

［5］宋偉雄.動(dòng)態(tài)信息四維定位探測(cè)新技術(shù)［J］.科技風(fēng)，2009（1）：9.