高密度電阻率法對(duì)水庫(kù)大壩探傷應(yīng)用實(shí)踐分析

馮 露,鮑 陽(yáng),孔楠楠,李 艷

(1.安徽省建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)站有限公司,安徽 合肥 230000;2.安徽省(水利部淮河水利委員會(huì))水利科學(xué)研究院,安徽 合肥 230000)

0 引言

近年來,地方政府部門出臺(tái)了許多措施,著力突出了推進(jìn)智慧水利建設(shè)和打造數(shù)字孿生流域的重大意義,并努力提高數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化程度。從利好政策上來看,智慧水利作為國(guó)家數(shù)字化強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的重要部分,在帶動(dòng)傳統(tǒng)水利行業(yè)發(fā)展、保障民生方面具有廣闊的發(fā)展前景。

智慧水利在水利工程質(zhì)量控制方面的應(yīng)用也有著廣闊的應(yīng)用前景,水利工程往往涉及民生安全,代表著國(guó)家治理能力的重要方面,對(duì)于已建成的工程,如何進(jìn)行質(zhì)量管理與控制成為學(xué)者及管理單位需要高度重視的問題。高密度電阻率法利用計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬技術(shù)通過對(duì)被測(cè)斷面進(jìn)行高密度布點(diǎn),從而對(duì)地電斷面進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量,判定土體及巖層的地質(zhì)賦存情況,為工程質(zhì)量控制提供依據(jù)。該方法在地質(zhì)勘查等領(lǐng)域已經(jīng)有較多應(yīng)用,取得了較好的應(yīng)用效果,但在水庫(kù)大壩的探傷中應(yīng)用較少,本文以高密度電阻率法在某應(yīng)急水庫(kù)探傷中的應(yīng)用為例,闡述該方法在水利工程中的實(shí)踐與應(yīng)用。

1 高密度電阻率法概述

1.1 基本原理

不同斷面的巖層或土體由于所受構(gòu)成元素以及存在狀態(tài)等的不同,表現(xiàn)出不同的電阻率數(shù)值,而高密度電阻率法即是利用不同的電阻率數(shù)值,通過將一根根接地電極將直流電導(dǎo)入至地下,從而建立穩(wěn)定的電流電場(chǎng),用以觀測(cè)某個(gè)物體與被測(cè)點(diǎn)在垂直方向或水平方向上的電阻率變化,進(jìn)而了解土體或巖層的分布特點(diǎn)級(jí)規(guī)律。該方法通過對(duì)被測(cè)斷面進(jìn)行高密度布點(diǎn),了解地下穩(wěn)定電流場(chǎng)的分布情況及規(guī)律,基于被測(cè)介質(zhì)的導(dǎo)電性差異從而對(duì)斷面進(jìn)行測(cè)量,該方法能清晰展示斷面構(gòu)造的水平及縱向變化,從而為探傷提供詳實(shí)的依據(jù)(見圖1)。

圖1 電阻率法圖示

電流測(cè)線方法簡(jiǎn)單,如圖二點(diǎn)一負(fù)一所示。A、B兩點(diǎn)為供電電極,M、N兩點(diǎn)則為測(cè)量電極,在AB供電點(diǎn)測(cè)量出供電電流I與MN之間的電位差V,電阻率按式(1)表示:

(1)

式中:ρ為巖層的電阻率,m;V為測(cè)量電極間的電位差,mV;I為供電回路的電流強(qiáng)度,mA;K為裝置系數(shù),其計(jì)算公式見式(2)。

(2)

1.2 高密度電法裝置

高密度電阻率法是一種陣列式的探測(cè)方法,在進(jìn)行作業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí),將幾十?dāng)?shù)百根電極均勻布置于被測(cè)斷面,通過控制電機(jī)控制器和工程電測(cè)儀對(duì)整個(gè)測(cè)試面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,得到測(cè)量視電阻率、正演視電阻率和反演視電阻率三種斷面圖[3]。最后,結(jié)合地勘等其他綜合物探資料進(jìn)行分析, 以判定壩體潛在的隱患。顯然,高密度電阻率探測(cè)方法的應(yīng)用和開發(fā),使得方法探測(cè)的自動(dòng)化水平大大提高[4]。

本次野外采集主要采用溫納裝置、偶極排列(beta)裝置,供電電壓為 288 V,電極距為 1 m,最大隔離系數(shù)為15 層。該裝置電極排列如圖2。

圖2 溫納裝置測(cè)量方式示意圖

該壩體的設(shè)計(jì)截面為倒梯形截面。在野外采集中,將AM=MN=NB設(shè)置成一個(gè)電極間隙,然后將A、B、M、N同時(shí)向右位移,就獲得了第一條剖面曲線;接下來再將AM、MN、NB增加一個(gè)電極間隙,同時(shí)將四點(diǎn)再次向右平移得到被測(cè)倒梯形斷面得到第二條剖面線。該裝置電極排列如圖3。

1.3 儀器設(shè)備

此次高密度電法檢測(cè)所采用的是由成都奔騰云南機(jī)械職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程專業(yè)研究所開發(fā)和制造的WGMD負(fù)九超大密度電法設(shè)備。本系統(tǒng)主要采用WDA-1、1A等超級(jí)數(shù)字直流電法儀作為測(cè)控主機(jī),既可以選用WDZJ-4多路高壓電極變流器、集中式最大壓力導(dǎo)線、電極,進(jìn)行集中式二維高密度電阻率測(cè)試;也可以選用分布式高密度電阻率的激電導(dǎo)線、電極,進(jìn)行分布式二、三維空間高密度電阻比測(cè)試、分布式二維高密度激電測(cè)試。

WDA-1、1A主機(jī)采用RS232串行口的WDZJ-4多路高壓電極變流器,并按照工作電極排列的規(guī)定將A、B、M、N極和電極1～60中的高壓電極進(jìn)行連接從而實(shí)現(xiàn)了配電和檢測(cè)功能,具體見圖4。

圖4 高密度電阻率檢測(cè)裝置野外安裝的情況示意圖

2 某應(yīng)急水庫(kù)中的檢測(cè)應(yīng)用

2.1 工程概況

某型應(yīng)急水電站建于一九九六年,正常庫(kù)容為60萬(wàn) m3,屬零點(diǎn)五地上型的避咸蓄淡重視程度水庫(kù),一般庫(kù)底高程2.0 m,最高蓄水位高程9.0 m,水庫(kù)壩頂防浪墻高程為10.03 m。水庫(kù)建成至今已近30 a,未對(duì)其運(yùn)行狀況進(jìn)行過檢查。本次采用高密度電法對(duì)水庫(kù)進(jìn)行堤身淘空、墊層散失及岸坡滲漏情況進(jìn)行堤身綜合檢測(cè)探查。

該應(yīng)急水庫(kù)原為通過抽取墅溝河水,間接取用長(zhǎng)江原水。2017年通過新建陳行原水入庫(kù)管至該應(yīng)急水庫(kù),使該應(yīng)急水庫(kù)常用原水水源由墅溝河水改為陳行原水,確保嘉定地區(qū)的自來水供水安全。新建該應(yīng)急水庫(kù)入庫(kù)管作為原水廠應(yīng)急水庫(kù)與陳行水庫(kù)之間的連通管,實(shí)現(xiàn)了原水廠應(yīng)急水庫(kù)與陳行水庫(kù)之間的聯(lián)動(dòng),在日常的原水供應(yīng)中,通過陳行水庫(kù)與原水廠應(yīng)急水庫(kù)之間的調(diào)配,原水廠應(yīng)急水庫(kù)作為應(yīng)急備用水庫(kù),可以大大提高嘉定區(qū)原水供應(yīng)的可靠性。

原水廠應(yīng)急水庫(kù)60萬(wàn) m3的庫(kù)容,可以成為陳行水庫(kù)的外延庫(kù)容,增加了陳行水庫(kù)避咸蓄淡的原水儲(chǔ)備能力,提高陳行原水系統(tǒng)的整體抗咸潮保證率。該應(yīng)急水庫(kù)堤身現(xiàn)狀如圖5所示。

本次檢測(cè)重點(diǎn)是通過有損檢測(cè)與無損監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方式檢測(cè)堤體的安全隱患程度和分布狀態(tài)。對(duì)堤體淺層的可能出現(xiàn)水質(zhì)安全隱患的地方進(jìn)行挖坑檢查。對(duì)堤身深層局部可能存在質(zhì)量安全隱患的部位,可采用高密度電阻率法、地質(zhì)雷達(dá)法、瑞雷面波法等地質(zhì)物探的方法進(jìn)行綜合檢測(cè)。本次計(jì)劃采用地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)大堤進(jìn)行全面掃描,在發(fā)現(xiàn)異常的區(qū)域采用高密度電法及瑞雷面波法進(jìn)行復(fù)查,判斷異常區(qū)域滲漏情況。此外,還需對(duì)運(yùn)行管理過程中發(fā)現(xiàn)的可疑區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)檢查。

2.2 數(shù)據(jù)收集

本次電法工作裝置類型均為溫納裝置,電極總數(shù)為60個(gè),電極間距為2 m。共布置3 條測(cè)線,其中,第1條測(cè)線位于北側(cè)堤身,第2條測(cè)線位于西側(cè)堤身,第3條測(cè)線位于東側(cè)堤身。各測(cè)線電阻率剖面圖見圖6～圖8。

圖6 北側(cè)江堤剖面圖

圖7 西側(cè)江堤剖面圖

圖8 東側(cè)江堤剖面圖

2.3 檢測(cè)成果

本次電法工作布置的三條測(cè)線各測(cè)線電阻率在剖面圖上分布較均勻,物性分層明顯,下部土體呈現(xiàn)高阻,土層密實(shí),未見較為明顯異常。其中測(cè)線1局部地表層電阻率相對(duì)較低,存在低阻體,建議加強(qiáng)觀察。

3 結(jié)語(yǔ)

高密度電阻率法探傷是無損檢測(cè)在水利工程中綜合運(yùn)用、發(fā)揮綜合效益的具體體現(xiàn),該類無損檢測(cè)方法具有工作效率高、收集信息直觀豐富、數(shù)據(jù)可靠詳實(shí)等特點(diǎn),大大提高了無損檢測(cè)的智慧化、自動(dòng)化水平,在基于“互聯(lián)網(wǎng)+智慧水利”的新業(yè)態(tài)發(fā)展下,水利工程質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)水平必將得以長(zhǎng)效的發(fā)展與提高。