趙明階,張 堯,汪 魁,孫 笑

(重慶交通大學(xué)河海學(xué)院,重慶400074)

0 引 言

溫度監(jiān)測技術(shù)是通過觀測溫度分布及其變化來監(jiān)測堤壩與壩基滲漏情況,它的原理是因為地層溫度分布是有規(guī)律的,其上部易受氣溫的影響而出現(xiàn)波動,而下部則一般隨深度增加而溫度上升[1]。地下水的集中滲漏會對這種正常的溫度分布產(chǎn)生影響,使其溫度曲線發(fā)生異常變化,所以通過對地下水溫度場的研究可以得到地下水滲流場的有關(guān)信息。美國加利福尼亞Occidental大學(xué)地質(zhì)系的Joseph H.Birman等人從1958年開始研究利用這一技術(shù)勘探地下水,1965年Joseph H.Birman將這一技術(shù)用于水壩的漏水探查中,并申請了專利。美國墾務(wù)局也將這一技術(shù)成功地應(yīng)用于一些病險土石壩的治理。前蘇聯(lián)除將這種技術(shù)大量應(yīng)用于土石壩外,還將其擴展至混凝土壩,在施工期就埋設(shè)了大量基礎(chǔ)溫度計監(jiān)測帷幕檢查孔的水溫,在水庫蓄水后發(fā)現(xiàn)了地下集中滲漏通道。目前,國內(nèi)對通過溫度場監(jiān)測堤壩和壩基滲漏情況研究不多,陳建生[2]將地層中集中滲漏通道看作線熱源,利用線熱源法研究了堤壩集中滲漏通道;陳艷梅等[3]從理論上推導(dǎo)了大壩滲漏與溫度場相互影響的機理,陳亮[4],王新建[5]等通過理論推導(dǎo)和實驗結(jié)果相對比的方法表明了通過溫度場反推滲漏通道參數(shù)的方法是可行的。總之,通過監(jiān)測溫度場變化在一定程度上可以反映堤壩及壩基的滲漏問題,研究溫度場監(jiān)測技術(shù)具有一定的理論意義和工程實用價值。

高密度電阻率法是以地下被探測目標體與周圍介質(zhì)之間的電性差異為基礎(chǔ),人工建立地下穩(wěn)定直流電場,依據(jù)預(yù)先布置的若干道電極采用預(yù)定裝置排列形式進行掃描觀測,研究地下一定范圍內(nèi)大量豐富的空間電阻率變化,從而查明和研究有關(guān)地質(zhì)問題的一組直流電法勘探方法。高密度電法的勘探思想早在20世紀70年代末期就有人開始考慮實施,由英國Johansson博士首先提出,后來以英國學(xué)者所設(shè)計的電測深偏置系統(tǒng)為最初模式。1987年島裕雅等首次采用了“電阻率層析成像(Resistivity Tomography)”一詞,并提出了反演解釋的方法。電阻率成像技術(shù)在國內(nèi)外已被廣泛應(yīng)用,在堤壩隱患探測[6]、隧道開挖方案確定[7]、巖溶探測[8]、工程勘察[9]、地下探礦[10,11]、污染物侵蝕分布情況探測[12]、考古[13]等等各個領(lǐng)域應(yīng)用效果非常顯著。20世紀80年代以來,我國電法勘探發(fā)展也相當迅速,電法在方法理論和探測技術(shù)等方面都得到了很大的提高,取得了許多理論和應(yīng)用成果。

本文通過對3種不同類型的土石壩模型進行同位素示蹤和溫度場試驗以及電阻率成像試驗,把不同的反演結(jié)果同模型實際滲漏通道進行對比,對結(jié)果的精度進行評價,比較兩種方法各自的優(yōu)缺點,為實際土石壩滲漏隱患探測提供一定的參考。

1 土石壩滲漏模型設(shè)計

1.1 土石壩滲漏模型結(jié)構(gòu)

本文共設(shè)計土石壩模型3個,每個壩的尺寸大小一致,長3.62 m、高1.5 m、寬3.6 m,上下游坡率均為1∶1。如圖1所示。

圖1 土石壩模型平面圖(單位:cm)

3個模型壩的上游壩坡內(nèi)均預(yù)留了一個投源孔,方便投放示蹤劑,下游壩坡內(nèi)均預(yù)留了3個監(jiān)測孔,方便監(jiān)測下游示蹤劑濃度。投源孔和監(jiān)測孔的孔徑為5 cm,材料都為PVC管材,上面留有許多小孔方便水滲漏。

1號壩為均質(zhì)壩,無心墻,如圖2所示,壩體為20%土、30%砂和50%碎石復(fù)合材料填筑而成,采用打夯機均勻夯實,確保壩體均勻密實,壓實度在90%以上。

圖2 均質(zhì)壩模型圖(1-1斷面)(單位:cm)

2號壩為混凝土心墻壩,如圖3所示,壩體為15%土+30%砂+55%碎石復(fù)合材料填筑而成,采用打夯機均勻夯實,確保壩體均勻密實,壓實度在90%以上。

3號壩為土質(zhì)心墻壩,如圖4所示,心墻為20%礫石+80%粘土,心墻表面覆蓋一層15 cm厚的砂層,砂層為級配良好的30%粉砂+30%細砂+40%粗砂,壩坡為級配良好的100%碎石層。

圖3 混凝土心墻壩模型圖(2-2斷面)(單位:cm)

圖4 土質(zhì)心墻壩模型圖(3-3斷面圖)(單位:cm)

1.2 滲漏通道和溫度傳感器的設(shè)置

如圖5所示,壩1沒有預(yù)留強透水區(qū)域即滲漏通道,壩2和壩3均在壩心墻左側(cè)106 cm處預(yù)留3個滲漏通道,3個通道的高程分別為20 cm、60 cm、100 cm。

圖5 混凝土心墻、土質(zhì)心墻壩模型溫度傳感器與滲漏通道位置設(shè)置圖

每個壩體中都提前埋設(shè)了溫度傳感器,在壩體左側(cè)6 cm、96 cm、186 cm處分別從上至下埋設(shè)3個溫度傳感器,每個壩一共9個溫度傳感器。傳感器埋設(shè)的高程和滲漏通道高程相同分別為20 cm、60 cm、100 cm。

2 滲漏模型的溫度場試驗結(jié)果與分析

2.1 堤壩智能測滲系統(tǒng)

本試驗采用由河海大學(xué)研制的多路溫度數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)及溫度數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng),處理得到堤壩壩體的溫度場?；跍囟葓隼碚?結(jié)合實測的壩體溫度場,可以反演得到堤壩壩體的滲流場。

堤壩智能測滲系統(tǒng)中的多路溫度數(shù)據(jù)采集模塊,無需人為進行切換操作,只需在堤壩智能測滲軟件系統(tǒng)中設(shè)置相應(yīng)的采樣頻率,堤壩智能測滲系統(tǒng)即可智能化地得到由用戶設(shè)定的相應(yīng)時間間隔的壩體溫度數(shù)據(jù)。無需人為的過多參與測量過程,就相應(yīng)的避免了由于人為因素造成的測量誤差,也為堤壩智能測滲系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供了保障。

堤壩智能測滲系統(tǒng)所量測到的壩體溫度數(shù)據(jù),經(jīng)過堤壩智能測滲軟件系統(tǒng)的分析處理,可以得到3個壩體的溫度分布。堤壩智能測滲軟件系統(tǒng)對于溫度數(shù)據(jù)的分析處理不僅僅停留在數(shù)字化的溫度數(shù)據(jù)上,其更進一步地得到壩體溫度分布的圖形化信息,使得試驗者更為直觀的了解壩體的溫度分布,且可憑借壩體溫度分布的圖形化信息,初步了解壩體的滲流場。

2.2 溫度探測試驗結(jié)果與分析

利用壩體中預(yù)埋的溫度傳感器,監(jiān)測到在注溫水前后的溫度場分布。由于注水過程中注水的慣性,在壩前水庫中,高溫水大都集中于庫底。通過將注水前后的溫度值相減,得到在注溫水作用下的溫度場變化情況,如圖6所示。

圖6 注溫水后壩剖面溫度變化情況

從圖中可以看出,壩底部溫度升高最大,表層溫度基本保持不變。通過溫度場可以看出壩左側(cè)溫度變化更加明顯,說明壩體中流速更趨向于向左偏,這與流向探測的結(jié)果相一致。

3 土石壩模型的電阻率成像試驗結(jié)果與分析

3.1 電阻率成像試驗方法

本次試驗使用的設(shè)備為中地裝備集團重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DUK-2B型電法儀,該系統(tǒng)由DZD-6多功能直流電法儀和多路電極轉(zhuǎn)換器DUK-2共同組成。

測線1位于壩頂位置,如圖7所示。測線2位于下游壩坡,高程為1 m的位置,如圖8所示。每條測線的電極間距為10 cm,由于儀器的電極數(shù)量不夠,故每條測線分兩次測量,壩1和壩2聯(lián)合測1次,然后壩2和壩3聯(lián)合測1次。

圖7 剖面1電極布置圖

試驗基本步驟如下:

(1)在土石壩滲漏模型上用皮尺精確量取測線設(shè)計位置,然后用沖擊鉆打孔。

圖8 剖面2電極布置圖

(2)將皮尺固定在測線上,將每一根電極插入壩體上,使其與壩體接觸良好,間距為10 cm。

(3)將電極與導(dǎo)線連接起來,注意電極號與導(dǎo)線接頭一一對應(yīng),切勿交叉錯位。

(4)打開儀器,檢查電池電壓是否滿足測量要求;確定無誤后,將導(dǎo)線與測量儀連接起來。

(5)連接外接高壓電源,設(shè)置測量所需各個參數(shù)。

(6)對電極進行接地檢測,檢測與壩體接觸良好后,開始采集數(shù)據(jù)。

(7)調(diào)換采集模式分別進行數(shù)據(jù)采集;采集完畢后,收回儀器。

(8)將采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機存儲,待處理。

3.2 高密度電阻率成像試驗探測結(jié)果與分析

3.2.1 壩1、壩2聯(lián)合斷面1電阻率成像反演圖

圖9所示為壩1和壩2聯(lián)合斷面1電阻率反演圖,呈倒梯形分布。橫坐標表示測線水平距離,縱坐標表示滲漏模型的高程,圖顏色深淺表示視電阻率的大小。由該圖可以看出,圖像右側(cè)顏色明顯高于左側(cè),其主要原因為右側(cè)為壩2部分,左側(cè)為壩1部分,壩2混凝土心墻的電阻值明顯高于壩1均質(zhì)無心墻。圖中間顏色較深部分為壩間混凝土隔墻。壩1的右側(cè)靠近隔墻的部分明顯存在一個低阻異常區(qū)域,分析原因為壩體和混凝土隔墻接觸部位有明顯的滲漏現(xiàn)象,即為繞壩滲漏。壩2左側(cè)存在一個低阻異常區(qū)域2,這和模型壩2的預(yù)留滲漏通道位置相符合。

圖9 壩1、壩2聯(lián)合斷面1反演圖

3.2.2 壩1、壩2聯(lián)合斷面2電阻率成像反演圖

圖10所示為壩1和壩2聯(lián)合斷面2電阻率反演圖,呈倒梯形分布。橫坐標表示測線水平距離,縱坐標表示滲漏模型的高程,圖顏色深淺表示視電阻率的大小。由圖可以看出,圖中間顏色較深部分為壩間混凝土隔墻。壩1靠近壩間隔墻的部位均明顯存在低阻區(qū),分析可得壩1的繞壩滲漏現(xiàn)象比較嚴重,尤其是壩上部存在的低阻異常區(qū)域,可知在壩高80 cm處存在一個滲漏通道。右側(cè)壩2存在低阻異常區(qū)域2,這和壩2預(yù)留滲漏通道位置相吻合,分析為滲漏通道滲漏所致。

圖10 壩1、壩2聯(lián)合斷面2反演圖

3.2.3 壩2、壩3聯(lián)合斷面1電阻率成像反演圖

圖11所示為壩2和壩3聯(lián)合斷面1電阻率反演圖,呈倒梯形分布。橫坐標表示測線水平距離,縱坐標表示滲漏模型的高程,圖顏色深淺表示視電阻率的大小。由圖可以看出,圖像左側(cè)顏色明顯高于右側(cè),其主要原因為左側(cè)為壩2部分,右側(cè)為壩3部分,壩2混凝土心墻的電阻值明顯高于壩3土質(zhì)心墻。壩2右側(cè)靠近壩間隔墻部位依然存在低阻區(qū)域,分析同樣為繞壩滲漏,不過較壩3不甚嚴重。壩3右側(cè)靠近壩間隔墻部位同樣存在大片的低阻區(qū)域,分析同樣為繞壩滲漏,較為嚴重,并且壩頂存在一個低阻異常區(qū)域,主要原因依然為壩體和壩間隔墻的接觸部位發(fā)生滲漏現(xiàn)象。壩3左下部位存在一個明顯的低阻異常區(qū)域3,這和壩3的預(yù)留滲漏通道位置相吻合。

圖11 壩2壩3聯(lián)合斷面1反演圖

3.2.4 壩2、壩3聯(lián)合斷面2電阻率成像反演圖

圖12所示為壩2和壩3聯(lián)合斷面2電阻率反演圖,呈倒梯形分布。橫坐標表示測線水平距離,縱坐標表示滲漏模型的高程,圖顏色深淺表示視電阻率的大小。由圖可以看出,壩2左側(cè)下游壩坡靠近壩間隔墻位置存在一個低阻異常區(qū)1,分析為繞壩滲漏,且較為嚴重。而壩3的左側(cè)存在低阻異常區(qū)域3,其他部分阻值很大,這與壩3預(yù)留滲漏通道位置較相吻合。而壩3底面線以下存在明顯的低阻異常區(qū)2,分析為壩3存在明顯的壩基滲漏現(xiàn)象。

圖12 壩2壩3聯(lián)合斷面2反演圖

4 試驗結(jié)果對比分析

4.1 溫度場試驗結(jié)果分析

通過對3個不同類土石壩的對比試驗結(jié)果來看,溫度示蹤試驗還僅僅處于試驗階段,只能大致了解滲漏方向,要想能基本準確表示出滲漏通道的位置同時還要結(jié)合同位素示蹤試驗才能夠做到。由于本試驗的模型制作之前便將溫度傳感器提前埋設(shè)到指定位置,故試驗較為方便,但在實際應(yīng)用中溫度傳感器的埋設(shè)會比較麻煩,同時本試驗過程中向壩內(nèi)加入了熱水已達到使水溫改變的目的,實際應(yīng)用中是不可能達到的,只有對大壩進行長時間的監(jiān)測才能完成。

4.2 電阻率試驗結(jié)果分析

電阻率成像試驗?zāi)軌驕蚀_的表現(xiàn)出滲漏通道的位置,同時試驗結(jié)果非常直觀。但同時也存在缺點。電極的埋設(shè)間距大小會對實驗結(jié)果造成影響同時也影響監(jiān)測剖面的深度,本次試驗通過對偶極排列、微分排列、溫納排列3種電極排列方式結(jié)果的分析表明3種情況相差不大,其中溫納和微分均能夠反應(yīng)出滲漏通道的位置及滲漏范圍,溫納排列診斷效果最好,一次擬合方差最小。同時電阻率成像實驗屬于無損探測,無需對壩體造成損傷便可得出數(shù)據(jù),該試驗方法已經(jīng)在實際應(yīng)用中取得了良好的效果。

5 結(jié) 語

(1)溫度監(jiān)測的原理基于壩內(nèi)滲流的存在必將對熱環(huán)境產(chǎn)生明顯影響,因為水的熱傳導(dǎo)系數(shù)和比熱與巖土不同,巖土中如有滲水其熱學(xué)參數(shù)必然會改變。如果地下水不流動,這種影響一般很小,而流動的地下水會產(chǎn)生冷卻的效果,因此地溫相對低的部位有可能存在流動的地下水。通過試驗可得,定期測溫既可以監(jiān)測壩體滲流變化,又可以作為確定滲流區(qū)域的一種手段。該技術(shù)的主要缺點是:定點測量的溫度傳感器布設(shè)復(fù)雜,費時費力,并且受定點測量的限制,它實際是一種局部監(jiān)測方法,對數(shù)千里的堤壩進行快速探測一般不易實現(xiàn)。而便攜溫度測量儀器的穩(wěn)定性難以保證,常規(guī)溫度傳感器溫度漂移較大,而溫度受地質(zhì)條件的影響也很大,需要結(jié)合其它方法綜合分析探測結(jié)果。

(2)高密度電阻率法是以地下被探測目標體與周圍介質(zhì)之間的電性差異為基礎(chǔ),人工建立地下穩(wěn)定直流電場,研究地下一定范圍內(nèi)大量豐富的空間電阻率變化,從而查明地質(zhì)問題的一種方法。通過試驗可得,電阻率成像技術(shù)是最直觀有效的測滲方法,能夠直接探測出滲漏通道的位置及滲漏范圍。該技術(shù)的主要缺點是:電極的布置間距和采用不同的排列方式得到的效果相差較大。

(3)通過本次試驗的對比分析可得,在土石壩滲漏診斷方面電阻率成像方法明顯優(yōu)于示蹤法和溫度場法,電阻率成像法比示蹤法和溫度場法試驗過程更方便、精度更高。

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