張清明 徐帥 王銳 周楊

摘 要：堤壩涵管接觸沖刷破壞是堤壩工程最常見的險情之一，具有難以察覺、破壞突然和危害性大的特點，為實現(xiàn)堤壩涵管與土體結合部位的有效探測，研究采用時移3D高密度電法追蹤探測、判斷接觸滲漏。在探討時移3D高密度電法正演、反演理論和觀測裝置類型的基礎上，結合工程實際應用，開展了注水前后連續(xù)3D電阻率探測試驗，引入電阻率反射系數R，分析了注水前后不同時刻結合部位電阻率的變化規(guī)律。試驗結果表明，電阻率低阻異常響應與結合部位松散不密實區(qū)之間具有良好的對應關系，可實現(xiàn)對結合部位接觸滲漏的有效探測。

關鍵詞：堤壩涵管;時移3D高密度電法;接觸滲漏

中圖分類號：P631

文獻標志碼：A ?doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.12.027

引用格式：張清明，徐帥，王銳，等.基于時移3D高密度電法的堤壩涵管接觸滲漏探測研究[J].人民黃河，2021，43（12）：135-138.

Abstract： The contact erosion damage of dam culvert is one of the most common dangerous conditions in dam engineering， which has the characteristics of difficult to detect， sudden damage and great harm. In order to realize the effective detection of the joint part of dam culvert and soil， the time-lapse 3D high density resistivity method was used to detect and judge the contact leakage. Based on the discussion of forward modeling， inversion theory and observation device types of time-lapse 3D high-density resistivity method， combined with the practical application of engineering， the continuous 3D resistivity detection test before and after water injection was carried out， and the resistivity reflection coefficient R was introduced to analyze the development and change law of the resistivity change at the junction in different times before and after water injection. The test results show that there is a good corresponding relationship between the low-resistivity abnormal response and the loose and non-dense area of the joint， which can realize the effective detection of the contact leakage of the joint.

Key words： dam culvert pipe; time-lapse 3D high density resistivity method; contact leakage

1 前 言

堤壩涵管是堤防和土石壩工程常用的結構形式，堤壩涵管的管身埋設于堤壩內部，堤壩與涵管存在土-結構接觸面，貫穿上下游的接觸面一直是防滲的薄弱環(huán)節(jié)，具有難以察覺、破壞突然和危害大的特點，堤壩和涵管結合部位一旦發(fā)生滲流則易發(fā)生接觸沖刷破壞，不斷發(fā)展會形成貫穿性滲漏通道，嚴重時可造成堤壩潰決[1]。

為了有效探測堤壩涵管接觸滲漏，國內外專家學者開展了示蹤法、高密度電法等探測技術的研究。高密度電法因具有布設靈活、數據豐富、成果直觀等優(yōu)點而受到了廣泛關注，Bolève等[2]、Sjdahl等[3]、Lkard等[4]通過分析滲流通道與土石壩壩體電阻率的不同，研究了土石壩內異常滲流路徑的分布特性。目前高密度電法已經由2D單方向測量發(fā)展到3D多方向測量，張欣[5]采用理論分析、數值模擬、模型試驗和現(xiàn)場測試等方法研究了含隱患土石堤壩3D電場特征和電阻率成像識別方法，張汝凱等[6]利用3D高密度電法對堤壩裂縫隱患進行數字模型和物理模型試驗研究，分析了3D高密度電法探測堤壩裂縫分布范圍、位置的效果。堤壩涵管多采用混凝土、鋼筋混凝土結構或鋼管，混凝土、鋼筋混凝土結構主要表現(xiàn)為高阻異常，鋼管主要表現(xiàn)為低阻異常，3D高密度電法能有效提高探測效果，減弱旁側效應，但受地形、探測體埋深以及反演時阻尼因子的影響，反演成果可能存在多解性，并易形成“假異?！被蛉哂鄻嬙?，通過單次探測判斷堤壩涵管是否發(fā)生接觸沖刷破壞較為困難。時移3D高密度電法在保持電極位置固定，觀測系統(tǒng)、裝置類型一致的前提下，采集不同時刻的觀測數據，通過對多次觀測數據進行差值或百分比變化數據處理及反演，能有效識別、消除“假異?！被蛉哂鄻嬙?，捕捉電阻率異常的發(fā)展變化規(guī)律。

本文在剖析時移3D高密度電法正演、反演理論和觀測裝置類型的基礎上，結合工程實際應用，開展注水前后多次連續(xù)3D電阻率探測試驗，引入電阻率反射系數R，分析不同時刻堤壩涵管結合部位電阻率的差異，為接觸滲漏探測提供一種新的思路。

2 時移3D高密度電法

2.1 正演理論

高密度電法以巖、土介質導電性差異為基礎，通過觀測介質中人工建立的穩(wěn)定電流場的分布規(guī)律來探測地下介質差異[7]。在三維直角坐標系中，若場源A（x0，y0，z0）是供電電流強度為I的點電源，則其產生的電流場的電位分布滿足以下偏微分方程：

2.3 觀測裝置選擇

3D高密度電法的布極和測量方式與2D高密度電法相似，電極在觀測區(qū)域上呈S形網格節(jié)點狀分布，數據采集裝置包括二極（A-M）、偶極（AB-MN）、徑向偶極、三極（A-MN）、梯度陣列和混合偶極梯度陣列等[10]。二極裝置（A-M）產生的信號較強，但兩測量電極之間的距離過大，探測分辨率較低，難以保證探測精確度。偶極裝置采集的三維數據在反演過程中易產生較大的均方根誤差，探測分辨率不及二維偶極裝置，且在導電環(huán)境下數據覆蓋會受到影響。徑向偶極陣列A、B、M、N電極布置在三維矩形電極網格直線上，可在一條直線或橫跨四條直線上，數據覆蓋比偶極裝置少，但信號更強、探測分辨率更高。三極裝置（A-MN）綜合了二極裝置和偶極裝置的優(yōu)點，具有良好的信號強度和探測分辨率，但數據覆蓋有待加強。梯度陣列電位電極可布置在AB電極之間或AB電極之外，以獲得大量采集數據?；旌吓紭O梯度陣列綜合了徑向偶極和梯度陣列的優(yōu)點，A、B、M、N電極布置在三維矩形電極網格一條直線上，在采集數量、信號強度、探測分辨率上都有所提高。

3 涵管接觸滲漏探測試驗

長垣黃河大堤樁號40+500處1980年修建了瓦屋寨虹吸工程，原設計防洪水位為65.67 m，虹吸管內徑0.8 m，管底高程66.70 m，該虹吸管已超過使用年限，虹吸管銹蝕老化，設防水位低于2000年設防水位67.20 m，為堤防掛號險點。為探測瓦屋寨虹吸工程與堤身土體是否存在接觸沖刷破壞，在涵管與土體結合部位進行注水試驗，開展多次連續(xù)3D電阻率探測試驗，分析電阻率發(fā)展變化趨勢，判斷涵管壁與土體結合部位的接觸滲漏情況。

3.1 試驗設置

結合工程實際，選擇虹吸管所在背水側堤坡開展探測試驗，探測范圍以虹吸管為中心，向上、下游兩側展開，上緣位于堤坡高程66.70 m（同管底高程），下緣位于堤坡高程59.74 m。電極在探測區(qū)域呈S形網格節(jié)點狀布置，順堤X軸方向布置7列電極，垂直堤防Y軸方向布置12行電極，電極行、列間距均為2.0 m，共布置84個電極形成12.0 m×22.0 m的探測區(qū)域，觀測裝置布置采用混合偶極梯度陣列模式，見圖1。

開展注水前后3D電阻率探測試驗。第1次探測完成后，在虹吸管上方背水坡（高程63.54 m）鉆孔至結合部位，孔徑約20 cm，成孔后進行注水（食鹽水）試驗并確?？卓谒槐３植蛔?，開展第2、3次探測試驗，試驗過程見表1。

3.2 探測結果分析

采用混合偶極梯度陣列模式完成3次探測數據采集，利用EarthImagery3D反演軟件對數據進行反演處理，3次探測反演電阻率的靜態(tài)截面和動態(tài)截面見圖2～圖4?？梢钥闯?，虹吸管所在位置呈明顯的低阻異常，低阻異常區(qū)域沿Y軸方向連續(xù)分布，與工程實際情況相符。

為了分析注水前后涵管壁與土體結合部位電阻率的變化規(guī)律，引入電阻率反射系數R，繪制第1、2次探測3D反演電阻率R1值平面切片（沿Y軸方向），見圖5。SL1～SL5位置為虹吸管壁與土體結合部位，注水試驗開始后，距離注水孔最近的SL1位置電阻率減小明顯，R值最大達到60%，距離注水孔最遠的SL5位置電阻率變化不明顯，表明注水試驗開始后，電阻率低阻異常響應區(qū)域沿虹吸管方向（Y軸方向）持續(xù)擴散，電阻率呈現(xiàn)不斷降低的趨勢。

繪制第1、3次探測3D反演電阻率R2值平面切片（沿Y軸方向），見圖6。注水試驗開始6 h后，SL1～SL5位置電阻率R2值分別為90%、60%、30%、25%、12%，隨著時間推移，沿虹吸管方向電阻率均出現(xiàn)不同程度的降低，但電阻率低阻異常響應區(qū)域主要集中在虹吸管右側（以X軸原點端為左），表明虹吸管壁右側與周邊土體結合相對其他位置欠密實，易發(fā)生接觸沖刷破壞?，F(xiàn)場開挖試驗證明，虹吸管與堤身結合部位主要為粉土，結合部位右側存在不連續(xù)的松散不密實區(qū)及小的空洞，與探測結果一致。

4 結 語

時移3D高密度電法突破了一次探測的理論，開拓了從單一探測到追蹤探測、判斷接觸滲漏的新思路。本文在剖析時移3D高密度電法理論和觀測裝置類型的基礎上，結合工程實際應用，開展多次連續(xù)3D電阻率探測試驗，引入電阻率反射系數R分析電阻率的發(fā)展變化趨勢，得到以下結論：

（1）3D高密度電法網格節(jié)點式的布極、多方位測量方式可獲取大量數據，反演結果包含多層次、多方位地下電性結構參數信息，利用不同方向電阻率靜態(tài)截面、動態(tài)截面可直觀反映地下結構形態(tài)，在堤壩涵管接觸滲漏探測中具有很好的應用價值。

（2）涵管與土體結合部位電阻率在有水、無水條件下表現(xiàn)為高阻、低阻異常，兩者呈負相關特征，引入電阻率反射系數R，分析注水前后不同時刻結合部位電阻率的變化規(guī)律，電阻率低阻異常響應與結合部位松散不密實區(qū)之間具有良好的對應關系，可實現(xiàn)對結合部位接觸沖刷破壞的有效探測。

（3）時移3D高密度電法在工程領域的研究還處于起步階段，本次研究以實體模型試驗為主，后續(xù)可通過模擬布設不同堤防類型、不同涵管構件、不同接觸沖刷破壞模式的探測條件，進一步開展數值和模型試驗研究，提高時移3D高密度電法反演的定量解釋水平。

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【責任編輯 張華巖】