[美國(guó)] .科夫德 等

英國(guó)巴特利大壩滲流應(yīng)對(duì)措施研究

[美國(guó)]V.科夫德 等

Willowstick方法論，由磁電阻率法發(fā)展而來(lái)，能快速識(shí)別地圖與模型優(yōu)先滲流路徑。以英國(guó)巴特利大壩為例，利用該方法在大壩的上下游均布置電極。上游電極布置在水庫(kù)中，下游電極通常布置在滲流區(qū)，利用測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演算，以此預(yù)測(cè)電流通過(guò)地下研究區(qū)的三維分布狀況，以追蹤到優(yōu)先的滲流路徑，并對(duì)具體的滲流問(wèn)題作出合理解釋。對(duì)研究方法及案例的研究過(guò)程進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。

大壩滲流；滲流處理；巴特利大壩；英國(guó)

1 概 述

Willowstick方法論，由愛(ài)德華茲(Edwards)和納博特(Nabighian)的磁電阻率法發(fā)展而來(lái)，是專(zhuān)門(mén)為優(yōu)先選擇滲流路徑和最高傳輸率的區(qū)域而設(shè)計(jì)。這是一種能快速識(shí)別地圖和模型優(yōu)先滲流路徑的方法,就像血管造影一樣，能使醫(yī)務(wù)人員“看見(jiàn)”人體內(nèi)血液流動(dòng)的路徑。該方法能夠快速地作出2D或3D滲流路徑地圖和模型。

通過(guò)建立一個(gè)在地下水中具有鮮明標(biāo)識(shí)的電路追蹤，就能使該方法得以運(yùn)用；通過(guò)測(cè)量標(biāo)識(shí)過(guò)的磁場(chǎng)，揭示地下電流的分布和流動(dòng)情況。處理所測(cè)得的數(shù)據(jù)并將其與來(lái)自一個(gè)理論上均勻的地球模型而預(yù)測(cè)的磁場(chǎng)相對(duì)比，突出“均勻”模型的偏差。最后生成二維圖形和三維模型，并結(jié)合利用其他一些水文數(shù)據(jù)，即可提供清晰的優(yōu)先滲流路徑。

2 研究方法

研究一座滲漏的大壩，是利用布置在大壩上、下游的電極來(lái)進(jìn)行的。在上游，通常會(huì)將電極布置在水庫(kù)中，而在下游，電極則通常被布置在滲流區(qū)、觀測(cè)井以及滲流采集系統(tǒng)，比如壩趾排水層，以便于監(jiān)測(cè)到水流滲入壩體。將連接電極的線路布置在研究區(qū)周?chē)囊粋€(gè)大型回路中,以使線路中電流流動(dòng)所產(chǎn)生的互相干擾最小。

由于磁場(chǎng)的測(cè)量值只能在地球表面獲得，這對(duì)于確定優(yōu)先電流深度測(cè)量來(lái)說(shuō)是一種挑戰(zhàn)。因此,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演算(通過(guò)數(shù)學(xué)模型)，來(lái)預(yù)測(cè)電流在通過(guò)地下研究區(qū)的三維中的分布情況。反演算模型也被稱(chēng)為電流分布(ECD)模型。

3 巴特利大壩案例研究

在案例中，有2條優(yōu)先滲流路徑。塞溫特倫特自來(lái)水(SevernTrentWater)公司在滲漏區(qū)域內(nèi)或其附近鉆了4個(gè)孔,依次為BH1、BH2、BH3和BH4。在BH1、BH2和BH4孔中深度大約為20m處，鉆井液消失在厚6m的裂縫性砂巖層中。鉆井液在下游排水系統(tǒng)中出現(xiàn)的時(shí)間約為10min。但是在BH3孔中，鉆井液并沒(méi)有消失，這是由鉆孔鉆取距離可以說(shuō)明的滲漏路徑最遠(yuǎn)的地方。對(duì)業(yè)主來(lái)說(shuō)，下游鉆井液的出現(xiàn)使他們堅(jiān)信自己的研究結(jié)果。就大多數(shù)土石壩而言，較成功地設(shè)計(jì)是，所用的填筑材料能防止?jié)B流路徑的發(fā)展。然而，由于裂縫、斷層、風(fēng)化層以及其他滲透性區(qū)在施工過(guò)程中不易顯現(xiàn)，因此要預(yù)測(cè)基礎(chǔ)滲流就會(huì)相當(dāng)困難。

在這個(gè)例子中，在沒(méi)有開(kāi)展地球物理勘探的情況下，不可能對(duì)大壩下的優(yōu)先滲流路徑進(jìn)行比較全面的描述。

該方法在許多方面不同于傳統(tǒng)的電阻率和其他的電磁(EM)方法。首先，它利用水的含量是提高地下土壤和巖石電導(dǎo)率的主要因素。其次，直接激勵(lì)一個(gè)地下導(dǎo)電介質(zhì)，電流可以更有效地"照亮"影響較少的上覆土料的負(fù)擔(dān)。該方法測(cè)量是利用由電流追蹤模式所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，這樣有助于表征優(yōu)先的地下路徑；因此，它不需要像傳統(tǒng)的電阻率一般直接接觸或電偶測(cè)量 。因?yàn)樵摲椒ㄊ窃诘皖l率下操作，測(cè)量導(dǎo)體直接通電即可產(chǎn)生磁場(chǎng)，對(duì)于用其來(lái)描述地下標(biāo)志性水深具有潛力。

像EM和電阻率法一樣，該方法更強(qiáng)調(diào)導(dǎo)電和電阻區(qū)，以及其在最佳環(huán)境下的水飽和程度變化(在干區(qū)和高度飽和區(qū)之間)中所起的作用。

然而，該方法同樣也適用于一個(gè)完全飽和的環(huán)境。當(dāng)電傳導(dǎo)主要發(fā)生在一個(gè)開(kāi)放的孔隙飽和矩陣中時(shí)，電氣和液壓電導(dǎo)率之間存在著正關(guān)聯(lián)，即水力傳導(dǎo)率在高電導(dǎo)率區(qū)可以得到追蹤。當(dāng)電傳導(dǎo)主要發(fā)生在孔的表面，比如在潮濕的粘土中，正相關(guān)就可能消失，事實(shí)上可以成為一種負(fù)相關(guān)。

在每一種環(huán)境中，該方法可提供突出的、變化顯著的有效孔隙度邊緣區(qū)域一些有價(jià)值的信息，從而揭示該區(qū)域是地下優(yōu)先流動(dòng)與不流動(dòng)的地方。

為了更好地說(shuō)明這一點(diǎn)，可以考慮以河流中一塊巨石周?chē)乃鳛槔＜词咕奘旧聿荒苤苯颖挥^察到，但它周?chē)鞯哪Ｊ胶头较蛉匀荒軌蛘宫F(xiàn)它的形狀和位置。

一個(gè)體積的電流密度可以用許多相同的方式表現(xiàn)。如果認(rèn)為情況相反，在由一個(gè)較大的導(dǎo)電體來(lái)吸引電流流過(guò)其本身時(shí)，模擬的會(huì)更像是深層排水的急流，這樣才會(huì)將水流的流向引向自己。從水流表面的異常梯度就會(huì)發(fā)現(xiàn)滲漏的位置，就像是一個(gè)導(dǎo)電體電流密度的增加會(huì)顯示它的位置一樣。

4 結(jié) 論

針對(duì)Willowstick研究方法，塞溫特倫特自來(lái)水公司大壩和水庫(kù)運(yùn)營(yíng)負(fù)責(zé)人伊恩·霍普(IanHope)表示，巴特利水庫(kù)下面出現(xiàn)滲漏的時(shí)間很長(zhǎng)，應(yīng)當(dāng)試圖找到其滲漏路徑以設(shè)法減少滲漏或者止住滲漏。對(duì)此，曾經(jīng)委托專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查，并通過(guò)采用阿特金斯(Atkins)一種Willowstick研究方法，確定了可能會(huì)有2條滲流路徑的精確位置。經(jīng)過(guò)專(zhuān)家對(duì)檢測(cè)方案的審議和批準(zhǔn)，依據(jù)鉆取4個(gè)孔進(jìn)行研究的結(jié)果，來(lái)檢驗(yàn)滲流路徑的位置，并在試驗(yàn)壓力灌漿之后立即鉆井。

事實(shí)證明,通過(guò)Willowstick研究，可以非常準(zhǔn)確地追蹤到滲流路徑，因而完全可以將該方法推薦到類(lèi)似的應(yīng)用領(lǐng)域。

總之，該方法結(jié)合其他樣品或者測(cè)試數(shù)據(jù)的正確應(yīng)用，通常會(huì)獲得更好的成本效益，而且能夠精確地表征滲流。該方法被視為一種可以開(kāi)展探索性工作的手段，比如鉆井作業(yè)，并可以對(duì)具體的滲流問(wèn)題作出合理解釋。

(黃麗瑾 許 俊 編譯)

2015-01-07

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