綜合物探法在堤防滲漏檢測中的應用

劉金鵬,王志豪,湯克軒,張美多,劉康和

(中水北方勘測設計研究有限責任公司,天津市河西區洞庭路60號 300222)

滲漏是危害堤防安全最主要的原因之一,據國內統計,大約有58.9%的堤防安全事故是由于滲漏引起的[1]。及時發現可能的滲漏隱患,找到滲漏出入水口,查明滲漏通道,對于防范險情、避免潰堤、保障堤防平穩安全運行具有重要意義[2]。

堤防多用土石材料分層填筑,當存在滲漏或潛在隱患(缺陷),堤防內部的土體結構將變得松散或出現裂縫、孔洞等。常用的堤防滲漏物探檢測方法有充電法、流場法、自然電位法、高密度電法、瞬變電磁法、探地雷達法、瞬態瑞雷面波法等,每種方法都有自己的優勢及局限性。

物探方法檢測的物性參數是堤防內介質體的綜合反映,堤防的結構復雜、分布線路長、滲漏隱患復雜多變、數據采集過程存在干擾,這些導致了解釋成果存在多解性。使用單一的物探方法不能有效滿足高精度解釋的要求,可以針對檢測的滲漏目標,選擇多種物探方法,基于不同的地球物理場特征,綜合分析,相互驗證,從而提高解釋的準確性[3-5]。

文中介紹了常用堤防隱患物探檢測方法的基本原理及優缺點,結合工程實例闡述了充電法、流場法和高密度電法在堤防滲漏檢測中的綜合應用,證明了綜合物探法的有效性和可靠性。

1 方法原理

1.1 充電法

充電法以探測目標與圍巖之間的電性差異為基礎[6-7],當堤防存在滲漏隱患,其導電性小于圍巖導電性,將電源一極放置在探測目標,另一極放置在無窮遠處,這樣探測目標便可以視為一個近似等電位體,對探測目標進行供電,其電場分布與探測目標的空間分布、產狀、規模有關,這為查明滲漏點以及滲漏通道提供了理論依據。充電法一般不受地形地貌條件約束,但容易受到徑流影響。

1.2 流場法

由于電流場和水流場均滿足拉普拉斯方程,且具備相似的物理性質,何繼善院士提出了一種新的尋找滲漏入水口的方法——流場法[8-9]。自然界中,江、河、湖、庫中正常的水流分布通常具有規律性[10]。滲漏通道多為較破碎或者滲透率大的巖體,在水壓的作用下發生滲漏。若存在滲漏,滲漏通道內巖體孔隙中將充滿承壓水形成徑流現象,從而表現為低阻抗。當加載人工電流場,電流將主要通過這個低阻的電流通道傳導,即滲漏通道電流密度大于圍巖電流密度。流場法利用電流場異常的分布特征來推斷水流場的分布特征,可快速、準確圈定滲漏入水口。流場法僅適用于探滲漏入水口,無法查明其它滲漏隱患。

1.3 自然電位法

通常巖體表面的晶格會吸附陰離子,溶液中則含有陽離子,當堤防存在滲漏隱患,水在巖體中流動,陽離子被帶走,陰離子留在原地,于是,上游存在多余陰離子,下游存在多余陽離子,沿著水流方向形成了過濾電場。自然電位法通過觀測過濾電場電位的分布特征及變化規律來判斷滲漏通道及水流方向[11]。自然電位法基于天然場源,操作簡單,測點密度高,適用于過濾電場較穩定區域,而不適用散浸、絮流,滲流量小的隱患探測[1,12]。

1.4 高密度電法

高密度電法是集合了電剖面和電測深的一種陣列式電阻率測量方法,其原理是給供電電極AB供電,再測量電極MN電位差,計算視電阻率,通過視電阻率的變化來獲取地電信息[13-14]。如果堤防中存在滲漏通道或含水量較高,較圍巖而言,則一般表現為低阻特征,因此,可以利用這個特征來尋找滲漏通道或富水區的空間分布。數據采集時,一次性將全部的電極布置在一定間隔的測點上[15],通過微機工程來控制程控電極轉換開關實現數據快速自動采集[16]。一次布極即可完成數據橫向、縱向的采集,同時獲得水平、縱向上電阻率的變化特征,充分挖掘地下的地質信息,也便于最終成果的解釋與展示。高密度電法高效、快捷、直觀,但容易受到地形地貌條件的限制。

1.5 瞬變電磁法

瞬變電磁法通過不接地回線向地下介質發射一次脈沖磁場[17],磁場在傳播過程中激勵地下介質產生感應電流,在脈沖間歇期,感應電流發生衰減,產生一個電場傳至地表被接受線圈接收。當堤防存在滲漏隱患,其電導率增大,產生的二次場也更強,因此可以利用二次電場的分布特征反演地層電性結構,從而間接推斷滲漏隱患位置及其規模。瞬變電磁法對于低阻體敏感,探測深度大,深層的分辨率高,但易受電磁干擾,對淺層目標存在一定盲區。

1.6 探地雷達法

探地雷達利用發射天線將高頻電磁波以脈沖形式傳入地下介質,當遇到電性差異界面[18]發生反射,接收天線接收反射信號,通過分析反射信號的波形、振幅、頻率、旅行時等信息,推斷地下介質的結構特征。當堤防存在滲漏隱患,堤身含水率增大,介電常數增大,電導率增大,雷達波衰減明顯,波長增大,其雷達剖面表現為低頻高強反射,若同相軸錯斷則指示裂縫可能,若出現弧狀反射同時振幅、頻率變化則可能存在空洞。探地雷達采集快捷,工作效率高,淺層分辨率高,但受限于分辨率與探測深度的矛盾,不適合較大深度的探測,堤岸浸潤線以下分辨率降低,無法探測渠底接觸面的滲漏[2],且容易受金屬和人工磁場的干擾。

1.7 瞬態瑞雷面波法

瞬態瑞雷面波是在介質自由界面(地表)垂直向瞬態激振,產生沿介質自由表面傳播的彈性波[19],其質點的運動軌跡為一橢圓,振動方向垂直于傳播方向。它的能量沿深度方向快速衰減,半波長內衰減70%以上的能量,一個波長內衰減90%以上的能量。對于非均質介質,不同頻率成分波的傳播相速度不同(頻散),通過研究頻散曲線的特征[20],獲取速度信息,進而研究地下介質的分布特征。堤防存在滲漏隱患,表現為低速特征。瞬態瑞雷面波法的觀測受地下水位的影響小,探測深度大,但易受到震源的影響。

2 案例分析

2.1 工程簡介

南水北調中線天津干線工程全長153.8km,自河北省徐水縣西黑山村流出向天津供水,主要為明渠,梯形斷面,采用全斷面混凝土襯砌,自流輸水。某段渠道堤防右堤樁號77m處堤外觀測到滲漏點并存在水流,如圖1所示,此處的原始地貌為山間沖溝。根據觀測資料,36h內出水量未發生變化,水體清澈,期間經多次測量,滲漏量約為2L/min。

圖1 右堤樁號77m處堤外滲漏點示意圖Fig.1 Schematic diagram of leakage points outside the right levee at stake 77 m

根據已知的信息及地質條件,采用充電法、流場法、高密度電法來綜合分析堤防的滲漏隱患。

2.2 工作布置

在右堤滲漏出水點附近水面上布置充電法、流場法測線,以探測渠道內滲漏點位置;在右堤背水面外側坡腳布置高密度電法測線,以探測堤身內滲漏通道或薄弱環節,具體的測線布置如圖2所示。

圖2 不同物探方法測線布置圖Fig.2 Layout of survey lines with different geophysical methods

2.2.1 充電法

充電法以觀測到正常場為準,垂直渠道方向布設測線,測線間距2.5m,測點間距2.0m。共布設19條測線,編號為C01～C19,對應樁號范圍為60～105m。

在右堤堤外滲漏點處設置充電電極A,順渠道距離出水點一側上游200m河堤設置供電電極B(定義為供電的無窮遠極)。順渠道距離出水點下游170m河堤設置測量電極N(定義為測量的無窮遠極)。在渠道水面上測線測點位置使用測量電極M記錄充電電位值,發現異常之后加密測點,以確保準確的確定渠底滲漏水位置。

2.2.2 流場法

主要根據充電法測試異常情況布置測區,為了滿足探測滲漏范圍和工作精度的要求,該次探測采用2.5m×1.0m的測網布置測線,測線垂直渠道方向布置,在異常部位線距加密至1.0～1.5m,長測線L10～L28,加密短測線X29～X33,共布設24條測線,對應樁號范圍為50～95m。

由于滲水點部位主要位于右堤樁號77m處堤外,其它的部位暫未發現滲水區域,測量時供電電極一端布置在滲漏出水口處,另一端布置在渠道右側上游大約300m處,供電電流大于800mA。探頭放置于距渠底0.2～0.5m部位?？梢愿鶕惓Ｌ卣骷皽y試探頭不同入水深度觀測滲漏異常變化情況,及時對可疑點進行重復觀測。

2.2.3 高密度電法

沿右堤外側坡腳布置1條高密度電法測線,測線垂直于滲漏通道走向,滲漏通道基本位于測線的中間部位。測試采用80根電極,樁號范圍為2～160m。為了滿足探測深度和精度的要求,選用溫納裝置,極距為2.0m,電極隔離系數為13。

2.3 成果分析

2.3.1 充電法

由于供電點位于滲漏出水點上游,探測區域位于其下游,故下游電位值數據相較上游電位值數據逐漸減小。若渠道底板存在滲漏點,探測區域的電位分布將受到充電點電流影響,電位等值線產生畸變,集中滲漏點附近電位呈現高值異常,遠離集中滲漏點則表現為電位值變低,散狀分布滲漏點電位等值線會發生錯位、畸變等;反之,即與充電點不產生連通現象,電位等值線由上游至下游相對穩定逐漸遞減變化。

按D=1000×U/I計算測點的歸一化電位值。式中,D為歸一化電位值,V/A;U為觀測電位,mV;I為供電電流,mA。圖3為右堤滲漏點充電法探測成果圖,在滲漏水點樁號77m處的異常較小,在探測結果中不明顯,可能是受到水流速度影響;在樁號87m附近,電位等值線發生了畸變,存在一個異常區域,編號為Ⅱ#異常區。

圖3 堤防右堤滲漏點充電法探測成果圖Fig.3 Detection results of charging method for leakage point on the right levee

2.3.2 流場法

圖4為右堤滲漏點流場法探測成果圖,觀測區域內的背景電位梯度值約為0.15mV/m。根據理論分析、相關規程及該工程的實際情況,確定該次探測異常的定性標準為:實測電位梯度值大于背景正常場電位梯度值3～4倍為有效異常,大于背景正常場電位梯度值4倍為可靠異常。據此電位梯度值為0.45～0.60mV/m的觀測結果為有效異常,電位梯度值大于0.6mV/m的觀測結果則為可靠異常。結合現場調查結果,可以清晰的發現,渠內的2個滲漏異常區順渠向展布,滲漏區推斷為襯砌板密封條帶破損。

圖4 堤防右堤滲漏點流場法探測成果圖Fig.4 Detection results of flow field method for leakage point on the right levee

Ⅰ#異常區:此區域內電位梯度值為0.45～0.60mV/m,為背景電位梯度值的3～4倍,判定為有效異常。此滲漏區為順渠向,距右堤岸約8.5～10.5m,沿右堤的樁號為62～78m,位于水渠底板與右岸堤坡的交接處,范圍約16.0m(平行渠道)×2.0m(垂直渠道)。

Ⅱ#異常區:此區域內電位梯度值為0.60～1.00mV/m,異常的幅值明顯大于Ⅰ#異常區,判定為可靠異常。此滲漏區為順渠向,距右堤坡約3.0～5.0m,沿右堤樁號為85～90m,與充電法Ⅱ#異常區位置相對吻合,位于右堤岸邊坡上,范圍約5.0m(平行渠道)×2.0m(垂直渠道)。

2.3.3 高密度電法

圖5為堤防滲漏點右岸高密度電法測試成果圖。由圖5可知,堤身內存在4個低阻異常區域,電阻率值在30Ω·m以下,判定為含水率高的薄弱部位風險點,將其編號為R0～R3,其中R0中心位置對應的樁號為45m,深度約4.0m;R1中心位置對應的樁號為62m,深度約3.5m;R2中心位置對應的樁號為77m,深度約4.0m;R0、R1和R23個含水率高薄弱部位風險點推測與水渠內Ⅰ#和Ⅱ#2個滲漏異常區有關。薄弱部位R3中心位置對應的樁號為114m,位于樁號104～124m之間,深度8.0～12.0m,推測此處為堤身土體不密實導致含水量較高。

圖5 堤防滲漏點右岸高密度電法測試成果圖Fig.5 Detection results of high density resistivity method for leakage point on the right levee

2.3.4 綜合分析

圖6為右堤滲漏點綜合探測成果解釋圖,測線樁號77m處滲漏出水點附近的水渠內有Ⅰ#、Ⅱ#2個順河流向的條形滲漏異常區,推斷為襯砌板密封條帶破損。右堤下存在4個含水率高的薄弱部位風險點,其中R0、R1、R23個薄弱部位推測與水渠內Ⅰ#、Ⅱ#兩個滲漏異常區有關,R3薄弱部位推測為堤身土體不密實導致含水量較高。3種探測結果互為佐證、相互補充,探測成果可靠度較高。

圖6 堤防右堤滲漏點綜合探測成果解釋圖Fig.6 Comprehensive exploration results for leakage point on the right levee

3 結論

(1)充電法、流場法和高密度電法的綜合應用,有效查明了渠道內2處滲漏水點的位置與范圍,成功追索了堤身土體內4個滲漏通道或薄弱部位(含水率高)的空間分布位置及范圍,查清了堤防的滲漏隱患。

(2)針對高密度電法探測的右堤4個含水率高的薄弱部位,建議在堤防的外側安裝測壓管,實時觀測堤防后土體滲水情況,發現異常及時處理。針對探測出的渠內集中滲漏帶,建議根據堤防后測壓管觀測情況,加強現場的運行工作檢查,必要時開展進一步技術檢測,并適時的采取有效措施進行封堵,防止滲漏通道擴大而影響周邊填方土體的穩定性。

(3)由于堤防滲漏隱患類型多、成因復雜、分布范圍廣,各類方法具有一定的適用性,但也存在一定的局限性。對于不同的滲漏問題,可以針對其地質條件及滲漏地球物理場特征選用適合的綜合物探檢測方法,綜合分析,相互驗證,相互補充,保障探測的效率與精度,全方位多層次查明滲漏隱患,并為后續處理措施的制定提供技術支撐與指導,從而保證堤防平穩安全運行。