基于温度场和电阻率成像的土石坝渗漏诊断试验研究

赵明阶,张 尧,汪 魁,孙 笑

(重庆交通大学河海学院,重庆400074)

0 引 言

温度监测技术是通过观测温度分布及其变化来监测堤坝与坝基渗漏情况,它的原理是因为地层温度分布是有规律的,其上部易受气温的影响而出现波动,而下部则一般随深度增加而温度上升[1]。地下水的集中渗漏会对这种正常的温度分布产生影响,使其温度曲线发生异常变化,所以通过对地下水温度场的研究可以得到地下水渗流场的有关信息。美国加利福尼亚Occidental大学地质系的Joseph H.Birman等人从1958年开始研究利用这一技术勘探地下水,1965年Joseph H.Birman将这一技术用于水坝的漏水探查中,并申请了专利。美国垦务局也将这一技术成功地应用于一些病险土石坝的治理。前苏联除将这种技术大量应用于土石坝外,还将其扩展至混凝土坝,在施工期就埋设了大量基础温度计监测帷幕检查孔的水温,在水库蓄水后发现了地下集中渗漏通道。目前,国内对通过温度场监测堤坝和坝基渗漏情况研究不多,陈建生[2]将地层中集中渗漏通道看作线热源,利用线热源法研究了堤坝集中渗漏通道;陈艳梅等[3]从理论上推导了大坝渗漏与温度场相互影响的机理,陈亮[4],王新建[5]等通过理论推导和实验结果相对比的方法表明了通过温度场反推渗漏通道参数的方法是可行的。总之,通过监测温度场变化在一定程度上可以反映堤坝及坝基的渗漏问题,研究温度场监测技术具有一定的理论意义和工程实用价值。

高密度电阻率法是以地下被探测目标体与周围介质之间的电性差异为基础,人工建立地下稳定直流电场,依据预先布置的若干道电极采用预定装置排列形式进行扫描观测,研究地下一定范围内大量丰富的空间电阻率变化,从而查明和研究有关地质问题的一组直流电法勘探方法。高密度电法的勘探思想早在20世纪70年代末期就有人开始考虑实施,由英国Johansson博士首先提出,后来以英国学者所设计的电测深偏置系统为最初模式。1987年岛裕雅等首次采用了“电阻率层析成像(Resistivity Tomography)”一词,并提出了反演解释的方法。电阻率成像技术在国内外已被广泛应用,在堤坝隐患探测[6]、隧道开挖方案确定[7]、岩溶探测[8]、工程勘察[9]、地下探矿[10,11]、污染物侵蚀分布情况探测[12]、考古[13]等等各个领域应用效果非常显著。20世纪80年代以来,我国电法勘探发展也相当迅速,电法在方法理论和探测技术等方面都得到了很大的提高,取得了许多理论和应用成果。

本文通过对3种不同类型的土石坝模型进行同位素示踪和温度场试验以及电阻率成像试验,把不同的反演结果同模型实际渗漏通道进行对比,对结果的精度进行评价,比较两种方法各自的优缺点,为实际土石坝渗漏隐患探测提供一定的参考。

1 土石坝渗漏模型设计

1.1 土石坝渗漏模型结构

本文共设计土石坝模型3个,每个坝的尺寸大小一致,长3.62 m、高1.5 m、宽3.6 m,上下游坡率均为1∶1。如图1所示。

图1 土石坝模型平面图(单位:cm)

3个模型坝的上游坝坡内均预留了一个投源孔,方便投放示踪剂,下游坝坡内均预留了3个监测孔,方便监测下游示踪剂浓度。投源孔和监测孔的孔径为5 cm,材料都为PVC管材,上面留有许多小孔方便水渗漏。

1号坝为均质坝,无心墙,如图2所示,坝体为20%土、30%砂和50%碎石复合材料填筑而成,采用打夯机均匀夯实,确保坝体均匀密实,压实度在90%以上。

图2 均质坝模型图(1-1断面)(单位:cm)

2号坝为混凝土心墙坝,如图3所示,坝体为15%土+30%砂+55%碎石复合材料填筑而成,采用打夯机均匀夯实,确保坝体均匀密实,压实度在90%以上。

3号坝为土质心墙坝,如图4所示,心墙为20%砾石+80%粘土,心墙表面覆盖一层15 cm厚的砂层,砂层为级配良好的30%粉砂+30%细砂+40%粗砂,坝坡为级配良好的100%碎石层。

图3 混凝土心墙坝模型图(2-2断面)(单位:cm)

图4 土质心墙坝模型图(3-3断面图)(单位:cm)

1.2 渗漏通道和温度传感器的设置

如图5所示,坝1没有预留强透水区域即渗漏通道,坝2和坝3均在坝心墙左侧106 cm处预留3个渗漏通道,3个通道的高程分别为20 cm、60 cm、100 cm。

图5 混凝土心墙、土质心墙坝模型温度传感器与渗漏通道位置设置图

每个坝体中都提前埋设了温度传感器,在坝体左侧6 cm、96 cm、186 cm处分别从上至下埋设3个温度传感器,每个坝一共9个温度传感器。传感器埋设的高程和渗漏通道高程相同分别为20 cm、60 cm、100 cm。

2 渗漏模型的温度场试验结果与分析

2.1 堤坝智能测渗系统

本试验采用由河海大学研制的多路温度数据采集硬件系统及温度数据处理软件系统,处理得到堤坝坝体的温度场。基于温度场理论,结合实测的坝体温度场,可以反演得到堤坝坝体的渗流场。

堤坝智能测渗系统中的多路温度数据采集模块,无需人为进行切换操作,只需在堤坝智能测渗软件系统中设置相应的采样频率,堤坝智能测渗系统即可智能化地得到由用户设定的相应时间间隔的坝体温度数据。无需人为的过多参与测量过程,就相应的避免了由于人为因素造成的测量误差,也为堤坝智能测渗系统的稳定性提供了保障。

堤坝智能测渗系统所量测到的坝体温度数据,经过堤坝智能测渗软件系统的分析处理,可以得到3个坝体的温度分布。堤坝智能测渗软件系统对于温度数据的分析处理不仅仅停留在数字化的温度数据上,其更进一步地得到坝体温度分布的图形化信息,使得试验者更为直观的了解坝体的温度分布,且可凭借坝体温度分布的图形化信息,初步了解坝体的渗流场。

2.2 温度探测试验结果与分析

利用坝体中预埋的温度传感器,监测到在注温水前后的温度场分布。由于注水过程中注水的惯性,在坝前水库中,高温水大都集中于库底。通过将注水前后的温度值相减,得到在注温水作用下的温度场变化情况,如图6所示。

图6 注温水后坝剖面温度变化情况

从图中可以看出,坝底部温度升高最大,表层温度基本保持不变。通过温度场可以看出坝左侧温度变化更加明显,说明坝体中流速更趋向于向左偏,这与流向探测的结果相一致。

3 土石坝模型的电阻率成像试验结果与分析

3.1 电阻率成像试验方法

本次试验使用的设备为中地装备集团重庆地质仪器厂生产的DUK-2B型电法仪,该系统由DZD-6多功能直流电法仪和多路电极转换器DUK-2共同组成。

测线1位于坝顶位置,如图7所示。测线2位于下游坝坡,高程为1 m的位置,如图8所示。每条测线的电极间距为10 cm,由于仪器的电极数量不够,故每条测线分两次测量,坝1和坝2联合测1次,然后坝2和坝3联合测1次。

图7 剖面1电极布置图

试验基本步骤如下:

(1)在土石坝渗漏模型上用皮尺精确量取测线设计位置,然后用冲击钻打孔。

图8 剖面2电极布置图

(2)将皮尺固定在测线上,将每一根电极插入坝体上,使其与坝体接触良好,间距为10 cm。

(3)将电极与导线连接起来,注意电极号与导线接头一一对应,切勿交叉错位。

(4)打开仪器,检查电池电压是否满足测量要求;确定无误后,将导线与测量仪连接起来。

(5)连接外接高压电源,设置测量所需各个参数。

(6)对电极进行接地检测,检测与坝体接触良好后,开始采集数据。

(7)调换采集模式分别进行数据采集;采集完毕后,收回仪器。

(8)将采集的数据导入计算机存储,待处理。

3.2 高密度电阻率成像试验探测结果与分析

3.2.1 坝1、坝2联合断面1电阻率成像反演图

图9所示为坝1和坝2联合断面1电阻率反演图,呈倒梯形分布。横坐标表示测线水平距离,纵坐标表示渗漏模型的高程,图颜色深浅表示视电阻率的大小。由该图可以看出,图像右侧颜色明显高于左侧,其主要原因为右侧为坝2部分,左侧为坝1部分,坝2混凝土心墙的电阻值明显高于坝1均质无心墙。图中间颜色较深部分为坝间混凝土隔墙。坝1的右侧靠近隔墙的部分明显存在一个低阻异常区域,分析原因为坝体和混凝土隔墙接触部位有明显的渗漏现象,即为绕坝渗漏。坝2左侧存在一个低阻异常区域2,这和模型坝2的预留渗漏通道位置相符合。

图9 坝1、坝2联合断面1反演图

3.2.2 坝1、坝2联合断面2电阻率成像反演图

图10所示为坝1和坝2联合断面2电阻率反演图,呈倒梯形分布。横坐标表示测线水平距离,纵坐标表示渗漏模型的高程,图颜色深浅表示视电阻率的大小。由图可以看出,图中间颜色较深部分为坝间混凝土隔墙。坝1靠近坝间隔墙的部位均明显存在低阻区,分析可得坝1的绕坝渗漏现象比较严重,尤其是坝上部存在的低阻异常区域,可知在坝高80 cm处存在一个渗漏通道。右侧坝2存在低阻异常区域2,这和坝2预留渗漏通道位置相吻合,分析为渗漏通道渗漏所致。

图10 坝1、坝2联合断面2反演图

3.2.3 坝2、坝3联合断面1电阻率成像反演图

图11所示为坝2和坝3联合断面1电阻率反演图,呈倒梯形分布。横坐标表示测线水平距离,纵坐标表示渗漏模型的高程,图颜色深浅表示视电阻率的大小。由图可以看出,图像左侧颜色明显高于右侧,其主要原因为左侧为坝2部分,右侧为坝3部分,坝2混凝土心墙的电阻值明显高于坝3土质心墙。坝2右侧靠近坝间隔墙部位依然存在低阻区域,分析同样为绕坝渗漏,不过较坝3不甚严重。坝3右侧靠近坝间隔墙部位同样存在大片的低阻区域,分析同样为绕坝渗漏,较为严重,并且坝顶存在一个低阻异常区域,主要原因依然为坝体和坝间隔墙的接触部位发生渗漏现象。坝3左下部位存在一个明显的低阻异常区域3,这和坝3的预留渗漏通道位置相吻合。

图11 坝2坝3联合断面1反演图

3.2.4 坝2、坝3联合断面2电阻率成像反演图

图12所示为坝2和坝3联合断面2电阻率反演图,呈倒梯形分布。横坐标表示测线水平距离,纵坐标表示渗漏模型的高程,图颜色深浅表示视电阻率的大小。由图可以看出,坝2左侧下游坝坡靠近坝间隔墙位置存在一个低阻异常区1,分析为绕坝渗漏,且较为严重。而坝3的左侧存在低阻异常区域3,其他部分阻值很大,这与坝3预留渗漏通道位置较相吻合。而坝3底面线以下存在明显的低阻异常区2,分析为坝3存在明显的坝基渗漏现象。

图12 坝2坝3联合断面2反演图

4 试验结果对比分析

4.1 温度场试验结果分析

通过对3个不同类土石坝的对比试验结果来看,温度示踪试验还仅仅处于试验阶段,只能大致了解渗漏方向,要想能基本准确表示出渗漏通道的位置同时还要结合同位素示踪试验才能够做到。由于本试验的模型制作之前便将温度传感器提前埋设到指定位置,故试验较为方便,但在实际应用中温度传感器的埋设会比较麻烦,同时本试验过程中向坝内加入了热水已达到使水温改变的目的,实际应用中是不可能达到的,只有对大坝进行长时间的监测才能完成。

4.2 电阻率试验结果分析

电阻率成像试验能够准确的表现出渗漏通道的位置,同时试验结果非常直观。但同时也存在缺点。电极的埋设间距大小会对实验结果造成影响同时也影响监测剖面的深度,本次试验通过对偶极排列、微分排列、温纳排列3种电极排列方式结果的分析表明3种情况相差不大,其中温纳和微分均能够反应出渗漏通道的位置及渗漏范围,温纳排列诊断效果最好,一次拟合方差最小。同时电阻率成像实验属于无损探测,无需对坝体造成损伤便可得出数据,该试验方法已经在实际应用中取得了良好的效果。

5 结 语

(1)温度监测的原理基于坝内渗流的存在必将对热环境产生明显影响,因为水的热传导系数和比热与岩土不同,岩土中如有渗水其热学参数必然会改变。如果地下水不流动,这种影响一般很小,而流动的地下水会产生冷却的效果,因此地温相对低的部位有可能存在流动的地下水。通过试验可得,定期测温既可以监测坝体渗流变化,又可以作为确定渗流区域的一种手段。该技术的主要缺点是:定点测量的温度传感器布设复杂,费时费力,并且受定点测量的限制,它实际是一种局部监测方法,对数千里的堤坝进行快速探测一般不易实现。而便携温度测量仪器的稳定性难以保证,常规温度传感器温度漂移较大,而温度受地质条件的影响也很大,需要结合其它方法综合分析探测结果。

(2)高密度电阻率法是以地下被探测目标体与周围介质之间的电性差异为基础,人工建立地下稳定直流电场,研究地下一定范围内大量丰富的空间电阻率变化,从而查明地质问题的一种方法。通过试验可得,电阻率成像技术是最直观有效的测渗方法,能够直接探测出渗漏通道的位置及渗漏范围。该技术的主要缺点是:电极的布置间距和采用不同的排列方式得到的效果相差较大。

(3)通过本次试验的对比分析可得,在土石坝渗漏诊断方面电阻率成像方法明显优于示踪法和温度场法,电阻率成像法比示踪法和温度场法试验过程更方便、精度更高。

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