高密度電法探測堤防隱患研究

宋朝陽 王銳 李長征

摘 要：為掌握堤防安全狀況，保障堤防安全運(yùn)行，采用高密度電法對(duì)堤防進(jìn)行隱患探測。電法探測通常建立在半無限空間理論基礎(chǔ)上，而堤防斷面并不滿足半無限空間這個(gè)條件。為降低堤防地形條件對(duì)電法探測結(jié)果的影響，提高高密度電法探測分辨率，從電法裝置選擇和電極距選取的角度出發(fā)，通過建立梯形堤防斷面進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比不同電法裝置和電極距的數(shù)值模擬結(jié)果，并通過模型試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：在梯形堤防隱患探測中宜選用施倫伯格裝置;為保證電法探測分辨率，電極距不宜大于1.0 m。

關(guān)鍵詞：堤防隱患;高密度電法;梯形堤防斷面

中圖分類號(hào)：TV82 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.07.023

Abstract：The application of resistivity tomography to detection for hidden dangers of embankment can grasp the safety status of embankment and ensure their safe operation. Electrical detection is usually based on the theory of semi-infinite space， but the section of embankment does not satisfy the condition of semi-infinite space. In order to reduce the impact of embankment terrain to the electrical method and improve the detecting precision of resistivity tomography， the paper established a trapezoidal embankment. Through changing the arrays and the distance of electrodes， the paper established a numerical simulation and model test. It is better to choose Schlumberger array in the detection of the hidden dangers. Electrode distance should not be more than 1.0 m to ensure the the detection resolution.

Key words： hidden dangers of embankment; resistivity tomography; trapezoidal embankment section

堤防是修建在江、河、湖、海岸邊的擋水建筑物。高效、精確、無損探測堤防可能存在的隱患，是保障堤防安全運(yùn)行和及時(shí)了解堤防安全狀況的有效途徑。堤防隱患常以裂縫、孔洞等形式存在，進(jìn)而造成堤身不均勻沉降和滲水等現(xiàn)象，危及堤防安全及周邊居民的人身財(cái)產(chǎn)安全。堤防裂縫、孔洞常被水或者空氣填充，而水、空氣與堤身填筑料的物性差異為高密度電法、紅外線溫度測量法、流場法、探地雷達(dá)法、自然電場法、地震法、示蹤法、瞬變電磁法等物探方法進(jìn)行隱患探測提供了條件[1-6]。

高密度電法集電測深和電剖面于一身，通過陣列電極實(shí)現(xiàn)對(duì)探測區(qū)域的供電和電壓采集，最終經(jīng)過反演實(shí)現(xiàn)圖像重建[7-11]。電法探測通?；诎霟o限空間理論[12-13]，而實(shí)際工程中堤防橫斷面并非半無限空間。為降低堤防地形條件對(duì)高密度電法探測結(jié)果的影響，提高高密度電法對(duì)堤防隱患的分辨率，筆者以梯形堤防斷面為例建立模型，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，通過選取不同的電法裝置和電極距對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，并通過模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 基本原理

2 數(shù)值模擬

2.1 建 模

為模擬堤防地形條件對(duì)高密度電法探測結(jié)果的影響，此次建立的堤防計(jì)算模型橫斷面為等腰梯形，模型長40 m、高5 m，頂面寬5 m，底面寬35 m，斜邊坡比1∶3。以堤頂矩形表面中心為原點(diǎn)、平行堤身軸向方向?yàn)閄軸、垂直堤頂方向?yàn)閆軸建立直角坐標(biāo)系。在距堤頂2 m處增加一管狀異常體，模擬穿堤孔洞，其半徑為0.5 m。背景電阻率設(shè)為100 Ω·m，異常體電阻率分別設(shè)為10、10 000 Ω·m，用來模擬空氣孔洞和含水孔洞。

2.2 裝置選擇與電極布設(shè)

選用不同的測量裝置和電極距進(jìn)行數(shù)值模擬，陣列電極布設(shè)于X軸，位于孔洞正上方，測量裝置分別選擇三級(jí)、偶極、施倫伯格和溫納，電極距分別選擇0.5、1.0、1.5、2.0 m，電極位置見表1。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果處理與分析

根據(jù)式（2）計(jì)算堤防電阻率，利用RES2DINV軟件對(duì)視電阻率進(jìn)行反演。

含水孔洞溫納裝置和施倫伯格裝置的反演結(jié)果見圖1、圖2。

從圖1（a）～（d）可以看出，對(duì)于含水孔洞，當(dāng)電極距為0.5、1.0 m時(shí)溫納裝置能準(zhǔn)確探測出異常的位置，但當(dāng)電極距大于1.0 m時(shí)，對(duì)異常探測分辨率不夠。從圖2（a）～（d）可以看出，對(duì)于含水孔洞，當(dāng)電極距為0.5、1.0、1.5、2.0 m時(shí)施倫伯格裝置分辨率較高，均能準(zhǔn)確探測出異常的位置。對(duì)比溫納裝置和施倫伯格裝置對(duì)含水孔洞的探測結(jié)果可知，電極距對(duì)溫納裝置探測分辨率影響較大。

空氣孔洞溫納裝置和施倫伯格裝置的反演結(jié)果見圖3、圖4。

從圖3（a）～（d）可以看出，對(duì)于空氣孔洞，當(dāng)電極距為0.5、1.0、1.5、2.0 m時(shí)，溫納裝置反演結(jié)果中存在假高阻異常，對(duì)于異常幅度較弱的空氣孔洞，真正的異常被一定程度掩蓋，反演誤差較大。從圖4（a）～（d）可以看出，對(duì)于空氣孔洞，當(dāng)電極距為0.5、1.0 m時(shí)，施倫伯格裝置對(duì)于異常幅度較弱的空氣孔洞的反演結(jié)果受假高阻異常影響;當(dāng)電極距為1.5、2.0 m時(shí)，對(duì)于異常幅度較弱的空氣孔洞，真正的異常被一定程度掩蓋，反演誤差較大。對(duì)比溫納裝置和施倫伯格裝置對(duì)空氣孔洞的探測結(jié)果，施倫伯格裝置在電極距較小時(shí)可以探測出異常的位置。

從數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，受梯形堤防地形條件的影響，數(shù)值模擬成果圖中下部視電阻率偏高，易造成對(duì)隱患的誤判。對(duì)于含水孔洞，反演結(jié)果中下部存在假高阻異常。對(duì)于空氣孔洞，真正的異常被一定程度掩蓋，反演結(jié)果與實(shí)際情況相差較大。對(duì)于溫納裝置，要保證半徑0.5 m左右的含水孔洞體的探測精度，電極距應(yīng)不大于1.0 m。

3 模型試驗(yàn)

3.1 模型參數(shù)

為驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，選用堤身填筑土料常用的粉質(zhì)壤土和粉質(zhì)黏土設(shè)計(jì)梯形堤防模型。梯形堤防模型的長、高分別為5、1 m，頂部和底部寬度分別為0.5、2.5 m。不同大小的隱患用不同直徑的PVC管來模擬，模型試驗(yàn)隱患參數(shù)見表2。

3.2 試驗(yàn)裝置與設(shè)備

采用偶極裝置、溫納裝置和施倫伯格裝置分別對(duì)梯形堤防模型進(jìn)行測試。在堤頂隱患正上方布設(shè)測線，每條測線均采用40根電極、0.05 m電極距。電極為實(shí)心銅導(dǎo)線，橫截面為0.25 mm2。采用美國AGI高密度電法儀對(duì)隱患模型進(jìn)行探測，其主要技術(shù)指標(biāo)見表3。

3.3 模型試驗(yàn)結(jié)果處理與分析

溫納裝置、偶極裝置和施倫伯格裝置對(duì)空氣孔洞模型探測的反演結(jié)果見圖5～圖7。

從圖5可以看出，空氣孔洞直徑為30 mm時(shí)，溫納裝置模型反演結(jié)果中存在假高阻異?，F(xiàn)象，影響了對(duì)真異常的判斷。從圖6可以看出，空氣孔洞直徑為70 mm時(shí)，偶極裝置模型反演結(jié)果中存在多處假高阻異常，影響了對(duì)真異常的判斷。從圖7（a）～（d）可以看出，空氣孔洞直徑為30、45、70 mm時(shí)，施倫伯格裝置對(duì)不同直徑的空氣孔洞均有較好的探測效果。

從模型試驗(yàn)探測結(jié)果可以看出，溫納、施倫伯格、偶極三種裝置對(duì)所設(shè)置的空氣孔洞都有探測效果，在孔洞直徑相對(duì)較小時(shí)，溫納裝置的分辨率較差;孔洞直徑相對(duì)較大時(shí)，偶極裝置的分辨率較差。而孔洞的尺寸對(duì)施倫伯格裝置探測效果影響較小，即施倫伯格對(duì)孔洞的探測分辨率較高。

4 結(jié) 論

通過對(duì)存在隱患的梯形堤防模型進(jìn)行模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析，得出如下結(jié)論：

（1）從數(shù)值模擬結(jié)果看，受梯形堤防地形條件影響，視電阻率呈現(xiàn)下部偏高的現(xiàn)象。對(duì)于含水孔洞，溫納裝置和施倫伯格裝置都能較好地探測出異常的位置，但溫納裝置電極距不宜大于1.0 m。對(duì)于空氣孔洞，溫納裝置和施倫伯格裝置反演結(jié)果中均存在假高阻，造成對(duì)真異常位置的誤判，但電極距為0.5、1.0 m時(shí)，施倫伯格裝置對(duì)高阻異常體有一定的反映。

（2）從模型試驗(yàn)結(jié)果看，溫納裝置對(duì)直徑相對(duì)較小的空氣孔洞探測分辨率較低，偶極裝置對(duì)直徑相對(duì)較大的空氣孔洞探測分辨率較低，而施倫伯格裝置對(duì)孔洞的探測分辨率不受隱患尺寸的影響。

（3）綜合數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)結(jié)果，在進(jìn)行堤防隱患探測時(shí)選取施倫伯格裝置能夠保證隱患探測的分辨率，在進(jìn)行電極布設(shè)時(shí)電極距不宜大于1.0 m。

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【責(zé)任編輯 張華巖】