董冰霜

（遼寧省凌源市水務(wù)局，遼寧凌源122500）

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基于地下磁流體探測(cè)的壩堤滲漏研究

董冰霜

（遼寧省凌源市水務(wù)局，遼寧凌源122500）

摘要：水庫(kù)蓄水后，由于水位上升、流速加快、不良地質(zhì)條件等原因，很可能導(dǎo)致壩堤滲漏。壩堤滲漏是水庫(kù)常見(jiàn)病害之一，其是多種水庫(kù)安全事故的誘因。由于壩堤地質(zhì)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，測(cè)量難度較大，傳統(tǒng)測(cè)量方法并不能體現(xiàn)出滲漏特點(diǎn)，因此提出一種基于地下磁流體的滲漏探測(cè)方法。基于達(dá)西定律建立了壩堤滲漏三維模型，研究地下磁流體探測(cè)原理，并應(yīng)用該方法對(duì)菩薩廟水庫(kù)壩堤滲漏進(jìn)行探測(cè)，希望為今后壩堤滲漏測(cè)量研究提供參考。關(guān)鍵詞：水庫(kù)；壩堤；滲漏；測(cè)量

水位上升、流速加快、不良地質(zhì)條件等原因，很可能導(dǎo)致壩堤滲漏。由于壩堤地質(zhì)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，測(cè)量難度較大，堤坡陡峭，具有較大的安全隱患。1990年以來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者致力于壩堤滲漏測(cè)量研究，并提出了一些測(cè)量方法，如：流場(chǎng)模擬法、淺層地震法、同位素測(cè)量法、電阻法、電磁法等［1-3］。由于傳統(tǒng)測(cè)量方法并不能體現(xiàn)出滲漏特點(diǎn)，因此提出一種基于地下磁流體的滲漏探測(cè)方法。

地下磁流體探測(cè)法是一種基于天然電磁場(chǎng)的壩堤滲漏測(cè)量方法，地下特征以電磁波的形式傳輸?shù)降乇?，通過(guò)測(cè)量電磁場(chǎng)特征就可導(dǎo)出地下斷面的電性差異，從而確定滲漏帶的位置［4］。其測(cè)量原理見(jiàn)圖1。地下磁流體探測(cè)法具有效率高、測(cè)量速度快、準(zhǔn)確度高、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。研究表明，壩堤滲漏的性質(zhì)屬于地下水，具有良好的導(dǎo)電性，滲流不斷切割磁感線就會(huì)產(chǎn)生電壓并生成感應(yīng)磁場(chǎng)［5］。感應(yīng)磁場(chǎng)與地磁場(chǎng)間存在耦合，因此地下水特征可以通過(guò)地磁場(chǎng)傳輸?shù)降乇恚灰獙?duì)電磁信號(hào)進(jìn)行分析就會(huì)得出壩堤滲流分布。

圖1　地下磁流體探測(cè)原理

1　壩堤滲漏三維模型

壩堤滲漏量計(jì)算應(yīng)該在科學(xué)的理論分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行，根據(jù)滲漏形式劃分土體的滲透結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)分區(qū)，確定模型的邊界條件［4-6］。壩堤滲漏量計(jì)算可通過(guò)理論解析法和數(shù)值模擬法得到，數(shù)值計(jì)算一般基于均值松散滲漏量計(jì)算公式。對(duì)于單一水層，壩基滲漏量為：

對(duì)于雙層含水層，壩基滲漏量為：

對(duì)于多層含水層，壩基滲漏量為：

其中：K1為第1層含水層滲透系數(shù)；K2為第2層含水層滲透系數(shù)；Kv為垂直滲透系數(shù)；Kcp為含水層平均滲透系數(shù)；2b為壩基寬度；M1為第1層含水層的厚度；M2為第2層含水層的厚度；H為大壩的高層差。

將達(dá)西定律擴(kuò)展到三維，將其寫(xiě)成微分的形式，則3個(gè)方向速度的微分方程為：由于滲流屬于各項(xiàng)異性介質(zhì)，其3個(gè)方向的滲透系數(shù)不同，滲透系數(shù)K為2階張量，將χ，y，z方向的滲透系數(shù)取Kχχ、Kyy、Kzz。根據(jù)質(zhì)量守恒方程，在三維流場(chǎng)中選取一個(gè)平行六面體微元，其三個(gè)邊長(zhǎng)為△χ、△y、△z，水流密度為ρ。將滲流運(yùn)動(dòng)方程、連續(xù)性方程、達(dá)西定律相結(jié)合，得出滲流運(yùn)動(dòng)的微分方程：

其中：△t為單位時(shí)間；φ為孔隙度。

由于地下水是不斷運(yùn)動(dòng)的，穩(wěn)定流動(dòng)一般不存在，上述微分方程僅能表示滲流的一般運(yùn)動(dòng)規(guī)律，不存在唯一解。為了求出滲流量，還需要設(shè)定相應(yīng)的邊界條件和初始條件。

2　地下磁流體探測(cè)原理

水庫(kù)中的地下水系統(tǒng)一般都在地磁場(chǎng)的范圍之內(nèi)，水流經(jīng)過(guò)巖石、溶洞就會(huì)切割磁感線，根據(jù)Faraday感應(yīng)定律，此處應(yīng)該形成感應(yīng)磁場(chǎng)，見(jiàn)圖2。地下磁流體探測(cè)法是一種基于天然電磁場(chǎng)的壩堤滲漏測(cè)量方法，地下特征以電磁波的形式傳輸?shù)降乇?，通過(guò)測(cè)量電磁場(chǎng)特征就可導(dǎo)出地下斷面的電性差異，從而確定滲漏帶的位置。地下磁流體探測(cè)法可以精準(zhǔn)的確定壩堤附近水流狀態(tài)、地層結(jié)構(gòu)、裂縫情況等。

圖2　感應(yīng)電磁場(chǎng)形成過(guò)程

這種探測(cè)技術(shù)在三維測(cè)量的基礎(chǔ)上增加了時(shí)間因素，因此其為一種四維測(cè)量方法。研究表明，電磁波的速度與探測(cè)頻率、地質(zhì)構(gòu)造、裂縫信息等因素有關(guān)。根據(jù)磁通量的計(jì)算式，磁感強(qiáng)度B可以看做常數(shù)，K也是固定的，儲(chǔ)水層直徑D通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式獲得，由此得出儲(chǔ)水量積分方程：

其中：e為最終測(cè)量的電位；T為測(cè)量周期。

由圖1可知，測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)地表探針接受電磁信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)裝置從電磁信號(hào)中獲得特征信息，經(jīng)過(guò)傳輸電纜將特征信息傳輸?shù)教幚砥鳎密浖?duì)信息進(jìn)行處理分析得出滲漏測(cè)量結(jié)果。

3　菩薩廟水庫(kù)滲漏探測(cè)

菩薩廟水庫(kù)位于遼寧省凌源市西大川河上，該水庫(kù)地理位置為東經(jīng)119°29＇，北緯41°04＇。水庫(kù)以防洪、農(nóng)業(yè)灌溉功能為主，兼顧養(yǎng)魚(yú)、發(fā)電等。該地區(qū)屬低山丘陵區(qū)，庫(kù)區(qū)由低山丘陵環(huán)繞，地勢(shì)較開(kāi)闊，壩址處河谷變窄。水庫(kù)大壩兩端均為巖質(zhì)低山，巖石裸露，植被較少，壩址區(qū)與庫(kù)區(qū)地形起伏較大，地面高程382.90～421.36m。自1958年運(yùn)營(yíng)至今，曾經(jīng)對(duì)該水庫(kù)壩堤進(jìn)行2次改造。但由于工程本身質(zhì)量較差。壩堤仍存在多條裂縫，安全隱患較大。該大壩類型為粘土斜墻壩，壩前淤積高程達(dá)392m。

針對(duì)菩薩廟水庫(kù)存在的壩堤滲漏情況，采用地下磁流體法進(jìn)行探測(cè)，測(cè)量中共采集了3組數(shù)據(jù)，本文僅對(duì)1組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。本次測(cè)量布置了A1 ～A8、B1～B8共計(jì)16根探針，其中的A1到B3共計(jì)11根探針布置在壩堤上，其余布置在入壩公路上。相鄰探針的距離為10m，測(cè)量深度12m到80m不等。利用軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出該水庫(kù)的四維測(cè)量剖面圖，見(jiàn)圖3。

分析結(jié)果表明，在測(cè)量區(qū)域內(nèi)，A6和A7探針?biāo)幍?0～60m深度內(nèi)、B4和B5探針?biāo)幍?2～30m深度內(nèi)的電位較低；16m深度B2到B6探針間存在壩堤裂縫；24m深度B3針到B4探針間存在地下水動(dòng)態(tài)信息3.65Hz；28m深度B4到B5探針間存在地下水動(dòng)態(tài)信息3.19Hz；68m深度處存在多個(gè)裂縫。由探測(cè)結(jié)果可知，菩薩廟水庫(kù)巖溶裂隙存在發(fā)育，表層風(fēng)化層具有良好的透水性，72m深度B2到B3探針間存在一個(gè)流量較大的徑流，此外巖溶裂隙水的源頭。

4　結(jié)論

圖3　水庫(kù)四維測(cè)量剖面圖

壩堤滲漏是水庫(kù)的主要病害之一，由于其測(cè)量難度較大，現(xiàn)有的測(cè)量方法還不能準(zhǔn)確的得出滲流量，因此提出一種基于地下磁流體的滲漏探測(cè)方法。地下磁流體測(cè)量法可以獲得滲漏的動(dòng)態(tài)情況，并能測(cè)量出地下滲漏通道、裂縫的分布?；谶_(dá)西定律建立了壩堤滲漏三維模型，并推導(dǎo)出了滲流運(yùn)動(dòng)的微分方程。隨后研究了地下磁流體探測(cè)原理，推導(dǎo)出了儲(chǔ)水量積分方程。并應(yīng)用地下磁流體法對(duì)菩薩廟水庫(kù)壩堤滲漏進(jìn)行探測(cè)，得出：菩薩廟水庫(kù)淺層風(fēng)化層具有良好的透水性，72m深度B2探針到B3探針間存在一個(gè)流量較大的徑流。

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作者簡(jiǎn)介：董冰霜（1978年—），男，工程師。

收稿日期：2015-02-28

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.03.016

中圖分類號(hào)：TV223.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-2469（2016）03-0041-03