英國巴特利大壩滲流應(yīng)對措施研究

[美國] .科夫德 等

英國巴特利大壩滲流應(yīng)對措施研究

[美國]V.科夫德 等

Willowstick方法論，由磁電阻率法發(fā)展而來，能快速識別地圖與模型優(yōu)先滲流路徑。以英國巴特利大壩為例，利用該方法在大壩的上下游均布置電極。上游電極布置在水庫中，下游電極通常布置在滲流區(qū)，利用測得的數(shù)據(jù)進行反演算，以此預(yù)測電流通過地下研究區(qū)的三維分布狀況，以追蹤到優(yōu)先的滲流路徑，并對具體的滲流問題作出合理解釋。對研究方法及案例的研究過程進行了簡單介紹。

大壩滲流；滲流處理；巴特利大壩；英國

1 概 述

Willowstick方法論，由愛德華茲(Edwards)和納博特(Nabighian)的磁電阻率法發(fā)展而來，是專門為優(yōu)先選擇滲流路徑和最高傳輸率的區(qū)域而設(shè)計。這是一種能快速識別地圖和模型優(yōu)先滲流路徑的方法,就像血管造影一樣，能使醫(yī)務(wù)人員“看見”人體內(nèi)血液流動的路徑。該方法能夠快速地作出2D或3D滲流路徑地圖和模型。

通過建立一個在地下水中具有鮮明標識的電路追蹤，就能使該方法得以運用；通過測量標識過的磁場，揭示地下電流的分布和流動情況。處理所測得的數(shù)據(jù)并將其與來自一個理論上均勻的地球模型而預(yù)測的磁場相對比，突出“均勻”模型的偏差。最后生成二維圖形和三維模型，并結(jié)合利用其他一些水文數(shù)據(jù)，即可提供清晰的優(yōu)先滲流路徑。

2 研究方法

研究一座滲漏的大壩，是利用布置在大壩上、下游的電極來進行的。在上游，通常會將電極布置在水庫中，而在下游，電極則通常被布置在滲流區(qū)、觀測井以及滲流采集系統(tǒng)，比如壩趾排水層，以便于監(jiān)測到水流滲入壩體。將連接電極的線路布置在研究區(qū)周圍的一個大型回路中,以使線路中電流流動所產(chǎn)生的互相干擾最小。

由于磁場的測量值只能在地球表面獲得，這對于確定優(yōu)先電流深度測量來說是一種挑戰(zhàn)。因此,對數(shù)據(jù)進行反演算(通過數(shù)學(xué)模型)，來預(yù)測電流在通過地下研究區(qū)的三維中的分布情況。反演算模型也被稱為電流分布(ECD)模型。

3 巴特利大壩案例研究

在案例中，有2條優(yōu)先滲流路徑。塞溫特倫特自來水(SevernTrentWater)公司在滲漏區(qū)域內(nèi)或其附近鉆了4個孔,依次為BH1、BH2、BH3和BH4。在BH1、BH2和BH4孔中深度大約為20m處，鉆井液消失在厚6m的裂縫性砂巖層中。鉆井液在下游排水系統(tǒng)中出現(xiàn)的時間約為10min。但是在BH3孔中，鉆井液并沒有消失，這是由鉆孔鉆取距離可以說明的滲漏路徑最遠的地方。對業(yè)主來說，下游鉆井液的出現(xiàn)使他們堅信自己的研究結(jié)果。就大多數(shù)土石壩而言，較成功地設(shè)計是，所用的填筑材料能防止?jié)B流路徑的發(fā)展。然而，由于裂縫、斷層、風化層以及其他滲透性區(qū)在施工過程中不易顯現(xiàn)，因此要預(yù)測基礎(chǔ)滲流就會相當困難。

在這個例子中，在沒有開展地球物理勘探的情況下，不可能對大壩下的優(yōu)先滲流路徑進行比較全面的描述。

該方法在許多方面不同于傳統(tǒng)的電阻率和其他的電磁(EM)方法。首先，它利用水的含量是提高地下土壤和巖石電導(dǎo)率的主要因素。其次，直接激勵一個地下導(dǎo)電介質(zhì)，電流可以更有效地"照亮"影響較少的上覆土料的負擔。該方法測量是利用由電流追蹤模式所產(chǎn)生的磁場，這樣有助于表征優(yōu)先的地下路徑；因此，它不需要像傳統(tǒng)的電阻率一般直接接觸或電偶測量 。因為該方法是在低頻率下操作，測量導(dǎo)體直接通電即可產(chǎn)生磁場，對于用其來描述地下標志性水深具有潛力。

像EM和電阻率法一樣，該方法更強調(diào)導(dǎo)電和電阻區(qū)，以及其在最佳環(huán)境下的水飽和程度變化(在干區(qū)和高度飽和區(qū)之間)中所起的作用。

然而，該方法同樣也適用于一個完全飽和的環(huán)境。當電傳導(dǎo)主要發(fā)生在一個開放的孔隙飽和矩陣中時，電氣和液壓電導(dǎo)率之間存在著正關(guān)聯(lián)，即水力傳導(dǎo)率在高電導(dǎo)率區(qū)可以得到追蹤。當電傳導(dǎo)主要發(fā)生在孔的表面，比如在潮濕的粘土中，正相關(guān)就可能消失，事實上可以成為一種負相關(guān)。

在每一種環(huán)境中，該方法可提供突出的、變化顯著的有效孔隙度邊緣區(qū)域一些有價值的信息，從而揭示該區(qū)域是地下優(yōu)先流動與不流動的地方。

為了更好地說明這一點，可以考慮以河流中一塊巨石周圍的水流為例。即使巨石本身不能直接被觀察到，但它周圍水流的模式和方向仍然能夠展現(xiàn)它的形狀和位置。

一個體積的電流密度可以用許多相同的方式表現(xiàn)。如果認為情況相反，在由一個較大的導(dǎo)電體來吸引電流流過其本身時，模擬的會更像是深層排水的急流，這樣才會將水流的流向引向自己。從水流表面的異常梯度就會發(fā)現(xiàn)滲漏的位置，就像是一個導(dǎo)電體電流密度的增加會顯示它的位置一樣。

4 結(jié) 論

針對Willowstick研究方法，塞溫特倫特自來水公司大壩和水庫運營負責人伊恩·霍普(IanHope)表示，巴特利水庫下面出現(xiàn)滲漏的時間很長，應(yīng)當試圖找到其滲漏路徑以設(shè)法減少滲漏或者止住滲漏。對此，曾經(jīng)委托專業(yè)機構(gòu)進行調(diào)查，并通過采用阿特金斯(Atkins)一種Willowstick研究方法，確定了可能會有2條滲流路徑的精確位置。經(jīng)過專家對檢測方案的審議和批準，依據(jù)鉆取4個孔進行研究的結(jié)果，來檢驗滲流路徑的位置，并在試驗壓力灌漿之后立即鉆井。

事實證明,通過Willowstick研究，可以非常準確地追蹤到滲流路徑，因而完全可以將該方法推薦到類似的應(yīng)用領(lǐng)域。

總之，該方法結(jié)合其他樣品或者測試數(shù)據(jù)的正確應(yīng)用，通常會獲得更好的成本效益，而且能夠精確地表征滲流。該方法被視為一種可以開展探索性工作的手段，比如鉆井作業(yè)，并可以對具體的滲流問題作出合理解釋。

(黃麗瑾 許 俊 編譯)

2015-01-07

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