基于時(shí)移3D高密度電法的堤壩涵管接觸滲漏探測(cè)研究

張清明 徐帥 王銳 周楊

摘 要：堤壩涵管接觸沖刷破壞是堤壩工程最常見(jiàn)的險(xiǎn)情之一，具有難以察覺(jué)、破壞突然和危害性大的特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)堤壩涵管與土體結(jié)合部位的有效探測(cè)，研究采用時(shí)移3D高密度電法追蹤探測(cè)、判斷接觸滲漏。在探討時(shí)移3D高密度電法正演、反演理論和觀測(cè)裝置類(lèi)型的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用，開(kāi)展了注水前后連續(xù)3D電阻率探測(cè)試驗(yàn)，引入電阻率反射系數(shù)R，分析了注水前后不同時(shí)刻結(jié)合部位電阻率的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，電阻率低阻異常響應(yīng)與結(jié)合部位松散不密實(shí)區(qū)之間具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)合部位接觸滲漏的有效探測(cè)。

關(guān)鍵詞：堤壩涵管;時(shí)移3D高密度電法;接觸滲漏

中圖分類(lèi)號(hào)：P631

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ?doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.12.027

引用格式：張清明，徐帥，王銳，等.基于時(shí)移3D高密度電法的堤壩涵管接觸滲漏探測(cè)研究[J].人民黃河，2021，43（12）：135-138.

Abstract： The contact erosion damage of dam culvert is one of the most common dangerous conditions in dam engineering， which has the characteristics of difficult to detect， sudden damage and great harm. In order to realize the effective detection of the joint part of dam culvert and soil， the time-lapse 3D high density resistivity method was used to detect and judge the contact leakage. Based on the discussion of forward modeling， inversion theory and observation device types of time-lapse 3D high-density resistivity method， combined with the practical application of engineering， the continuous 3D resistivity detection test before and after water injection was carried out， and the resistivity reflection coefficient R was introduced to analyze the development and change law of the resistivity change at the junction in different times before and after water injection. The test results show that there is a good corresponding relationship between the low-resistivity abnormal response and the loose and non-dense area of the joint， which can realize the effective detection of the contact leakage of the joint.

Key words： dam culvert pipe; time-lapse 3D high density resistivity method; contact leakage

1 前 言

堤壩涵管是堤防和土石壩工程常用的結(jié)構(gòu)形式，堤壩涵管的管身埋設(shè)于堤壩內(nèi)部，堤壩與涵管存在土-結(jié)構(gòu)接觸面，貫穿上下游的接觸面一直是防滲的薄弱環(huán)節(jié)，具有難以察覺(jué)、破壞突然和危害大的特點(diǎn)，堤壩和涵管結(jié)合部位一旦發(fā)生滲流則易發(fā)生接觸沖刷破壞，不斷發(fā)展會(huì)形成貫穿性滲漏通道，嚴(yán)重時(shí)可造成堤壩潰決[1]。

為了有效探測(cè)堤壩涵管接觸滲漏，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者開(kāi)展了示蹤法、高密度電法等探測(cè)技術(shù)的研究。高密度電法因具有布設(shè)靈活、數(shù)據(jù)豐富、成果直觀等優(yōu)點(diǎn)而受到了廣泛關(guān)注，Bolève等[2]、Sjdahl等[3]、Lkard等[4]通過(guò)分析滲流通道與土石壩壩體電阻率的不同，研究了土石壩內(nèi)異常滲流路徑的分布特性。目前高密度電法已經(jīng)由2D單方向測(cè)量發(fā)展到3D多方向測(cè)量，張欣[5]采用理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等方法研究了含隱患土石堤壩3D電場(chǎng)特征和電阻率成像識(shí)別方法，張汝凱等[6]利用3D高密度電法對(duì)堤壩裂縫隱患進(jìn)行數(shù)字模型和物理模型試驗(yàn)研究，分析了3D高密度電法探測(cè)堤壩裂縫分布范圍、位置的效果。堤壩涵管多采用混凝土、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或鋼管，混凝土、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為高阻異常，鋼管主要表現(xiàn)為低阻異常，3D高密度電法能有效提高探測(cè)效果，減弱旁側(cè)效應(yīng)，但受地形、探測(cè)體埋深以及反演時(shí)阻尼因子的影響，反演成果可能存在多解性，并易形成“假異?！被蛉哂鄻?gòu)造，通過(guò)單次探測(cè)判斷堤壩涵管是否發(fā)生接觸沖刷破壞較為困難。時(shí)移3D高密度電法在保持電極位置固定，觀測(cè)系統(tǒng)、裝置類(lèi)型一致的前提下，采集不同時(shí)刻的觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)多次觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行差值或百分比變化數(shù)據(jù)處理及反演，能有效識(shí)別、消除“假異?！被蛉哂鄻?gòu)造，捕捉電阻率異常的發(fā)展變化規(guī)律。

本文在剖析時(shí)移3D高密度電法正演、反演理論和觀測(cè)裝置類(lèi)型的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用，開(kāi)展注水前后多次連續(xù)3D電阻率探測(cè)試驗(yàn)，引入電阻率反射系數(shù)R，分析不同時(shí)刻堤壩涵管結(jié)合部位電阻率的差異，為接觸滲漏探測(cè)提供一種新的思路。

2 時(shí)移3D高密度電法

2.1 正演理論

高密度電法以巖、土介質(zhì)導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，通過(guò)觀測(cè)介質(zhì)中人工建立的穩(wěn)定電流場(chǎng)的分布規(guī)律來(lái)探測(cè)地下介質(zhì)差異[7]。在三維直角坐標(biāo)系中，若場(chǎng)源A（x0，y0，z0）是供電電流強(qiáng)度為I的點(diǎn)電源，則其產(chǎn)生的電流場(chǎng)的電位分布滿(mǎn)足以下偏微分方程：

2.3 觀測(cè)裝置選擇

3D高密度電法的布極和測(cè)量方式與2D高密度電法相似，電極在觀測(cè)區(qū)域上呈S形網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)狀分布，數(shù)據(jù)采集裝置包括二極（A-M）、偶極（AB-MN）、徑向偶極、三極（A-MN）、梯度陣列和混合偶極梯度陣列等[10]。二極裝置（A-M）產(chǎn)生的信號(hào)較強(qiáng)，但兩測(cè)量電極之間的距離過(guò)大，探測(cè)分辨率較低，難以保證探測(cè)精確度。偶極裝置采集的三維數(shù)據(jù)在反演過(guò)程中易產(chǎn)生較大的均方根誤差，探測(cè)分辨率不及二維偶極裝置，且在導(dǎo)電環(huán)境下數(shù)據(jù)覆蓋會(huì)受到影響。徑向偶極陣列A、B、M、N電極布置在三維矩形電極網(wǎng)格直線上，可在一條直線或橫跨四條直線上，數(shù)據(jù)覆蓋比偶極裝置少，但信號(hào)更強(qiáng)、探測(cè)分辨率更高。三極裝置（A-MN）綜合了二極裝置和偶極裝置的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的信號(hào)強(qiáng)度和探測(cè)分辨率，但數(shù)據(jù)覆蓋有待加強(qiáng)。梯度陣列電位電極可布置在AB電極之間或AB電極之外，以獲得大量采集數(shù)據(jù)?；旌吓紭O梯度陣列綜合了徑向偶極和梯度陣列的優(yōu)點(diǎn)，A、B、M、N電極布置在三維矩形電極網(wǎng)格一條直線上，在采集數(shù)量、信號(hào)強(qiáng)度、探測(cè)分辨率上都有所提高。

3 涵管接觸滲漏探測(cè)試驗(yàn)

長(zhǎng)垣黃河大堤樁號(hào)40+500處1980年修建了瓦屋寨虹吸工程，原設(shè)計(jì)防洪水位為65.67 m，虹吸管內(nèi)徑0.8 m，管底高程66.70 m，該虹吸管已超過(guò)使用年限，虹吸管銹蝕老化，設(shè)防水位低于2000年設(shè)防水位67.20 m，為堤防掛號(hào)險(xiǎn)點(diǎn)。為探測(cè)瓦屋寨虹吸工程與堤身土體是否存在接觸沖刷破壞，在涵管與土體結(jié)合部位進(jìn)行注水試驗(yàn)，開(kāi)展多次連續(xù)3D電阻率探測(cè)試驗(yàn)，分析電阻率發(fā)展變化趨勢(shì)，判斷涵管壁與土體結(jié)合部位的接觸滲漏情況。

3.1 試驗(yàn)設(shè)置

結(jié)合工程實(shí)際，選擇虹吸管所在背水側(cè)堤坡開(kāi)展探測(cè)試驗(yàn)，探測(cè)范圍以虹吸管為中心，向上、下游兩側(cè)展開(kāi)，上緣位于堤坡高程66.70 m（同管底高程），下緣位于堤坡高程59.74 m。電極在探測(cè)區(qū)域呈S形網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)狀布置，順堤X軸方向布置7列電極，垂直堤防Y軸方向布置12行電極，電極行、列間距均為2.0 m，共布置84個(gè)電極形成12.0 m×22.0 m的探測(cè)區(qū)域，觀測(cè)裝置布置采用混合偶極梯度陣列模式，見(jiàn)圖1。

開(kāi)展注水前后3D電阻率探測(cè)試驗(yàn)。第1次探測(cè)完成后，在虹吸管上方背水坡（高程63.54 m）鉆孔至結(jié)合部位，孔徑約20 cm，成孔后進(jìn)行注水（食鹽水）試驗(yàn)并確?？卓谒槐３植蛔?，開(kāi)展第2、3次探測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)表1。

3.2 探測(cè)結(jié)果分析

采用混合偶極梯度陣列模式完成3次探測(cè)數(shù)據(jù)采集，利用EarthImagery3D反演軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演處理，3次探測(cè)反演電阻率的靜態(tài)截面和動(dòng)態(tài)截面見(jiàn)圖2～圖4?？梢钥闯?，虹吸管所在位置呈明顯的低阻異常，低阻異常區(qū)域沿Y軸方向連續(xù)分布，與工程實(shí)際情況相符。

為了分析注水前后涵管壁與土體結(jié)合部位電阻率的變化規(guī)律，引入電阻率反射系數(shù)R，繪制第1、2次探測(cè)3D反演電阻率R1值平面切片（沿Y軸方向），見(jiàn)圖5。SL1～SL5位置為虹吸管壁與土體結(jié)合部位，注水試驗(yàn)開(kāi)始后，距離注水孔最近的SL1位置電阻率減小明顯，R值最大達(dá)到60%，距離注水孔最遠(yuǎn)的SL5位置電阻率變化不明顯，表明注水試驗(yàn)開(kāi)始后，電阻率低阻異常響應(yīng)區(qū)域沿虹吸管方向（Y軸方向）持續(xù)擴(kuò)散，電阻率呈現(xiàn)不斷降低的趨勢(shì)。

繪制第1、3次探測(cè)3D反演電阻率R2值平面切片（沿Y軸方向），見(jiàn)圖6。注水試驗(yàn)開(kāi)始6 h后，SL1～SL5位置電阻率R2值分別為90%、60%、30%、25%、12%，隨著時(shí)間推移，沿虹吸管方向電阻率均出現(xiàn)不同程度的降低，但電阻率低阻異常響應(yīng)區(qū)域主要集中在虹吸管右側(cè)（以X軸原點(diǎn)端為左），表明虹吸管壁右側(cè)與周邊土體結(jié)合相對(duì)其他位置欠密實(shí)，易發(fā)生接觸沖刷破壞?，F(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖試驗(yàn)證明，虹吸管與堤身結(jié)合部位主要為粉土，結(jié)合部位右側(cè)存在不連續(xù)的松散不密實(shí)區(qū)及小的空洞，與探測(cè)結(jié)果一致。

4 結(jié) 語(yǔ)

時(shí)移3D高密度電法突破了一次探測(cè)的理論，開(kāi)拓了從單一探測(cè)到追蹤探測(cè)、判斷接觸滲漏的新思路。本文在剖析時(shí)移3D高密度電法理論和觀測(cè)裝置類(lèi)型的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用，開(kāi)展多次連續(xù)3D電阻率探測(cè)試驗(yàn)，引入電阻率反射系數(shù)R分析電阻率的發(fā)展變化趨勢(shì)，得到以下結(jié)論：

（1）3D高密度電法網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)式的布極、多方位測(cè)量方式可獲取大量數(shù)據(jù)，反演結(jié)果包含多層次、多方位地下電性結(jié)構(gòu)參數(shù)信息，利用不同方向電阻率靜態(tài)截面、動(dòng)態(tài)截面可直觀反映地下結(jié)構(gòu)形態(tài)，在堤壩涵管接觸滲漏探測(cè)中具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

（2）涵管與土體結(jié)合部位電阻率在有水、無(wú)水條件下表現(xiàn)為高阻、低阻異常，兩者呈負(fù)相關(guān)特征，引入電阻率反射系數(shù)R，分析注水前后不同時(shí)刻結(jié)合部位電阻率的變化規(guī)律，電阻率低阻異常響應(yīng)與結(jié)合部位松散不密實(shí)區(qū)之間具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)合部位接觸沖刷破壞的有效探測(cè)。

（3）時(shí)移3D高密度電法在工程領(lǐng)域的研究還處于起步階段，本次研究以實(shí)體模型試驗(yàn)為主，后續(xù)可通過(guò)模擬布設(shè)不同堤防類(lèi)型、不同涵管構(gòu)件、不同接觸沖刷破壞模式的探測(cè)條件，進(jìn)一步開(kāi)展數(shù)值和模型試驗(yàn)研究，提高時(shí)移3D高密度電法反演的定量解釋水平。

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【責(zé)任編輯 張華巖】