Willowstick技术在绘制地下渗流三维图中的应用

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(韩国水资源研究所，韩国 大田 34045)

1 研究背景

对于水中结构工程的设计及安全管理而言，确定地下渗流的渗径对保障工程运行的安全性和有效性十分关键。在大多数需要保证防水性的地质工程环境中，必须确定地下渗流渗径。特别是对于老旧的填筑坝来说，确定防渗层或坝基防渗墙的不透水性是重中之重[1-2]。若未能准确测定渗透率，则无法发现结构内部侵蚀和管涌等危险迹象，从而造成严重的安全隐患[3-4]。一般来说，渗透率的急剧增大意味着堤坝可能出现了内部侵蚀。渗透率的减小或无法测得可能意味着某些渗径已被堵塞或渗水正流到其他地方。

为了探明坝体或坝基中对渗流敏感的部位，必明寻找合适的勘测方法。然而，现有技术几乎都无法绘制三维地下渗径图。目前，行业内普遍使用二维或三维电阻率勘测法识别渗径，但需要耗费大量人力和时间。

本文研究中，在韩国的DB坝和YD坝上建立了两处试验基地，并保证其水库蓄水量充足。研究采用了新开发的磁测电阻率勘测法(MMR)，也被称为“Willowstick勘测法”。鉴于饱和地层或湿润地层可作为优良的地下电导体，该方法利用标记电流为渗流通电，以追踪主渗径。电流沿着水库外的水饱和区从坝体或渗水收集墙的中间、下方及周围穿过。通过确定主电流流路，可确定水库水流渗入坝体或坝基的位置。该技术已应用于存在渗漏问题的水工结构中，但并不常用。

本文介绍了Willowstick勘测法的原理、应用步骤以及试验坝的渗流特征和存在的问题，同时对该方法的程序和应用结果进行了分析说明。在YD坝址处进行磁测电阻率勘测之后，与详细岩土工程勘察找出的渗流路径对比，对结果进行了验证。

2 原理与方法

2.1 原 理

水坝地下主渗径的勘测是工程地质或水文地质学中的常见问题。大多数情况下地下水能提高土壤的电导率。

Willowstick勘测法是利用高灵敏度磁技术勘测主渗径的快速有效方法[5]。磁场测量无需与地面接触，不产生电流。勘测包括确定关键电量输入点，由此处直接向地下水输电。当电极使产生的电流沿着延伸的导电目标或者沿着预期的渗流方向移动时，输入电效果更好。电极棒和电路位置确定之后，生成低频电流以产生地下电流(非感应电流)，从而可产生相应的磁场(非感应磁场)。这种静磁响应包含了地下电阻率结构相关的信息，能够反映岩性变化、含水量和水矿化度等。

图1 电极布置横截面示意

2.2 过程和方法

为保证Willowstick勘测法最有效，需要特别注意电极棒的布置和线路的铺设。通过接触地下水的钻孔与目标直接连接，并沿着预期的水流流动方向布置电极棒。该方法采用380Hz的AC信号以充分利用高灵敏度的磁测量技术[5]，同时避免产生50 Hz或60 Hz的谐波信号。

电路铺设完成之后，施加1～2 A的弱电流，接下来几小时或几天内，通过地面数百或数千个测点进行磁测量。然后将测量数据与理论预测的静磁场进行比较。通过建模和反演程序[6]获取信息，以确定地下电流密度的分布和集中区域范围，并绘制出主渗径地图并生成三维模型。

3 Willowstick勘测法在DB坝中的应用

3.1 DB坝

DB坝由一个主坝和几座分开的小坝组成。主坝最大坝高约60 m，长约450 m，坝基的帷幕灌浆延伸至基岩中。水库泄流由旁路管道和位于右坝肩附近的溢洪道控制。大坝可能存在渗漏问题。

3.2 勘测方法

勘测的目的是确定主渗径并说明其特征，以深入了解坝体中和坝基下方的渗流模式，从而评估、监测并修复渗流产生区域。图1为勘测所使用的电极布置横截面示意图。鉴于大坝长度接近450 m，提出了2种勘测布置方案。

3.3 数据压缩、筛选和质量控制

在收集磁场数据后，按照合适的筛选和质量控制标准，将数据进行压缩、归一化，为建模和数据解读作准备。

图2显示了水坝左半部分采用的电极布置情况。

图2 水坝左半部分电极布置

3.4 数据处理

当用标记电流向研究区通电时，观察并记录磁场数据，但不能直接对观测数据进行解读。为了确定地下研究区内电导率偏大或偏小的区域，假设地下导电环境均匀，建立模型以预测给定电路和电极位置下测点磁场响应。

利用预测的磁场图与观测所得磁场图对比，得到响应比率图，显示出电流异常的区域(即大于或小于预测值区域)，从而可消除偏离数据集的电流。

由于仅测量地面(主渗径上方)磁场而未对渗径下方或旁边的磁场进行测量，所以在未建模的情况下，难以确定和识别主电流的准确位置或深度。因此，通过反演算法对响应比率数据进行处理分析。该方法也可科学预测地下研究区域内三维空间的电流分布。反演结果被称为电流分布或ECD模型。 除ECD模型之外，还创建了一个现场三维模型，以显示与ECD模型剖面相关的现场特征。

3.5 勘测结果

模型预测的渗径在穿过灌浆帷幕下方后迅速流向表面(见图3)，水坝下游渗径比上游更加明显。坝上游渗径位于水库水体下方，很容易被水体掩盖。

4 Willowstick勘测法在YD坝中的应用

4.1 YD坝

YD坝是一座混凝土面板堆石坝(CFRD)，高70 m，长498 m，于1999年建成[7]。坝下游设有渗流测量室，以便对水坝的安全进行管理。测量室下部设有挡水墙，用于收集水坝和基岩的渗流。然而，在渗流测量室内可测量的水位达到适当水平之前，渗流定量测量几乎不可能。在大坝运行期间，有必要对渗量进行测量，但由于泄漏原因不明和渗漏路径模糊，很难采用合适的措施。

为了确定、绘制和模拟穿过渗水收集墙下方或周围的主要路径，采用了Willowstick勘测法以及现有的三维电阻率法为YD坝址进行了勘测。之后，通过岩土工程勘探结果验证了方法的适用性。

4.2 勘测配置和布局

图3 渗流径的现场三维图

图4 电极配置的勘测布局

图5 地质断裂与渗径节点标记

图4显示了勘探中的电极配置和勘测布局。如图所示，研究区域主要针对坝下游面和渗水收集墙。红色符号表示测点，以10 m×10 m网格形式布设。为实施质量控制，许多测点被多次使用。在整个勘测区域内，电路连续性、磁场强度和信噪比均较强。对每个测点的位置和高度进行记录，作为现场勘测工作的一部分，这对质量控制、数据处理、建模和解译至关重要。

4.3 勘测结果

此次勘测确定了2条渗透路径，一条主要路径和一条可能的次要路径，两条路径均从渗水收集墙下方经过。

图5显示了电流分布(ECD)模型的水平剖面，取自渗水收集墙(高程约为199 m)底部的下方。ECD模型用多种颜色进行了标示，假定地下区域电流密度均匀分布，白色表示实际电流密度与假定密度相等的区域；蓝色到紫色表示电流密度小于假定密度的区域；绿色表示电流密度大于假定密度的区域。黄色路径为渗水收集墙下方的主要渗透路径。标记节点A至I的深蓝色线表示地质脆弱带(例如原河道下方的小裂缝或古河道)，也说明渗透主要集中在墙壁下方，有渗水在墙下流动。标记节点1和2的橙色实线表示收集墙下方有一条明显的次要渗径。根据磁场的强度和渗径勘测的综合结果，渗径可分为主渗径和次渗径，表明绕过渗水收集墙主要渗径的渗水量要大于次要路径。

图6 钻孔位置

5 验 证

为验证Willowstick勘测法在YD水坝坝址的应用结果，进行了钻孔和取样试验，见图6。

钻孔情况表明，地层分为上层的颗粒填充层、找平混凝土和风化软基岩。Willowstick勘测法预测BH-1和BH-2之间存在1条主要渗径，为1条强渗流断裂带，而BH-4、BH-5和BH-7钻孔结果呈现出相对较好的节理岩体状态。根据钻孔和取样，BH-1清楚地显示出在高程194.9～185.8 m处存在1条渗透性断裂带，这与Willowstick法勘测的主渗径非常吻合。而且，BH-3(预测为次级渗径)采样心墙显示出1条高度断裂带。

综上验证结果表明，Willowstick勘测法可以有效绘制出断裂带等地质薄弱层造成的地下主渗径三维图。

6 结 语

本研究中，将新开发的Willowstick勘测法应用于DB坝和YD坝的勘测中，并绘制了地下渗径。当标记电流在适当的电极(位于收集墙上游和下游)间流动时，由于水流流动区是导电性更强的区域(即最大传输孔隙率区域)，因此这种区域电流集中。随后对电流响应磁场特征进行测量并建模，以确定主渗径模式，并分析渗透发生位置和原因。

对于DB坝，电流倾向于从小坝左坝肩下方的水库流出，并穿过高程147 m处的坝下方。电流在坝顶下方约71 m处的大坝帷幕灌浆下方流动。在穿过帷幕灌浆下方后，电流由左坝肩斜接点(坝体和山坡连接处)一半距离的区域向上涌出。调查结果表明，未发现其他通过坝体或坝基的主渗径。

Willowstick勘测法在YD坝中的应用表明，该方法可确定通过集水挡土墙底部的主要和次要渗径，并给出三维渗径的中心线坐标。钻孔取样验证结果表明，靠近预期渗径区域基础岩体存在地质薄弱断裂带，其位置和近似深度与Willowstick勘测法的结果完全吻合。该勘测法能够有效地表示地下渗径的特征。

因绘制地下渗的技术非常有限，新开发的Willowstick勘测法有助于解决水工结构的相关渗透问题。与现有的电场测量不同，该技术在直接向水流通电后对磁场进行测量，可提高结果可靠性。

Willowstick法勘探结果有助于对渗水收集墙下方的渗透问题作出合理的处理决策。