水工建筑物渗漏探测方法研究概述

2015-04-07 16:15徐兰玉刘仲秋牛香芝
水利信息化 2015年1期
关键词:电阻率分辨率隐患

徐兰玉,刘仲秋,王 威,牛香芝

(1.水利部南京水利水文自动化研究所,江苏 南京 210012;2.水利部水文水资源监控工程技术研究中心,江苏 南京 210012;3.山东农业大学水利土木工程学院,山东 泰安 271018;4.扬州市职业大学土木工程学院,江苏 扬州 225009;5.国网新源控股公司电力检修分公司,北京 100005)

水工建筑物渗漏探测方法研究概述

徐兰玉1,2,刘仲秋3,王 威4,牛香芝5

(1.水利部南京水利水文自动化研究所,江苏 南京 210012;
2.水利部水文水资源监控工程技术研究中心,江苏 南京 210012;
3.山东农业大学水利土木工程学院,山东 泰安 271018;
4.扬州市职业大学土木工程学院,江苏 扬州 225009;
5.国网新源控股公司电力检修分公司,北京 100005)

渗漏属于水工建筑物的一种常见(隐患)病害,会导致水量损失,带来一系列的安全问题。将国内外主要渗漏探测方法总结为探地雷达法、直流电阻率法、自然电场法、常规电磁法、流场法、地震勘探法、温度场法、综合示踪法和其他等方法,对这些方法的优缺点进行详细讨论,总结不同水工建筑物适用的探测方法,并对渗漏探测方法未来应重点研究的一些问题进行展望。

水工建筑物;渗漏探测;优缺点;研究进展

0 引言

据我国对渗漏管涌事故的调查统计,全国 241 座大型水库发生过的 1 000 宗工程事故中,渗漏管涌事故占 31.7%[1];我国对溃坝事故也进行了统计,由于质量问题引起的溃坝共 1 146 起,其中有 675 起是由坝体渗漏引起的,占到 58.9%[2]。根据国内外水库垮坝事故统计,渗漏管涌约占总事故的 30%~40%[3],而滑坡、裂缝等破坏类型也都与渗流有密切的关系;文献 [4] 表明,土石坝(堤坝)坝体和坝基内的渗流侵蚀是导致土石坝破坏的主要原因;并且渗漏还会引发溶蚀、侵蚀、冻融、钢筋锈蚀、地基冻胀等病害,加速水工建筑物结构老化,并导致水量损失,影响经济和社会效益。因此,采取有效的监测和检测方法对渗漏问题进行探测及处理是保证水工建筑物正常运行、防止恶化和维护安全的必然结果,也是合理选择防渗措施的前提条件[5]。

水工建筑种类繁多,结构形式也千差万别,因此对众多水工建筑物进行渗漏探测的方法也较多,如探地雷达法、直流电阻率法等,为此需要对各种探测方法的优缺点进行总结归纳与讨论,研究适合不同水工建筑物的探测方法。

1 探地雷达法

由于探地雷达使用高频宽频带短脉冲电磁波和高速采样技术,仪器轻便,数据采集到处理成像一体化,工作效率高;对被探测介质表面要求低,可在不同方向和角度进行测量,浅层探测分辨率可达厘米~毫米级;探地雷达与地震勘探法相比具有高效率、不需震源的优点,与传统的直流电阻率法相比具有分辨率高的特点。

但电磁波在地下传播规律复杂,存在高频衰减、反射、折射和散射等现象,加上各种噪声的干扰,降低了图像的真实性,因此探测区内应无大范围的金属构件或人工电磁波干扰,表层应无水饱和的地面等低阻屏蔽层;由于电磁波遇水会产生非常大的衰减,对坝体浸润面以下的区域分辨率会下降,不能探测到坝底接触面的渗漏,只能定位于较大规模的渗漏通道,处于成长期的细小渗漏通道还不能完全分辨。

探地雷达的探测深度主要由介质电导率、电磁波散射、几何散开和雷达系统噪声源引起的衰减等因素决定。采用探地雷达可指出渗漏现象存在的可能性及大致位置和范围,但探测得到的渗水通道范围较实际情况偏大,难以确定渗漏的性质及尺寸,不能分辨束缚水和自由水。文献 [5] 中,最大探测深度为 60 m 时分辨率只有 200 cm;文献 [6] 认为,渗漏埋深小于 10 m 时探测效果较好;文献 [7] 认为,渗漏隐患分布小于 20 m 时探测效果较好;文献 [8]工程实例表明,当探测深度为 25~30 m 时,分辨率为 1.0~1.2 m,和堤坝隐患尺度相比,分辨率过大。

探地雷达法用于土石坝浅层渗漏探测效果较好,已成功地应用在浙江缙云白马水库坝体渗漏、椒江外沙海堤渗漏、东浦新塘堤塘结构与隐患等探测实际工程中。

2 直流电阻率法

直流电阻率法勘探是地球物理勘探中的重要方法之一,此研究始于 19 世纪初期,从常规的电阻率剖面法和测深法,发展为集二者为一身的高密度电阻率法。高密度电阻率法发展至今,已由原先的温纳、偶极、微分 3 种电极排列方式发展到施伦贝尔,联剖,环形二极等十几种组合和自定义排列方式,测量方式从地表采集发展到水上、水下和测井间采集,可获得较丰富的四维地电结构状态的地质信息,正朝着多通道、多参数、多功能、大功率方向发展。道数的增加将促进三维高密度电阻率法走向实用化,电阻率、极化率、复电阻率和自然电位等多参数同时测量会使地电模型的解释更加可靠。

但高密度电阻率法对低阻或高阻球状隐患的勘探深度比半无限空间小,在渗漏探测应用中受竖向极限分辨率约束,探测极限为洞径与埋深比为 1∶10的洞穴,黄河水利委员会物探总队曾在大堤上探测出了洞径与埋深之比 1∶12 的洞,埋深 3.5 m,洞径0.3 m[9];高密度电阻率法对一些埋深较大的弱小隐患可能造成漏检;测量时分辨率随着极距减少到一定程度,则无多大意义,测量范围有可能不满足测线布置,二维测线两边角下方存在盲区;视电阻率受地形影响较大,会导致反演收敛慢甚至发散,需要解决极化补偿、供电时间等问题。

直流电阻率法适用于土石坝和各种类型坝基的渗漏探测,但渗漏隐患的埋深不宜过大,探测最佳深度为 20~40 m。

3 自然电场法

因为地层中的不同位置具有不同的自然电动势(自然电位),随着电位变化,在地层中会有自然电流产生,因此自然电场法适用于多孔岩土介质。

自然电场法可以确定渗漏的平面位置和通道,以及渗漏流量和流速的绝对值,具有操作简单、不需人工供电和测点密度较高的优点。但自然电场法方法需要将测量基点选择在无渗流或渗流微弱的自然电场相对稳定的地方,电位的测量会受到金属物、大风大浪、孔隙水压力、介质颗粒大小、溶液的离子浓度和粘滞系数、过滤层上下岩层的性质和粘土含量等众多因素的影响,在渗漏流态为层流时探测效果较好,对散浸或渗漏量较小的隐患和裂隙中的紊流渗漏较难测定。

自然电场法在天桥水电站围堰等工程中成功探测到渗漏通道[10-12],对土石坝地基的渗透探测较为适用,渗漏最大埋深在 25~30 m 间。

4 常规电磁法

4.1 瞬变电磁法

瞬变电磁法可同时进行剖面和测深测量,探测深度较大,工作效率高,不受地形和接地电阻的干扰,具有很高的信噪比,可用于渗漏隐患位置的探测,还可用来定位渗透漏通道和散浸;理论上瞬变电磁法比直流电阻率法分辨率高 1/3 次方,深向分辨率优于频率域电磁法[13],且对高阻覆盖的低阻体成像具有较高的分辨率;但对复杂地下介质具有多解性,实用仪器和装置的响应需要时间,对一些小体积的浅层隐患反映不明显,并且色散现象还会导致上覆的低阻层干扰深部的探测结果[14];由于瞬变电磁法的接收信号幅度很小,易受到众多噪声和金属介质的干扰,无法给出渗漏位置的水文地质信息,不能分辨束缚水和自由水。由于瞬变电磁场在介质中传播时具有一定的趋肤效应,因此该方法具有最大探测深度,探测深度可达 80 m,可用于坝体、坝基的深层渗漏探测,水平分辨率为 1~5 m,深向分辨率为 1~3 m,相对分辨率约为 8%,分辨率和渗漏隐患尺度之间还是存在一定的矛盾。

4.2 大地电磁法

大地电磁法(MT)是一种被动天然场源的频率域电磁法,随着磁传感器及资料处理技术的发展,发展为天然场源音(声)频大地电磁法(AMT),天然人工混合场源的 EH-4 电导率成像系统和可控源音频大地电磁法(CSAMT),探测频带逐渐由低频段(天然场源)向高频段(人工场源)扩展,增大了勘测的纵向尺度。

大地电磁法及其衍生方法限制条件较小,横向分辩率相对较高,发射装置轻便,一次发射和布极可完成大范围的多点频率测深;由于是同时测量电场和磁场分量,因此高阻屏蔽作用小,对低阻体反映较灵敏,有效探测深度大于瞬变电磁法;但浅层分辨率有所不足,易受工业电流干扰和地表局部不均匀的“静态效应”影响,采用天然场源时观测时间较长,观测磁场和电场仪器布设较为繁琐,地形复杂时还需解决发射接收距离与信号波场区之间的矛盾。文献 [13] 认为,瞬变、频率域电磁法和高密度电阻率法的水平分辨率相近;瞬变电磁法和高密度电阻率法的深度方向分辨率高于频率域电磁法;深层探测时,瞬变和频率域电磁法的分辨率大于高密度电阻率法。一般来讲,瞬变电磁法在探测较大范围渗漏隐患方面优于频率域电磁法,但频率域电磁法在松散体渗漏隐患探测方面较有优势。根据相关文献,EH-4 电导率成像系统最适合探测地表到地下 100 m 范围的目标体,可控源音频大地电磁法勘探深度可达 1~2 km,最大测深达 300 m。

大地电磁法较适用于土石坝、坝基的深层渗透探测。

5 流场法

流场法作为一种直接探测水流场流向和相对流速的物理探测技术,测量不受坝体介质非均质的影响,可以在水底测量,电流密度拟合的仅是速度中与渗漏有关的成份,具有较高的分辨率和抗干扰能力,探测速度为 0.5~1.0 m/s,适合汛期快速测量抢险的要求,应用卫星定位等技术,对于渗漏的发源处探测精度高;但无法得到渗漏在介质内部的流向和路径,受金属管道和导电性较大的粘土和泥岩地层干扰较大,对于分散渗漏问题,不能形成观测数据的正常与异常区域,因此无法准确判断水库的渗漏情况。

流场法可用于土石坝坝体及其各类坝基中。

6 地震勘探法

地震勘探法是一种观测、研究人工激发的地震波(纵波、横波和面波)在地下介质中传播特征(波速及波阻抗差异)的工程勘探方法,主要分为浅层地震折射波法、反射波法和瑞雷波法。地震波分为体波和面波 2 类,体波又包括纵波和横波;面波分为瑞雷波(R 波)和拉夫波(L 波),R 波在振动波组中能量最强、振幅最大、频率最低,容易识别和测量,因此面波勘探一般是指瑞雷面波。

地震勘探法采用加速度传感器,频响曲线有较长平坦部分,有利于频谱和能量分析,主要根据地下介质物性参数变化进行检测,具有较高的定位定量精度,可在大尺度范围探测;但探测范围受激励能量大小、接收仪器精度及介质阻抗影响,且一般只能确定地下介质中裂隙发育和破碎等情况,并不是有此条件就一定是渗漏通道。文献 [15] 认为,纵波波速随着地下水的位置或介质含水程度存在较大变数;横波波速在地下水面的上下、松散和空洞等隐患处始终保持明显的低速特性,反射系数较明显,反射波成分简单。SH 横波抗干扰能力强,分辨能力要强于相应的纵波,且面波波速与横波波速在土层介质中几乎相等,因此可优先选择横波作为波媒,开展横波勘探。

浅层反射波法具有排列短、震源能量小、无屏蔽层影响、获取信息多等优点;但数据处理复杂,要求隐患与周围介质间有明显波阻抗差异且性质稳定,隐患厚度或规模要大于有效波长的 1/4,无漫反射现象。地震映像法在资料解释中可利用多种波的信息,即有效波不但是反射波,还可以是折射波、面波、绕射波,能够反映地下地质条件的变化。探测深度较大时,宜选用纵波反射法,反之选用横波反射法[16]。

浅层折射波法受场地制约条件少,易获得质量好的折射记录,工作方法、数据处理和资料解释都比较简单,探测效果优于反射波法;折射波的速度主要受孔隙度、孔隙中充填物及地层的埋藏深度的影响,测量时存在折射盲区,排列长,震源能量较大,地层中的低速层和各向异性会影响下伏折射层的探测精度,反射点需作偏移才能准确定位反射体的空间位置。

常采用的多道瑞雷波法综合利用波的运动学和动力学特征,主要适用于分层明显的介质测试,且探测介质的横向均匀性较好,检测简便易行,费用低,对渗漏变形地段剪切力较敏感,对介质厚度、波速或波阻抗差异要求较低;但瑞雷面波法采用点测方式,需在堤身上埋设一系列传感器,勘探速度较慢,测试深度主要取决于介质及震源,可靠的测量深度约为 15 ~30 m,薄层分辨率可达 dm 级,目前普遍使用的反演依据仅为二维层状介质的频散理论,需要进一步对频散曲线的反演理论和数据处理进行研究;文献 [17] 认为瞬态瑞雷波法探测深度较大,对地层的波速变化反映直观,可作为探测渗漏的辅助性方法,但受现场施工振动干扰较大。

7 温度场法

温度监测原理较为明确,监测范围广,精度相对较高,可长期观测,从基于热源法的定性分析,或作为其他示踪法的辅助手段,逐渐发展为独立的温度场渗漏示踪模型,对集中渗漏的理论研究逐渐成熟,能够查找渗漏通道的位置、区域、尺寸和渗漏量,确定地下水补给源和流动路径。由于热传导系数仅与材料有关,对于均质和非均质岩土介质的渗流,热传导性质基本相同,因此可利用热源法进行定量的地下介质连续和不连续地带的渗流研究;温度场探漏不需要人工形成特定的物理场及相应设备,减少了探测工序,避免了复杂的信号处理,较水头测量方便快捷,相比于其他示踪技术,具有成本低、效率高、无污染等优点。基于温度原理的红外线成像仪可以在夜间探测管涌和散浸部位,提高检测速度。

温度场法有以下几种方法:

1)埋设热敏温度工具法。测量点有限,对温度场分布中不规则区域有可能漏检;测量精度不太满足定量分析的需要,且工具本身尚未做到微型化,埋入的设置会对结构本身产生一定影响;钻孔测水温时,探测精度会受到钻孔自身对流换热和钻孔直径的影响,测量孔较深时测量不方便。

2)光纤温度监测。具有全分布式连续立体检测功能,灵敏度高、耐久性好、抗干扰能力强、可测参数多,传感与信号自动化程度高,能实现长距离实时快速测温,并根据实时数据进行预测预报。但目前还是存在造价较高,工程实际应用理论不成熟等缺点。

3)虚拟热源法。能简便考虑边界等问题,可计算渗漏通道的半径、流量,还可判断地下介质中渗漏通道的数目,但前提是必须已知与渗漏通道相近的温度。虚拟热源法把渗漏通道假想为特殊的几何形状,将对流传热的边界界定于特定几何形状体的边界处,与实际渗流场有一定的差异,采用图示法确定渗漏通道的温度时虽然应用方便,但误差较大,对渗漏破坏(流土、接触冲刷)的其他情况不适用。

4)温度探测渗漏仿真模型。仿真模型还需要完备的岩土体热物理实验作为支撑,对于含有特殊函数或者复杂方程组的反分析还需要研制专门的计算程序。只有充分考察渗漏、渗流机理,以及影响该过程的诸多主要因素,才能建立能够模拟真实过程的仿真系统,需开展温度场、渗流场和应力场的耦合研究。

8 综合示踪法

综合示踪法主要有以下 2 种方法:

1)天然示踪法。对于渗漏通道复杂、埋深大,水文地质周期长的地下介质可以采用天然示踪法,但水样数据分析量较大;由于地下水在径流过程中会发生复杂的水岩作用,可能会改变水化学成分的相对含量,甚至发生稳定同位素的正负漂移,因此需要更加详细的分析方法。目前采用地下水电导率作渗漏示踪的研究仍然停留在定性分析阶段。

2)人工示踪法。具有检测灵敏度高、测量方便、测量参数较准确等优点,适用于渗漏范围小、连通性好的介质。在渗漏比较严重、垂向流很强的位置,采用具有吸附特性的放射性同位素,能够较容易地找到渗漏点,要准确确定投源点与监测点之间的渗漏路径,必须在坝体上布置相当密集的钻孔,在垂直流的影响下只能计算出渗流主通道的渗流量;测定水平地下水流速的点稀释技术具有强烈的点特征,需多次测量,因此对示踪探头功能的要求高,不适用于具有断层的岩体[18]。人工示踪剂存在一定的毒性和被吸附性,多元示踪时易产生干扰,多孔示踪试验的食盐水示踪需要通过电导仪测定浓度从而判断地下水参数和连通程度。

这 2 种示踪法对于渗漏现象及隐患的判断或者分析解释还没有形成体系,一般多为判断渗漏的水平位置,对深度和规模的探测难有明确的定量解释,因此示踪法只能作为辅助性工具调查水工建筑物的渗漏问题。

9 其他方法

9.1 磁共振法

磁共振波谱(MRS)分析法效率高、成本低、探测速度快,只对探测深度范围内的地下水信号响应,介质因素对 MRS 法的影响小;反演信息量丰富,解释唯一,可获得介质含水层位置、含水量大小及含水层孔隙情况等信息。对单匝线圈而言,有效探测深度与线圈边长近似相等,国内外的极限探测深度为 200 m 左右;探测分辨率在浅部分层密,深部分层疏,仪器运行速度较慢,例如每个 MRS 测点 16 层划分、16 次叠加测量,测量时间在 3 h 左右,无法满足大面积多点快速测量的要求;MRS 信号极其微弱,易受到工频谐波、天电噪声和无线电等环境噪声的干扰。

9.2 测井层析成像法

弹性波 CT 的激发能量较大,因而探测距离较大,与常规地震法相比,具有分辨率高、效率高、空间位置准确等优点,但测井井间距较小时费时费力,测井中无水时接收检波器无法耦合,需要较为精密的接收仪器。在实际工程探测中,震源的有效能量很难计算,通常考虑用地震波速、波衰减与吸收系数进行联合层析成像,可提高地震层析成像的分辨率与可靠性[19]。

电磁波 CT 的最大优点是不用外部震源,可在有水、无水测井中应用,可扫频测量,工作效率高,成果直观,稳定性好;但激发能量的大小会影响探测的距离和精度。

9.3 激发极化法

时间域激发极化法具有可测参数多、不受纯地形起伏及围岩电性不均匀影响的特点,但测量时间较长,受介质极化率、通信光缆和金属管道等影响较大,探测深度在 150 m 左右;频率域激发极化法可克服上述缺点,抗干扰能力强,观测精度高。

激发极化法可适用于土石坝坝体、各类坝基及其引水隧洞的渗漏探测。

9.4 冲击试验法

冲击试验操作简单,对试验设备要求不高,测量结果更加直观;缺点是冲击试验测井间的间距应在影响半径范围之内,不能测量得到测井中沿高程的渗透系数分布情况,不能够判断得到渗漏通道的具体高程位置,且测井的结构完整性对最终的测量结果影响较大。

冲击试验法可适用于土石坝坝体、土类坝基的渗漏探测。

10 结语

目前国内外对水工建筑物渗漏探测方法的研究领域较为分散,综合探测方法应用越来越多,对于渗漏隐患在不同水文条件下的准确定位及定性定量解释等方面的研究工作还存在许多不足。间接探测方法,尤其是地球物理探测方法具有连续扫描、代表性广,无损伤检测等特点,在研究中占据了主导地位,并沿用了探测地下水资源的一些基本原理;温度场法作为一种理论研究较为成熟的直接探测方法,实际应用中较为广泛。总体来说,利用渗漏隐患的天然地球物理场参数进行探测的方法具有一定的发展优势。

各类探测方法具有各自明显的特点,需科学归纳各水工建筑物的空间尺寸、物理性质和特征参数的特点,以及对探测深度和分辨率的不同要求,在把握各种探测方法的共同本质和差异的前提下,提取渗漏隐患典型检测信号特征,选用合适的探测方法及组合,进行“联合”探测与分析。

为提高探测仪器的分辨率和探测深度,研制新型与多功能探测仪器尤为重要,如研制磁共振大功率连续探测仪,有望实现对堤坝进行快速探测,形成二维磁共振含水量分布图像,直接确定渗漏位置;研制新型的分布式光纤温度和应变监测系统,探索利用温度场、渗流场与应力场的耦合方法反馈分析土石坝(堤坝)渗流状况,有望在早期发现渗漏隐患。

探测数据处理的结果直接影响最终的渗流隐患的判断,提高对各种探测方法正演理论和反分析方法的研究是渗漏判断的核心内容,主要表现在需要“借鉴”不同方法的数据采集和处理方式,建立多重影响因素下的耦合正演理论方程,进行三维和四维的数据采集处理和非线性反演技术研究。

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Research Summary on Leakage Detection Methods for Hydraulic Structures

XU Lanyu1,2,LIU Zhongqiu3,WANG Wei4,NIU Xiangzhi5

(1.Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology,the Ministry of Water Resources,Nanjing 210012,China;
2.Hydrology and Water Resources Engineering Research Center for Monitoring,the Ministry of Water Resources,Nanjing 210012,China;
3.College of Water Conservancy and Civil Engineering,Shandong Agricultural University,Tai'an 271018,China;
4.College of Water Conservancy and Civil Engineering,Yangzhou Vocational University,Yangzhou 225009,China;
5.State Grid Xinyuan Company LTD.,Beijing 100005,China)

The leakage problem of hydraulic structures is a kind of hidden disease,which would bring water loss and a series of safety problems.This review summarizes the main leakage detection methods: ground penetrating radar,direct current electrical resistivity method,self-potential method,conventional electromagnetic method,flow-field method,seismic exploration method;temperature method,integrated tracer method,magnetic resonance sounding,logging computerized tomography method,induced polarization and other methods.Then the principal,leakage reflection,merits and drawbacks of these methods are described in detail,and some special issues for each method are provided.Finally,ideas for further improvement are suggested.

hydraulic structures;leakage detection;merits and drawbacks;research progress

TV6

A

1674-9405(2015)01-0042-06

2014-09-01

水利部南京水利水文自动化研究所科研基金项目(ZL0811008);山东省省级水利科研与技术推广项目(SDSLKY201305)

徐兰玉(1981-),女,江苏江阴人,博士,主要从事大坝安全监测及其安全度评价研究工作。

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