動態(tài)四維探測堤壩滲漏

范素芳，黃采倫，陳紅釗，馬立乾，龍 魁

（湖南科技大學 機械設備健康維護湖南省重點實驗室，湘潭 411201）

0 引 言

截止到20世紀80年代，我國共建各類水庫共計8萬多座，其中大型水庫355座，中型水庫2462座，小型水庫80120座.年復一年，日復一日，隨著水庫壩堤運行時日的增長，及受基礎工程技術質(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.過去大躍進年代，經(jīng)濟技術各方面條件差，有不尊重科學的作法，修建水庫工程急于求成，不經(jīng)過勘測設計就倉促開工.堤壩滲漏是危害堤防安全運行的主要因素之一.我國在對2000余座潰壩進行一系列統(tǒng)計分析后，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，防滲治漏對于工程的建設與運行至關重要，在非潰壩性事故中堤壩滲漏也占了較大的比例［1］.因此準確探測堤壩滲漏通道的位置對堤壩的整治具有十分重要的意義.

我國堤壩滲漏探測方法主要有地質(zhì)鉆探、人工探視和地球物理探測等3種.但是前兩種方法均不能滿足快速、準確、大面積無損檢測等要求，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、測溫法、表面波法、淺層地震法、地質(zhì)雷達、流場測量法等［2］.堤防滲漏隱患探測的特點是距離長，隱患類型多，隱患深度變化范圍大，堤防結(jié)構復雜，對儀器要求很高，探測難度很大.由于堤防的復雜性和已有技術的局限性等原因，探測結(jié)果都不是唯一的，是多解的.目前，國內(nèi)外尚無探測堤防滲漏的成熟技術和行之有效的儀器.

1 地下磁流體探測壩堤滲漏基本原理

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)了十幾種方法進行堤壩滲漏探測.經(jīng)多年研究，國內(nèi)外專家認為在諸多可利用于隱患和滲漏探測的堤身填筑材料的物理參數(shù)中，電導率電阻率變化最明顯且探測方法簡便，這是目前滲漏前廣泛采用瞬變電磁法和高密度電法探測堤防隱患和滲漏的原因.基于地下磁流體探測技術的堤壩滲漏探測方法，以地核發(fā)射電磁波作為探測信號場源，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，并由探測結(jié)果反演地層結(jié)構從而達到探測的目的［3－4］.該方法不僅能探測攜帶動態(tài)信息的滲漏低阻異常，并在傳統(tǒng)的三維找礦的基礎上，提出（X，Y，Z，T）四維定位，其中T－時間因素是關鍵.只要通過測量確定瞬變電磁波場形態(tài)，（X，Y座標）就確定了；滲漏的埋藏深度h（Z座標）可用儀器所采用的探測頻率來確定；那么我們所說四維方法的第四維T是怎么確定的呢？T：動態(tài)信息變動周期（s）［5］.這樣關于地下水水勢場場源就找到了，即地下水流系統(tǒng)的X、Y、Z、T座標就確定了.從而使探測結(jié)果準確可靠.

圖1 地下磁流體探測原理框圖

地下磁流體探測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)場探測裝置對探針所接收的信號進行放大轉(zhuǎn)換并從中提取特征信息（地下水動態(tài)信息、裂隙信息等），采集并保存探針接收的信息；上位PC機通過USB電纜從現(xiàn)場探測裝置中讀取探測數(shù)據(jù)，經(jīng)軟件綜合分析處理后顯示探測結(jié)果.

圖2 地下磁流體探儀器用于壩堤探測示意圖

儀器對靜態(tài)信息與動態(tài)信息的測量采用智能化方法，能對靜態(tài)信息能自動改變采樣周期長定時采集，而對動態(tài)信息則高速采集，以保證測量數(shù)據(jù)的準確性.實際探測工作中，只要將探頭插入水庫壩堤被測點的土壤中，起動儀器檢查所有探針都完全接好后即可進行探測.由于壩堤管涌、滲漏的水流量與時間存在一定的關系，所以對于同一測線需采集不同時間段的多組數(shù)據(jù)，同一測線采集到多組數(shù)據(jù)后；經(jīng)上位機軟件對所采集的數(shù)據(jù)進行分析處理給出探測結(jié)果，了解到測線范圍內(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中的應用

2.1 應用背景

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，但由于施工、老化等諸多原因，水庫壩體出現(xiàn)管涌滲漏，嚴重威脅水庫的運行安全.

2.2 探測實例

探測小組采用地下磁流體探測方法對拓木塘水庫堤壩進行了多組測線的綜合探測，如下對其中1組有代表性的測線進行詳細分析.測線布置如圖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，探測了兩個深度段：垂深10m到30m，間隔2m；垂深65m到90m，間隔5 m.將儀器現(xiàn)場所測的數(shù)據(jù)經(jīng)上位機分析軟件綜合分析得圖4、圖5.

結(jié)合現(xiàn)場探測數(shù)據(jù)分析圖7、圖8：在測線范圍內(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處存在地下水動態(tài)信息△3.01Hz，B1至B2處存在地下水動態(tài)信息△3.82Hz，B4至B5處存在地下水動態(tài)信息△2.23 Hz；垂深65m，A7至A6處存在地下水動態(tài)信息△1.83Hz，A6至 A5處存在地下水動態(tài)信息△2.29 Hz，A5至A4處存在地下水動態(tài)信息△1.15Hz，B3至B4處存在地下水動態(tài)信息△0.3Hz，B4至B5處存在地下水動態(tài)信息△0.6Hz，B5至B6處存在地下水動態(tài)信息△1.05Hz；垂深80m，B1到B6之間多處存在地下水動態(tài)信息△0.61Hz.綜合分析多組測線的探測結(jié)果可知：探測范圍內(nèi)巖溶裂隙較為發(fā)育，淺部巖溶裂隙豐富，在測線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 探測結(jié)論

壩堤滲漏系統(tǒng)是客觀存在且極其復雜的一個系統(tǒng)，已知各種用于壩堤滲漏監(jiān)測工作方法存在多解性問題，難免會有失敗的可能性.但是地下磁流體探測技術用專門的工具捕捉它的動態(tài)信息，抓住它們的共性與個性，使找水、治水、防水問題迎刃而解.在實際工程應用中，驗證了地下磁流體探測技術在監(jiān)測堤壩滲漏的這種實時動態(tài)變化過程時效果顯著.

［1］汝乃華，牛運光.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.物探技術在監(jiān)測堤壩隱患上的應用［J］.物探與化探，2001，25（4）：294－299.

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

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

［5］宋偉雄.動態(tài)信息四維定位探測新技術［J］.科技風，2009（1）：9.