大壩滲漏檢測(cè)最新進(jìn)展

崔弘毅，周克發(fā)編 譯

（1.國(guó)家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，310014；2.水利部大壩安全管理中心，江蘇南京，210029）

監(jiān)測(cè)擋水結(jié)構(gòu)（如大壩、渠道、堤壩和岸堤）的性態(tài)和穩(wěn)定性對(duì)現(xiàn)有水資源和水電供應(yīng)以及對(duì)生活在附近的社區(qū)居民來(lái)說(shuō)都非常關(guān)鍵。這是一項(xiàng)綜合任務(wù)，包括在幾何構(gòu)型、組成材料、結(jié)構(gòu)均質(zhì)性（如空洞和裂隙）、震損風(fēng)險(xiǎn)、穩(wěn)定、滲漏等方面對(duì)水工建筑物進(jìn)行特性分析。

總的來(lái)說(shuō)，土石構(gòu)造的水工建筑物的潰決都與內(nèi)部沖蝕有關(guān)，譬如美國(guó)愛達(dá)荷州的提堂壩，該壩于1976年潰決。內(nèi)部沖蝕是在地下水的作用下，細(xì)粒料的持續(xù)移動(dòng)。內(nèi)部沖蝕分為幾個(gè)不同的物理過(guò)程，主要是向源沖刷、溶出和流失。

Foster等人于2000年對(duì)11 192座土石水利建筑物進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)研究，發(fā)現(xiàn)其中136座存在病險(xiǎn)，其中6%是因?yàn)榛瑒?dòng)，48%是因?yàn)槁敚?6%是因?yàn)閮?nèi)部沖蝕。

假定配置的是常規(guī)較大規(guī)模且具有挑戰(zhàn)性的水力發(fā)電設(shè)施，對(duì)沖蝕進(jìn)行快速，且理想情況下無(wú)損的探測(cè)絕非易事。但目前有一種新的地球物理工具，它可以直接感應(yīng)地下水流，既可以提供快速有效的檢測(cè)，又可以最小損傷準(zhǔn)確探測(cè)到滲流。

1 常規(guī)方法

評(píng)估水利裝置的結(jié)構(gòu)整體性和探測(cè)結(jié)構(gòu)物的均質(zhì)性，通常使用巖土工程方法和地球物理方法。在這些案例中，會(huì)首先使用較為經(jīng)濟(jì)的地球物理方法來(lái)獲取結(jié)構(gòu)物大范圍的特性，其目的是為之后進(jìn)行的巖土工程勘察揭示更進(jìn)一步的細(xì)節(jié)特征。

在土石壩和岸堤的案例中，傳統(tǒng)的地球物理方法如電阻層析成像法（Electrical Resistivity Tomog?raphy,ERT）和電磁勘探法（Electromagnetic,EM）經(jīng)常被用來(lái)探測(cè)結(jié)構(gòu)的均質(zhì)性和次表層的巖土變化（較深的地方）。實(shí)踐證明，電阻層析成像法是土石壩成像的有效工具，在某些情況下，也可用于探測(cè)滲漏。地震層析成像法主要用于確定砌石壩的壓實(shí)度。探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar,GPR）可幫助確定混凝土和砌石建筑物的結(jié)構(gòu)和狀況，對(duì)相對(duì)較淺的部位，可提供高精度的圖像。

但是，這些技術(shù)都不能直接感應(yīng)到內(nèi)部沖蝕過(guò)程。雖然探測(cè)技術(shù)在許多領(lǐng)域都取得了進(jìn)展，但考慮到在下游洪泛區(qū)觀察到砂沸現(xiàn)象和出現(xiàn)某些特定的植被是最明顯的指征，那么定期人工巡視檢查通常是發(fā)現(xiàn)內(nèi)部沖蝕的最佳辦法。

但人工巡視檢查也有其不足之處。人工巡視檢查通常要花費(fèi)大量的時(shí)間，并且還取決于內(nèi)部沖蝕的程度，并非對(duì)所有內(nèi)部問題的測(cè)點(diǎn)定位都有效。鑒于安全、實(shí)用和經(jīng)濟(jì)的原因，若有一種地球物理方法可優(yōu)先定位水流，這會(huì)是往前邁進(jìn)的重要的一步。

2 自然電位法

這種用電的被動(dòng)地球物理方法被稱為自然電位法（Self-Potential,SP），它是優(yōu)先定位水流的方法之一，已在許多商業(yè)項(xiàng)目中得到證明。這些項(xiàng)目都需要定性和定量確定水流在水工建筑物內(nèi)的傳輸路徑。

除溫度和水聲測(cè)量外，自然電位法是唯一一種直接感應(yīng)地下水流的地球物理學(xué)方法。其原理是測(cè)量由地下水引起的電場(chǎng)內(nèi)的特定電動(dòng)效應(yīng)，這在地面、鉆孔或地下水中均可探測(cè)得到。

電動(dòng)學(xué)現(xiàn)象表現(xiàn)在源電流密度上，源電流密度與流過(guò)礦化多孔材料的孔隙水流有關(guān)。過(guò)剩電荷覆蓋在多孔基體中礦化細(xì)粒的表面，由水流引起的這些過(guò)剩電荷的位移形成了凈電流密度，這就是在探測(cè)的水流中形成了穿過(guò)水工建筑物的對(duì)流電流，對(duì)流電流將在上游形成負(fù)電場(chǎng)，大概為幾十毫伏（范圍為0～100 mV）。電場(chǎng)強(qiáng)度取決于水流流速和水力裝置中材料的電學(xué)特性。在上游側(cè)探測(cè)負(fù)電位可明確滲漏區(qū)域。

但是，自然電位法同樣也會(huì)感應(yīng)水工建筑物中其他的被動(dòng)電源，例如，包括來(lái)自電線的電磁干擾和金屬腐蝕的氧化還原作用。氧化還原會(huì)產(chǎn)生范圍為0～1 000 mV的負(fù)電勢(shì)。其腐蝕信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)掩蓋滲漏區(qū)域，但可以有效地深入了解金屬結(jié)構(gòu)的位置或確認(rèn)與老化相關(guān)的沖蝕。

因此，自然電位法大多數(shù)是被用來(lái)探測(cè)土石壩和堤岸中的滲透水流，其探測(cè)結(jié)果不會(huì)因?yàn)榻饘俚淖饔没螂姶鸥蓴_而復(fù)雜化。但也有專家將這種方法應(yīng)用于更具挑戰(zhàn)性的砌石和混凝土結(jié)構(gòu)中，并取得了巨大的成功。

3 單道自然電位采集

典型的現(xiàn)場(chǎng)組裝的自然電位設(shè)備包括一套感應(yīng)線圈和一套連接到高輸入阻抗采集卡的基準(zhǔn)非極化電極。

用船將移動(dòng)電極拖到大壩或堤防的上游壩趾處，參考電極固定在地表面（比如沿大壩壩頂或堤防壩頂布置）。增強(qiáng)電纜可提供感應(yīng)線圈和參考電極間的電接觸，根據(jù)目標(biāo)建筑物的不同，增強(qiáng)電纜通?？蛇_(dá)幾百米長(zhǎng)。自然電位信號(hào)的記錄頻率平均為200 Hz/s。在船上設(shè)有全球定位系統(tǒng)作為采集裝置用于水自然電位的空間坐標(biāo)的獲取。圖1為某一混凝土大壩進(jìn)行單道自然電位檢測(cè)的結(jié)果。

4 創(chuàng)新的多道水檢測(cè)系統(tǒng)——滲漏掃描儀

只要建筑物規(guī)模允許，標(biāo)準(zhǔn)的單道系統(tǒng)可升級(jí)為多道采集方式。例如，在渠道的評(píng)估中，多道系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)渠道底部的一次性全覆蓋，因此可在縱向和橫向兩個(gè)視角對(duì)可能的滲漏實(shí)現(xiàn)更好的可視化。

圖1 對(duì)法國(guó)某一混凝土壩進(jìn)行單道自然電位檢測(cè)的結(jié)果Fig.1 Results of single channel SP acquisition from a concrete dam in France

為了利用這些優(yōu)點(diǎn)，法國(guó)Furgo咨詢公司設(shè)計(jì)研發(fā)了多道水檢測(cè)系統(tǒng)——滲漏掃描儀。法國(guó)東南部有一條非鋼筋混凝土襯砌的渠道，全長(zhǎng)12 km，60 m寬，多道水檢測(cè)這種創(chuàng)新的方法在這條渠道上成功地進(jìn)行了初次測(cè)試檢測(cè)，見圖2（a）。

現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)和結(jié)果顯示，該方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩或其他大型蓄水建筑物的快速、準(zhǔn)確、大范圍的檢查。

滲漏掃描儀組件包括一條船，船的兩側(cè)各有1個(gè)浮子，對(duì)其配備了GPS天線以在檢測(cè)過(guò)程中實(shí)時(shí)記錄船和浮子的位置，見圖2（b）。共有10個(gè)非極化電極，間隔1 m布置，拖于船后30 m。船兩側(cè)各置5個(gè)電極，檢測(cè)寬度可達(dá)10 m。自然電位傳感器位于水和渠道底部的交界面。

圖2 滲漏掃描儀在法國(guó)東南部一條渠道上成功進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試Fig.2 SCAN Leak successfully trialled at a canal site in South East France

為使微分電位測(cè)量成為可能，船載采集系統(tǒng)與一個(gè)位于渠道頂部的參考電極相連。這12 km的檢測(cè)被劃分為每段500 m的24段自然電位掃描。每一段檢測(cè)中，參考電極都是固定的。

5 結(jié)果

在圖3所示的案例中，滲漏掃描儀結(jié)果顯示異常處約有100 m長(zhǎng)、10 m寬。

大尺寸的原因是電場(chǎng)在所有導(dǎo)電區(qū)域內(nèi)傳播，比如渠道中的水和土石構(gòu)造的渠道體。在確切的滲漏位置，電場(chǎng)可達(dá)到其最大幅值，并根據(jù)異常程度和水的導(dǎo)電性隨距離減小。

滲漏檢測(cè)系統(tǒng)于5 d內(nèi)完成了整個(gè)12 km長(zhǎng)渠道的檢測(cè)。它能檢測(cè)出并定位到來(lái)自渠道下被腐蝕破損管道的小的被動(dòng)電信號(hào)，以此證明了其準(zhǔn)確性和有效性。其他負(fù)自然電位異常被詮釋為潛在入流區(qū)域，為將來(lái)極有針對(duì)性地進(jìn)一步檢查和維修奠定了基礎(chǔ)。

該項(xiàng)目表明，滲漏檢測(cè)儀可在大壩檢測(cè)中推廣應(yīng)用。同樣，在快速檢測(cè)大型建筑物時(shí)，該技術(shù)是完全的無(wú)損檢測(cè)，且不會(huì)干擾到其正常的運(yùn)行，也不會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成影響。滲漏處理前后的重復(fù)檢查可驗(yàn)證工作的有效性，定期檢查可了解建筑是否處于穩(wěn)定狀態(tài)或性態(tài)在隨時(shí)間惡化。由于該設(shè)備已經(jīng)模塊化且攜帶方便，因此是適用于全球各地應(yīng)用的較經(jīng)濟(jì)的可移動(dòng)方式。

圖3 渠道現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的滲漏掃描儀多道自然電位采集結(jié)果Fig.3 Results of SCAN Leak multi-channel SP acquisition at canal site

6 其他技術(shù)

自然電位法在大壩檢測(cè)中的使用需要與介入性方法和非介入性方法增大的適用范圍相結(jié)合考慮。大多數(shù)案例中，自然電位法若使用在評(píng)估項(xiàng)目的早期階段，則可以收到最好的效果。隨后，可結(jié)合其他的輔助數(shù)據(jù)對(duì)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的異常進(jìn)行分析和解讀。

這可能需要一些投入，包括結(jié)構(gòu)和地質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝以及用其他檢測(cè)方法對(duì)用自然電位法檢測(cè)出的問題部位進(jìn)行檢測(cè)。第二階段經(jīng)常使用的檢測(cè)手段包括結(jié)合水壓擾動(dòng)的被動(dòng)信號(hào)的水聲測(cè)量和結(jié)合參數(shù)測(cè)量的目標(biāo)鉆孔或椎體滲透測(cè)試，如地下溫度梯度等參數(shù)。

圖4 在某水庫(kù)砌石壩進(jìn)行鉆孔地震勘測(cè)Fig.4 Colour representation of wave velocity results from a borehole seismic survey of a masonry dam on a water reser?voir,showing compactness anomalies around the boreholes

7 結(jié)論

標(biāo)準(zhǔn)的自然電位法和滲漏檢測(cè)儀可提供關(guān)于水利設(shè)施中滲漏區(qū)域的重要信息。

該方法可與其他非介入性的地球物理方法結(jié)合使用，這樣，對(duì)不同規(guī)模的建筑物進(jìn)行滲漏檢測(cè)時(shí)，可將介入性檢查減到最少，實(shí)現(xiàn)時(shí)間節(jié)省、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的檢查方法。

8 大壩檢測(cè)方面的其他進(jìn)展

若堤防（大壩或堤壩）的運(yùn)行性態(tài)和設(shè)計(jì)不一致，則可能會(huì)造成生命財(cái)產(chǎn)損失，后果嚴(yán)重。老壩和新壩結(jié)構(gòu)物都要求對(duì)工程設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評(píng)估或消缺處理規(guī)劃等方面進(jìn)行科學(xué)的評(píng)估。

科技的發(fā)展，特別是遠(yuǎn)程傳感數(shù)據(jù)的采集，使檢測(cè)更具穩(wěn)健性，特別是與傳統(tǒng)的地球科學(xué)方法相結(jié)合時(shí)。這種綜合方法集成了多種技術(shù)性的數(shù)據(jù)和傳統(tǒng)的地下勘測(cè)，為評(píng)估地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)或堤防的基礎(chǔ)問題提供了強(qiáng)有力的工具。

過(guò)去，對(duì)航拍圖像（如斜低太陽(yáng)角照片）、攝影測(cè)量收集到的地形數(shù)據(jù)和有限的地球物理調(diào)查結(jié)果（如地震波折射）進(jìn)行分析，這就是實(shí)際的工作狀態(tài)。在過(guò)去的十年中，通過(guò)綜合成熟的地球物理調(diào)查、高分辨率的地形數(shù)據(jù)和“傳統(tǒng)”的巖土數(shù)據(jù)，對(duì)堤壩進(jìn)行的地質(zhì)和巖土工程評(píng)價(jià)逐漸變得更高效，成本也在逐漸降低。

激光雷達(dá)（光探測(cè)和測(cè)距）和應(yīng)用于更遠(yuǎn)區(qū)域的INSAR（衛(wèi)星雷達(dá)）技術(shù)等都可提供詳細(xì)的高程數(shù)據(jù)，用以開發(fā)地表模型。地表模型可在其他各種潛在不良地表特性中識(shí)別出如邊坡失穩(wěn)或斷層崖等風(fēng)險(xiǎn)。

工程地球物理學(xué)家們可利用地球物理方法（如電阻成像法和地震波反射成像法）來(lái)分析地下條件的類型和分布，這些信息可用于以下用途：

（1）它是一個(gè)框架，可用于開發(fā)有針對(duì)性的地下勘探計(jì)劃，相對(duì)于傳統(tǒng)的布置；

（2）它是連續(xù)的數(shù)據(jù)集，可用于解讀離散勘探點(diǎn)間的地質(zhì)條件，因此降低了不確定性。

這些最近的技術(shù)進(jìn)步并沒有取代傳統(tǒng)的地質(zhì)和巖土工程方法。但它們是一個(gè)重要的補(bǔ)充，可加強(qiáng)對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件的解讀能力，更準(zhǔn)確地描述潛在的危害，從而提高結(jié)構(gòu)的可靠性、性能和安全性，同時(shí)盡可能降低風(fēng)險(xiǎn)。

[1]Alex Boleve.Advances in leak detection[N/OL].Water Pow?er&Dam Construction,[2013-08-13].http://www.water?powermagazine.com/features/featureadvances-in-leak-de?tection/.