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        堤壩隱患無(wú)損探測(cè)研究應(yīng)用進(jìn)展

        2013-08-15 00:47:52張輝楊天春
        大壩與安全 2013年1期
        關(guān)鍵詞:堤壩物探電阻率

        張輝,楊天春

        (湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南湘潭411201)

        0 引言

        我國(guó)江河堤防約26萬(wàn)km,水庫(kù)8萬(wàn)多座,這些堤防大多是在歷史遺留的民堤基礎(chǔ)上逐步加高培厚而成,堤基沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理,堤身填土未進(jìn)行有效的碾壓、夯實(shí),加上白蟻、獾等動(dòng)物的破壞,堤壩存在一些隱患。一旦發(fā)生洪水,當(dāng)大堤堤身含有細(xì)顆粒且顆粒為均勻松散的非粘性土層時(shí),在長(zhǎng)期高水位浸泡作用下,其土層會(huì)變成飽和土,此時(shí)極易產(chǎn)生滲漏、管涌、塌陷等險(xiǎn)情[1],給國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。因此,堤壩隱患探測(cè)越來(lái)越受到人們的重視。

        堤壩隱患探測(cè)過(guò)去主要采用地質(zhì)鉆探、人工探視等方法,但這些方法對(duì)堤壩本身有破壞性和局限性,且費(fèi)時(shí)費(fèi)力又難于發(fā)現(xiàn)隱患,不具有快捷、精細(xì)、準(zhǔn)確和無(wú)破損等要求,無(wú)法全面推廣應(yīng)用。近幾年來(lái),我國(guó)堤壩隱患探測(cè)技術(shù)更多地傾向于研究無(wú)破損的地球物理探測(cè)技術(shù)。

        20世紀(jì)90年代以前,地球物理探測(cè)堤壩隱患及滲漏的研究工作一直沒(méi)間斷,取得了一些成果。江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院原子能研究所、河海大學(xué)自1991年至今,進(jìn)行了大量堤壩滲漏探測(cè)的試驗(yàn)研究和生產(chǎn)實(shí)踐,所完成的“壩基滲流場(chǎng)探測(cè)中多含水層穩(wěn)定流混合井流理論與綜合示蹤法研究”項(xiàng)目于1996年獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng);1992年,由黃河水利委員會(huì)物探總隊(duì)承擔(dān)的“堤防隱患探測(cè)技術(shù)研究”列入國(guó)家“八五”重點(diǎn)科技攻關(guān)課題,經(jīng)過(guò)3年努力,取得突破性成果。

        20世紀(jì)90年代之后,隨著我國(guó)對(duì)堤壩工程的日益重視,堤壩隱患及滲漏探測(cè)技術(shù)的研究工作得到較大進(jìn)展。特別是1998年特大洪水過(guò)后,地球物理勘探技術(shù)成為堤壩隱患快速無(wú)損探測(cè)的首選方法。山東黃河河務(wù)局研制的ZDT-1型智能堤壩隱患探測(cè)儀,1998年用于湖南、九江等地堤防隱患汛期探測(cè)取得成效,曾受到有關(guān)防汛部門的嘉獎(jiǎng);1999年國(guó)家防汛抗旱總指揮部辦公室組織有關(guān)部門在湖南益陽(yáng)堤壩隱患探測(cè)試驗(yàn)場(chǎng)對(duì)多種檢測(cè)方法、探測(cè)儀器進(jìn)行測(cè)評(píng);1999年11月,水利部重大科技項(xiàng)目“堤防隱患和險(xiǎn)情探測(cè)儀器開發(fā)”正式啟動(dòng);2000年8月,國(guó)家防汛抗旱總指揮部辦公室與水利部一起,組織有關(guān)部門對(duì)國(guó)內(nèi)外的探測(cè)儀器設(shè)備在北京大興永定河一段廢堤上進(jìn)行了模擬隱患比測(cè)工作;2000年9月,國(guó)家防汛抗旱總指揮部辦公室等單位在鄭州召開了“全國(guó)堤壩隱患及滲漏探測(cè)技術(shù)研討會(huì)”。2001年9月9-11日,國(guó)家防汛抗旱總指揮部辦公室、中國(guó)地球物理學(xué)會(huì)勘探地球物理委員會(huì)、水利水電工程物探科技信息網(wǎng)、黃委會(huì)勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院在河南鄭州召開了“全國(guó)堤壩隱患及滲漏探測(cè)學(xué)術(shù)研討會(huì)”,全國(guó)各地從事物探工作的專家、代表就堤壩隱患和滲漏探測(cè)中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、存在問(wèn)題、探測(cè)方法及發(fā)展方向進(jìn)行了研討和學(xué)術(shù)交流。2002年,國(guó)家防汛抗旱總指揮部辦公室主持并組織有關(guān)單位開始編制《堤防隱患探測(cè)技術(shù)規(guī)程》,規(guī)范了我國(guó)的堤防隱患探測(cè)工作。

        上述一系列研究和實(shí)踐工作,有力地推動(dòng)了我國(guó)堤壩隱患探測(cè)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展。

        1 各種無(wú)損探測(cè)技術(shù)在堤壩隱患探測(cè)中的應(yīng)用

        堤壩隱患是影響堤壩安全的關(guān)鍵因素,當(dāng)?shù)虊翁幱诟吆樗粫r(shí),堤壩隱患將可能導(dǎo)致潰堤垮壩。因此,開展堤壩隱患探測(cè),既開拓了地球物理勘探應(yīng)用的新領(lǐng)域,也為堤壩隱患的治理提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。隱患探測(cè)的首要任務(wù)是確定堤壩隱患存在的位置、規(guī)模、形態(tài),分析形成隱患的原因,以便針對(duì)性地采取有效的治理方法和技術(shù)。利用地球物理方法查明堤壩隱患是較為有效的方法之一,從該技術(shù)近幾年的發(fā)展看,主要應(yīng)用電法、電磁法、流場(chǎng)法、彈性波法和放射性法等物探方法。

        1.1 常規(guī)電法

        常規(guī)電法主要指自然電場(chǎng)法、電阻率法、高密度電法、激發(fā)極化法、充電法等方法。一般來(lái)說(shuō),大多數(shù)堤壩都是由填筑土層構(gòu)成的均質(zhì)壩體,其介質(zhì)的導(dǎo)電性較均勻。但堤壩大多經(jīng)分層填筑而成,正常情況下,其導(dǎo)電性能的差異也是呈層狀分布的。如果堤壩中某處存在滲漏隱患,滲漏水流會(huì)逐步帶走滲漏通道中較細(xì)的土壤顆粒,從而導(dǎo)致隱患處介質(zhì)的含水率增高,介質(zhì)的導(dǎo)電性能變好,堤壩隱患與周圍介質(zhì)之間存在明顯導(dǎo)電性能差異,使該部位電性差異呈層狀分布規(guī)律遭受破壞,這就是采用電阻率法探測(cè)堤壩隱患的地球物理前提。

        中南大學(xué)陳紹求等曾于2000年前后利用電阻率法對(duì)各類堤壩隱患進(jìn)行探測(cè),采用反射系數(shù)K法對(duì)結(jié)果進(jìn)行解釋,提高了電阻率法對(duì)隱患的分辨能力。2003年,呂玉增、阮百堯通過(guò)分析常見堤壩滲漏模型,用三維有限元法對(duì)堤壩滲漏模型進(jìn)行電阻率成像法模擬,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行解釋,取得了較好效果[2]。2004年,浙江大學(xué)的王振宇、劉國(guó)華等利用電阻率層析成像的方法對(duì)水庫(kù)大壩隱患進(jìn)行探測(cè),并采用基于點(diǎn)源二維電場(chǎng)理論的有限單元法對(duì)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行反演解釋,得到了一些有益的結(jié)論。

        高密度電阻率法是20世紀(jì)80年代由日本地質(zhì)株式會(huì)社提出的,其基本原理與傳統(tǒng)的直流電阻率法完全相同,所不同的是它在觀測(cè)中設(shè)置了較高密度的測(cè)點(diǎn),以電極轉(zhuǎn)換開關(guān)控制多根電極,可一次性完成縱、橫二維勘探過(guò)程,它是電剖面法和電測(cè)深法的結(jié)合。

        由于高密度電阻率法具有成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn),該方法近幾年在堤壩隱患探測(cè)中應(yīng)用較多。如中科院的底青云教授曾將高密度直流電阻率法用于珠海某防波堤的堤防隱患探測(cè);青島海洋大學(xué)的郭秀軍等通過(guò)分布式高密度電測(cè)系統(tǒng)在天津某水庫(kù)大壩和北京市某池塘大堤上的實(shí)踐應(yīng)用,說(shuō)明該系統(tǒng)在堤壩裂縫、堤壩內(nèi)埋設(shè)物探測(cè)中所取得的良好效果;2001年,中國(guó)地質(zhì)大學(xué)的王傳雷等采用高密度電阻率法通過(guò)定點(diǎn)重復(fù)觀測(cè)來(lái)研究不同水位下堤壩隱患電阻率圖像的動(dòng)態(tài)變化,并在武漢長(zhǎng)江大堤上進(jìn)行了實(shí)測(cè)對(duì)比工作[3];2008年,成都理工大學(xué)的肖宏躍等將高密度電阻率法延時(shí)性勘探用于堤壩的滲漏探測(cè)中,研究在汛期隨時(shí)間的延長(zhǎng)滲漏通道周圍電阻率的變化情況,由此檢測(cè)堤壩滲漏通道大小變化情況[4]。此外,中南大學(xué)的湯井田等采用有限元模擬的方法,對(duì)堤壩滲漏開展了高密度電阻率法成像方面的理論研究。

        自然電場(chǎng)法通過(guò)研究自然電場(chǎng)的分布規(guī)律來(lái)解決地質(zhì)問(wèn)題。當(dāng)?shù)虊沃写嬖诩袧B漏隱患時(shí),水溶液會(huì)在松散層或巖層孔隙、裂隙中流動(dòng),在滲透過(guò)濾、擴(kuò)散吸附和氧化還原等作用下,隱患位置附近會(huì)產(chǎn)生自然電位異常,由此可分析確定滲漏隱患的位置。筆者曾于2000年采用該方法對(duì)湖南慈利縣江埡電站大壩的滲漏問(wèn)題進(jìn)行過(guò)實(shí)地探測(cè)。2005年,山東水利科學(xué)研究院的鄭燦堂根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試資料,較為系統(tǒng)地歸納總結(jié)了自然電場(chǎng)法檢測(cè)土壩滲漏隱患的一些可貴經(jīng)驗(yàn)成果,他將集中滲流在自然電位曲線上的反映歸納為五種基本異常形態(tài),并以此來(lái)推斷集中滲漏帶的寬度、埋深、走向和滲流的時(shí)空動(dòng)態(tài)等特征[5]。2008年,山東黃河河務(wù)局的劉建偉等將自然電位法應(yīng)用于長(zhǎng)江大堤和江西九江高泉水庫(kù)大壩的滲漏探測(cè)[6]。

        盡管直流電阻率法已廣泛運(yùn)用于堤壩隱患探測(cè)的實(shí)踐中,但其探測(cè)隱患的縱向分辨率問(wèn)題一直未得到很好解決,儀器所能探測(cè)的極限埋深和裂縫寬度難以定量[7]。如高密度電阻率法對(duì)淺部缺陷比較敏感,但隨著深度的增加,其縱向分辨率急劇降低;根據(jù)電法勘探理論,其探測(cè)目標(biāo)體的洞徑與埋深之比的極限為1∶10左右。激電法還可利用極化率的大小,但管涌滲漏通道中水所引起的極化率一般較小,很難測(cè)得非常明顯的異常,因此在實(shí)踐中應(yīng)用該參數(shù)進(jìn)行解釋分析的例子比較少。自然電位法是根據(jù)滲漏部位越大、電位越低的特點(diǎn)來(lái)確定滲漏的位置、埋深及流向,所以該方法對(duì)散浸或滲漏量較小的隱患反映不明顯;此外,由于天然場(chǎng)較弱,很容易受周圍環(huán)境的干擾。

        1.2 電磁法

        應(yīng)用于堤壩隱患探測(cè)的電磁法主要包括瞬變電磁法、探地雷達(dá)法、頻率域電磁法、甚低頻電磁法等方法。瞬變電磁法是基于電磁感應(yīng)原理,即以介質(zhì)的電(磁)性差異為基礎(chǔ),通過(guò)不接地回線或接地電極向地下發(fā)射垂直方向的一次脈沖磁場(chǎng),使地下低阻介質(zhì)產(chǎn)生感應(yīng)渦流,進(jìn)而產(chǎn)生二次磁場(chǎng),觀測(cè)并研究該磁場(chǎng)的時(shí)空分布特征,以探查地下介質(zhì)的性質(zhì)及分布特征。

        中國(guó)水利水電科學(xué)院房純剛教授等于1998年將瞬變電磁法(TEM)方法應(yīng)用于土壩、堤防滲漏隱患探測(cè)中,并研制成功SDC-1型堤壩滲漏探測(cè)儀;同時(shí),還采用從國(guó)外引進(jìn)的頻率域電磁法儀器EM34-3型大地電導(dǎo)率儀和SDC-1型堤壩滲漏探測(cè)儀對(duì)大壩和堤防等開展了現(xiàn)場(chǎng)滲漏隱患探測(cè)和管涌通道定位探測(cè)[7]。2003年,中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所的劉廣明、楊勁松、李冬順等采用EM31和EM38大地電導(dǎo)儀對(duì)江蘇省新、老海堤的隱患進(jìn)行探測(cè),確定了海堤內(nèi)孔洞或質(zhì)地相對(duì)疏散的危害位置,但該儀器設(shè)備探測(cè)深度有限,單次探測(cè)的最大有效深度為6 m[8]。

        總體上看,瞬變電磁法比較適用于堤壩中深部隱患探測(cè),探測(cè)深度可達(dá)數(shù)十米,但它對(duì)淺部不均勻體反映不夠明顯。而大地電導(dǎo)率儀的優(yōu)點(diǎn)是可直接讀取大地視電導(dǎo)率,再根據(jù)電導(dǎo)率大小判斷堤段填料的密實(shí)情況、是否容易產(chǎn)生大面積散浸,其缺點(diǎn)是沿深度方向分辨率較低,只能探測(cè)幾種不同深度大地的視電導(dǎo)率,因而難以發(fā)現(xiàn)堤身內(nèi)埋深較淺、體積較小的異常體。

        地質(zhì)雷達(dá)基本原理是基于高頻電磁波理論,高頻電磁波(主頻10~2.5×103MHz)以寬頻帶短脈沖形式由地面通過(guò)發(fā)射天線送入地下,經(jīng)地下地層或目標(biāo)體反射后返回地面,為另一接收天線R所接收。根據(jù)接收波的旅行時(shí)間、反射電磁波強(qiáng)度與波形變化情況,可推斷介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

        作為一種新的淺層物探方法,地質(zhì)雷達(dá)已被廣泛應(yīng)用于堤壩隱患探測(cè)中。如吳相安等于1997年就研究了探地雷達(dá)探測(cè)堤壩隱患的可行性。2000年,中國(guó)地質(zhì)大學(xué)的曾校豐教授等舉例證明了探地雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于水庫(kù)壩體結(jié)構(gòu)層檢測(cè)的問(wèn)題,說(shuō)明當(dāng)采集和處理參數(shù)選取合理、探測(cè)目標(biāo)空間位置和尺度大小與探地雷達(dá)信號(hào)的頻率與強(qiáng)度匹配適當(dāng)時(shí),就能取得較好的探測(cè)效果;同年,鄧世坤探討了探地雷達(dá)技術(shù)在攔洪閘閘底板現(xiàn)狀探測(cè)、海濱防浪堤隱患探測(cè)和江堤滑塌成因探測(cè)中的應(yīng)用效果[9]。2001年,吉林大學(xué)的薛建等將SIR-2型地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用于黑龍江甘南某大型水庫(kù)的壩體散浸探測(cè)以及吉林省輝南縣某水庫(kù)的滲漏通道檢測(cè)[10]。2001年,武漢大學(xué)光電信息工程學(xué)院研制出“雙頻多普勒相控陣地質(zhì)雷達(dá)”,該設(shè)備克服了常規(guī)地質(zhì)雷達(dá)電磁波能量分散、探測(cè)深度淺、分辨率低等弱點(diǎn),提高了探地雷達(dá)的探測(cè)深度,同時(shí)為地表以下20 m內(nèi)蟻穴、鼠洞、管涌等的探測(cè)提高了精度。此外,浙江水利研究院的葛雙成、南京水利科學(xué)研究院的何開勝等也應(yīng)用探地雷達(dá)開展過(guò)滲漏病害和管涌隱患探測(cè)[11]。

        地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用的物性基礎(chǔ)是介質(zhì)之間介電常數(shù)的差異,由于水的相對(duì)介電常數(shù)是81,因此它對(duì)含水量少、埋藏較淺的隱患才有較好的探測(cè)效果;同時(shí),如果堤壩的滲漏隱患位于浸潤(rùn)面以下,由于雷達(dá)波的衰減非常大,此時(shí)隱患就很難被探測(cè)到。水利工程中存在的隱患種類很多,探地雷達(dá)技術(shù)由于受探測(cè)深度和分辨率這一矛盾的制約,過(guò)分夸大其作用是不合理的。

        1.3 地震勘探

        利用堤壩隱患與周圍介質(zhì)之間的波速或波阻抗差異,可采用縱波、橫波技術(shù)或面波勘探方法開展堤壩隱患探測(cè)。

        黃河水利委員會(huì)物探總隊(duì)曾將瞬態(tài)瑞雷波法應(yīng)用于黃河大堤老口門堤段隱患探測(cè),探測(cè)結(jié)果表明,當(dāng)深度小于30 m時(shí),頻散曲線與介質(zhì)彈性界面有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,可直接推斷界面位置,且可據(jù)異常幅值判斷軟弱層的強(qiáng)度特性和范圍。在陜西渭北某水庫(kù)左壩肩滲漏探測(cè)、紅石峽水庫(kù)壩基和壩體質(zhì)量檢測(cè)、陜西滴水巖水庫(kù)壩體滲漏探測(cè)中,瑞雷波法都起到了較好的效果。另外,陜西水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院的任健于2003年將瞬態(tài)面波剖面法技術(shù)應(yīng)用于病險(xiǎn)水庫(kù)探查中,通過(guò)實(shí)踐應(yīng)用可知,該方法在病險(xiǎn)庫(kù)勘探中能較好地探測(cè)壩體沉陷變形和軟弱夾層等工程地質(zhì)問(wèn)題;浙江省水利河口研究院曾將SWS21G工程勘探與檢測(cè)系統(tǒng)較好地應(yīng)用于黃巖長(zhǎng)潭水庫(kù)壩體隱患調(diào)查、玉環(huán)里墩水庫(kù)壩基處理效果檢測(cè)、東苕溪防洪工程西險(xiǎn)大塘加固工程套井回填質(zhì)量檢測(cè)以及椒江外沙海塘和溫嶺東浦新塘探測(cè)[12]。上海市地質(zhì)調(diào)查研究院也曾運(yùn)用面波法勘探對(duì)土壩管涵、土洞、白蟻巢穴、土體疏松帶等水庫(kù)大壩隱患進(jìn)行探測(cè),并取得了一定的應(yīng)用效果[13]。

        水利工程堤壩滲水通道一般為細(xì)長(zhǎng)的通道或裂隙等,其斷面尺寸一般較小,地震反射法和折射波法難以有效分辨,因此目前的應(yīng)用主要以面波法為主。

        1.4 示蹤法

        由于某些管涌的埋深較大,采用地質(zhì)雷達(dá)、地震勘探、電法等物探手段進(jìn)行無(wú)損探測(cè)受到有效探測(cè)深度和探測(cè)分辨率的影響,難以達(dá)到探測(cè)的目的。在某些情況下,示蹤方法是較為理想的探測(cè)方法之一。

        同位素示蹤法就是利用放射性同位素作標(biāo)記物,根據(jù)放射性同位素在地下水中的遷移變化來(lái)研究地下水滲流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的方法,包括單孔稀釋法、單孔和多孔示蹤法,一般要求滲漏流速大于10-6m/s。利用環(huán)境同位素探測(cè)堤防滲漏是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種探測(cè)手段,因?yàn)楹铀?、地下水都?lái)自大氣降水,它們受大氣降水的稀有同位素的高程效應(yīng)、緯度效應(yīng)、陸地效應(yīng)、季節(jié)效應(yīng)等因素的影響,不同來(lái)源的水體呈現(xiàn)不同的同位素特征,因此可根據(jù)水體的同位素特征判斷其來(lái)源。該方法可通過(guò)天然示蹤方法測(cè)出地下水中的放射性強(qiáng)度、電導(dǎo)率、pH值等參數(shù),然后利用同位素示蹤單孔稀釋法測(cè)定各地層滲透流速,利用單孔同位素示蹤測(cè)定水平流向、利用同位素多孔示蹤測(cè)定注水和不注水條件下的垂向流,進(jìn)而確定堤壩管涌及管涌區(qū)的滲透性。此外,還可利用溫度場(chǎng)探測(cè)堤壩滲漏,它是物探技術(shù)檢測(cè)堤壩安全的發(fā)展和延伸,一般把這種方法歸為天然示蹤法的一種。該方法是通過(guò)測(cè)量水面溫度差、地層溫度特性等,確定水下滲漏點(diǎn)出口與滲流通道。

        在示蹤法探測(cè)堤壩隱患滲漏方面,國(guó)內(nèi)主要以河海大學(xué)陳建生教授及其指導(dǎo)的學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)在此方面做了比較多的工作。他們不僅研究了堤防管涌產(chǎn)生集中滲漏通道的原理,還做過(guò)大量的實(shí)踐工作,如1999年在夏季和冬季兩種不同水位條件情況下對(duì)龍羊峽大壩進(jìn)行同位素綜合示蹤探測(cè),此后還先后對(duì)北江大堤石角段堤壩、南水北調(diào)京杭大運(yùn)河堤防、小浪底水庫(kù)左壩肩、江都高水河船廠段堤防、劉家峽水電站壩體、廣東北江大堤某堤段以及深基坑開挖的滲漏問(wèn)題進(jìn)行過(guò)探測(cè)[14-18]。另外,他們還建立了示蹤模型,開展理論研究,并將模型用于生產(chǎn)實(shí)踐[19,20]。

        此外,2000年,李端有等探討了溫度示蹤法監(jiān)測(cè)長(zhǎng)江堤防滲流問(wèn)題;2007年,付兵等將同位素示蹤技術(shù)應(yīng)用于洪澤湖大地滲漏檢測(cè),并將檢測(cè)結(jié)果與DB-3Ⅰ型堤壩管涌滲漏檢測(cè)儀的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

        1.5 流場(chǎng)法

        治理水患、防洪減災(zāi)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占有舉足輕重的地位。1998年我國(guó)長(zhǎng)江流域和松花江流域遭受百年不遇的特大洪水,造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1666億元。為此,何繼善院士首次提出了適合在汛期快速探測(cè)堤壩滲漏險(xiǎn)情和滲漏、管涌進(jìn)水口的“流場(chǎng)法”[21],并研制出了世界上第一臺(tái)能在汛期探測(cè)堤壩滲漏及管涌的專用查漏儀器。

        一般情況下,水流的正常分布有其自身規(guī)律,在無(wú)滲漏情況下,流場(chǎng)為正常場(chǎng);一旦出現(xiàn)管涌、滲漏,就會(huì)出現(xiàn)從迎水面向背水面的滲漏通道,同時(shí)在堤壩的滲漏管涌入水口會(huì)產(chǎn)生微弱的水流場(chǎng),但這種水流場(chǎng)在汛期很難用儀器直接測(cè)量出來(lái),只能采用間接的方法進(jìn)行測(cè)量。事實(shí)上,水流場(chǎng)和電流場(chǎng)的控制方程都為拉普拉斯方程,具有相同的數(shù)學(xué)形態(tài),流場(chǎng)法正是基于以上物理事實(shí),利用水流場(chǎng)與電流場(chǎng)在一定條件下數(shù)學(xué)物理上的相似性,通過(guò)研究“偽隨機(jī)”電流場(chǎng)與滲漏水流場(chǎng)之間的內(nèi)在聯(lián)系,建立電流場(chǎng)和異常水流場(chǎng)之間的時(shí)空分布規(guī)律,從而通過(guò)測(cè)定電流場(chǎng)來(lái)確定滲漏水流場(chǎng)。

        自何院士發(fā)明堤壩管涌滲漏檢測(cè)儀后,該設(shè)備在全國(guó)各地得到了普遍應(yīng)用,并取得了非常好的實(shí)踐效果。如黃委會(huì)基本建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心于2001年應(yīng)用DB-3普及型堤壩管涌滲漏檢測(cè)儀在東平湖水庫(kù)和小浪底水庫(kù)進(jìn)行試驗(yàn)探測(cè);陳斌等在洪澤湖大堤上進(jìn)行了滲漏檢測(cè),同時(shí)將DB-3的檢測(cè)結(jié)果與“同位素示蹤法”進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明運(yùn)用管涌滲漏檢測(cè)儀探測(cè)管涌滲漏具有經(jīng)濟(jì)、快速和操作方便的優(yōu)勢(shì)[22];戴前偉等運(yùn)用偽隨機(jī)流場(chǎng)法在四川銅街子大壩進(jìn)行探測(cè),其探測(cè)結(jié)果比傳統(tǒng)波速測(cè)井、鉆孔電視以及壓水試驗(yàn)等方法的結(jié)果更精確,為堤壩探測(cè)提供了更多的有效信息[23]。

        2004年前后,劉文偉等運(yùn)用管涌探測(cè)儀在洪澤湖大堤、江西新余市石牛灘水庫(kù)開展管涌滲漏探測(cè)實(shí)踐;2005年,鄒聲杰等開展了流場(chǎng)法的物理模擬實(shí)驗(yàn)和汛期的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐[24]。2006年,董延朋等將DB-3檢測(cè)儀應(yīng)用于山東沂源縣蘆芽水庫(kù)、郭家上峪水庫(kù)管涌滲漏探測(cè);易三莉、陳一平等就DB-3管涌滲漏檢測(cè)儀在縮微環(huán)境中進(jìn)行仿真建模,對(duì)該儀器進(jìn)行性能仿真測(cè)試方法研究,以便為該儀器在生產(chǎn)過(guò)程中的綜合性能和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制訂提供理論依據(jù)。2007年,董延朋等應(yīng)用DB-3檢測(cè)儀對(duì)山東新泰市的黃花嶺水庫(kù)滲漏問(wèn)題進(jìn)行探查[25]。2008年,四川省汶川縣地震造成多座水庫(kù)出險(xiǎn),湖南繼善高科技有限公司應(yīng)用堤壩管涌滲漏檢測(cè)儀為災(zāi)區(qū)水庫(kù)查險(xiǎn)排險(xiǎn)。目前,管涌探測(cè)儀已在水電部門得到普遍應(yīng)用。

        2 綜合物探方法的應(yīng)用

        物探方法可用于堤壩隱患的探測(cè)、確定堤壩結(jié)構(gòu)及隱患性質(zhì)與分布情況,但每種物探方法都有其應(yīng)用前提和局限性,僅以某一種參數(shù)作為解釋依據(jù)會(huì)產(chǎn)生多解性。所以,實(shí)踐應(yīng)用中一般針對(duì)可能的隱患性質(zhì)及分布特點(diǎn),選用合適的探測(cè)方法及其組合進(jìn)行綜合探測(cè)與分析,以提高信號(hào)采集和處理解釋水平。近年來(lái),流場(chǎng)法在我國(guó)抗洪搶險(xiǎn)中發(fā)揮了重要作用,它可非常準(zhǔn)確地找到滲漏的入水口,但無(wú)法確定滲漏水通道在壩身的具體位置。

        在實(shí)踐中,采用綜合物探方法探測(cè)堤壩隱患的實(shí)例很多。如1999年,奚家鑒等人采用高密度電阻率、探地雷達(dá)、瞬態(tài)瑞利波和自然電場(chǎng)等方法對(duì)廣西恭城縣藍(lán)洞水庫(kù)均質(zhì)大壩的散滲等病險(xiǎn)進(jìn)行綜合勘探,查明了水庫(kù)病險(xiǎn)的水源流向,為評(píng)估壩體的穩(wěn)定性和加固處理設(shè)計(jì)提供依據(jù);王傳雷等在一個(gè)多次投入單一物探方法探測(cè)堤內(nèi)管涌隱患未見成效的工區(qū),經(jīng)過(guò)認(rèn)真踏勘和細(xì)致調(diào)查之后,選擇了綜合物探方法(包括充電法、自然電場(chǎng)法、地下管道探測(cè)、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)等),其工作成果指導(dǎo)用于隱患治理方案的選擇,治理后的堤壩經(jīng)受住了后期特大洪水的考驗(yàn);周治績(jī)等采用α杯和電測(cè)深方法對(duì)廣西大王灘水庫(kù)六、七副壩的壩基滲漏位置進(jìn)行探測(cè),查明了堤壩壩基漏水部位和管涌通道,劃定了含水層和非含水層分布情況。

        2000年,張琦偉等采用自然電場(chǎng)法、高密度電法、超聲波法對(duì)內(nèi)蒙古巴盟總干渠分水樞紐滲漏隱患問(wèn)題進(jìn)行探測(cè),取得了比較好的應(yīng)用效果。2002年,戴呈祥運(yùn)用淺層高分辨率地震勘探、自然電法對(duì)廣東新躍進(jìn)水庫(kù)大壩、長(zhǎng)嶺皮水庫(kù)大壩的滲水通道進(jìn)行探測(cè),查清了通道的具體位置。

        2004年,陳潔金、朱自強(qiáng)等采用綜合地球物理方法對(duì)??谑心炒髩芜M(jìn)行了滲漏隱患探測(cè),查明了大壩的滲漏部位。2006年,王延剛等采用探地雷達(dá)和高密度電阻率法對(duì)黑龍江延壽縣的新城水庫(kù)壩體滲漏進(jìn)行探測(cè),指明了滲漏通道的實(shí)際位置。2006年左右,葛雙成等將高密度電阻率法、探地雷達(dá)法、瑞雷波法等方法綜合運(yùn)用于堤壩滲漏原因探測(cè)[26]。石明、馮德山等采用探地雷達(dá)、高密度電法、地震勘探等綜合物探方法對(duì)大源渡堤防質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè),查明堤防隱患的分布位置與埋深[27]。2008年,鞠海燕等選用高密度電法和探地雷達(dá)對(duì)江西某礦山堤壩滲漏隱患進(jìn)行探測(cè),查明了大壩滲漏的主要原因[28]。

        綜合物探方法可從不同的角度提取地質(zhì)信息,便于解譯成果的相互印證,提高解釋成果的精度和可靠性。

        3 結(jié)語(yǔ)

        隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,地球物理方法及其儀器設(shè)備都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步和發(fā)展,堤壩隱患無(wú)損探測(cè)的技術(shù)水平不斷提高。但各種無(wú)損探測(cè)方法都有其自身的應(yīng)用前提和局限性,在實(shí)際應(yīng)用中,目前大多數(shù)方法都只是將儀器現(xiàn)代化,方法本身并沒(méi)有創(chuàng)新,所以在堤壩隱患探測(cè)中采用單一的方法有時(shí)很難取得較好的效果。因此,在今后的應(yīng)用中,科技人員應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)介質(zhì)物理性質(zhì)與地球物理特征,選擇合理的組合方法。

        流場(chǎng)法是一種在方法和儀器上具有創(chuàng)新性的方法技術(shù),近年來(lái)已在我國(guó)抗洪搶險(xiǎn)中發(fā)揮了重要作用,但要確定滲漏水通道在壩身的具體位置,還得采用其它物探方法或者發(fā)明新的地球物理方法技術(shù)?!?/p>

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