综合物探法在堤防渗漏检测中的应用

刘金鹏,王志豪,汤克轩,张美多,刘康和

(中水北方勘测设计研究有限责任公司,天津市河西区洞庭路60号 300222)

渗漏是危害堤防安全最主要的原因之一,据国内统计,大约有58.9%的堤防安全事故是由于渗漏引起的[1]。及时发现可能的渗漏隐患,找到渗漏出入水口,查明渗漏通道,对于防范险情、避免溃堤、保障堤防平稳安全运行具有重要意义[2]。

堤防多用土石材料分层填筑,当存在渗漏或潜在隐患(缺陷),堤防内部的土体结构将变得松散或出现裂缝、孔洞等。常用的堤防渗漏物探检测方法有充电法、流场法、自然电位法、高密度电法、瞬变电磁法、探地雷达法、瞬态瑞雷面波法等,每种方法都有自己的优势及局限性。

物探方法检测的物性参数是堤防内介质体的综合反映,堤防的结构复杂、分布线路长、渗漏隐患复杂多变、数据采集过程存在干扰,这些导致了解释成果存在多解性。使用单一的物探方法不能有效满足高精度解释的要求,可以针对检测的渗漏目标,选择多种物探方法,基于不同的地球物理场特征,综合分析,相互验证,从而提高解释的准确性[3-5]。

文中介绍了常用堤防隐患物探检测方法的基本原理及优缺点,结合工程实例阐述了充电法、流场法和高密度电法在堤防渗漏检测中的综合应用,证明了综合物探法的有效性和可靠性。

1 方法原理

1.1 充电法

充电法以探测目标与围岩之间的电性差异为基础[6-7],当堤防存在渗漏隐患,其导电性小于围岩导电性,将电源一极放置在探测目标,另一极放置在无穷远处,这样探测目标便可以视为一个近似等电位体,对探测目标进行供电,其电场分布与探测目标的空间分布、产状、规模有关,这为查明渗漏点以及渗漏通道提供了理论依据。充电法一般不受地形地貌条件约束,但容易受到径流影响。

1.2 流场法

由于电流场和水流场均满足拉普拉斯方程,且具备相似的物理性质,何继善院士提出了一种新的寻找渗漏入水口的方法——流场法[8-9]。自然界中,江、河、湖、库中正常的水流分布通常具有规律性[10]。渗漏通道多为较破碎或者渗透率大的岩体,在水压的作用下发生渗漏。若存在渗漏,渗漏通道内岩体孔隙中将充满承压水形成径流现象,从而表现为低阻抗。当加载人工电流场,电流将主要通过这个低阻的电流通道传导,即渗漏通道电流密度大于围岩电流密度。流场法利用电流场异常的分布特征来推断水流场的分布特征,可快速、准确圈定渗漏入水口。流场法仅适用于探渗漏入水口,无法查明其它渗漏隐患。

1.3 自然电位法

通常岩体表面的晶格会吸附阴离子,溶液中则含有阳离子,当堤防存在渗漏隐患,水在岩体中流动,阳离子被带走,阴离子留在原地,于是,上游存在多余阴离子,下游存在多余阳离子,沿着水流方向形成了过滤电场。自然电位法通过观测过滤电场电位的分布特征及变化规律来判断渗漏通道及水流方向[11]。自然电位法基于天然场源,操作简单,测点密度高,适用于过滤电场较稳定区域,而不适用散浸、絮流,渗流量小的隐患探测[1,12]。

1.4 高密度电法

高密度电法是集合了电剖面和电测深的一种阵列式电阻率测量方法,其原理是给供电电极AB供电,再测量电极MN电位差,计算视电阻率,通过视电阻率的变化来获取地电信息[13-14]。如果堤防中存在渗漏通道或含水量较高,较围岩而言,则一般表现为低阻特征,因此,可以利用这个特征来寻找渗漏通道或富水区的空间分布。数据采集时,一次性将全部的电极布置在一定间隔的测点上[15],通过微机工程来控制程控电极转换开关实现数据快速自动采集[16]。一次布极即可完成数据横向、纵向的采集,同时获得水平、纵向上电阻率的变化特征,充分挖掘地下的地质信息,也便于最终成果的解释与展示。高密度电法高效、快捷、直观,但容易受到地形地貌条件的限制。

1.5 瞬变电磁法

瞬变电磁法通过不接地回线向地下介质发射一次脉冲磁场[17],磁场在传播过程中激励地下介质产生感应电流,在脉冲间歇期,感应电流发生衰减,产生一个电场传至地表被接受线圈接收。当堤防存在渗漏隐患,其电导率增大,产生的二次场也更强,因此可以利用二次电场的分布特征反演地层电性结构,从而间接推断渗漏隐患位置及其规模。瞬变电磁法对于低阻体敏感,探测深度大,深层的分辨率高,但易受电磁干扰,对浅层目标存在一定盲区。

1.6 探地雷达法

探地雷达利用发射天线将高频电磁波以脉冲形式传入地下介质,当遇到电性差异界面[18]发生反射,接收天线接收反射信号,通过分析反射信号的波形、振幅、频率、旅行时等信息,推断地下介质的结构特征。当堤防存在渗漏隐患,堤身含水率增大,介电常数增大,电导率增大,雷达波衰减明显,波长增大,其雷达剖面表现为低频高强反射,若同相轴错断则指示裂缝可能,若出现弧状反射同时振幅、频率变化则可能存在空洞。探地雷达采集快捷,工作效率高,浅层分辨率高,但受限于分辨率与探测深度的矛盾,不适合较大深度的探测,堤岸浸润线以下分辨率降低,无法探测渠底接触面的渗漏[2],且容易受金属和人工磁场的干扰。

1.7 瞬态瑞雷面波法

瞬态瑞雷面波是在介质自由界面(地表)垂直向瞬态激振,产生沿介质自由表面传播的弹性波[19],其质点的运动轨迹为一椭圆,振动方向垂直于传播方向。它的能量沿深度方向快速衰减,半波长内衰减70%以上的能量,一个波长内衰减90%以上的能量。对于非均质介质,不同频率成分波的传播相速度不同(频散),通过研究频散曲线的特征[20],获取速度信息,进而研究地下介质的分布特征。堤防存在渗漏隐患,表现为低速特征。瞬态瑞雷面波法的观测受地下水位的影响小,探测深度大,但易受到震源的影响。

2 案例分析

2.1 工程简介

南水北调中线天津干线工程全长153.8km,自河北省徐水县西黑山村流出向天津供水,主要为明渠,梯形断面,采用全断面混凝土衬砌,自流输水。某段渠道堤防右堤桩号77m处堤外观测到渗漏点并存在水流,如图1所示,此处的原始地貌为山间冲沟。根据观测资料,36h内出水量未发生变化,水体清澈,期间经多次测量,渗漏量约为2L/min。

图1 右堤桩号77m处堤外渗漏点示意图Fig.1 Schematic diagram of leakage points outside the right levee at stake 77 m

根据已知的信息及地质条件,采用充电法、流场法、高密度电法来综合分析堤防的渗漏隐患。

2.2 工作布置

在右堤渗漏出水点附近水面上布置充电法、流场法测线,以探测渠道内渗漏点位置;在右堤背水面外侧坡脚布置高密度电法测线,以探测堤身内渗漏通道或薄弱环节,具体的测线布置如图2所示。

图2 不同物探方法测线布置图Fig.2 Layout of survey lines with different geophysical methods

2.2.1 充电法

充电法以观测到正常场为准,垂直渠道方向布设测线,测线间距2.5m,测点间距2.0m。共布设19条测线,编号为C01～C19,对应桩号范围为60～105m。

在右堤堤外渗漏点处设置充电电极A,顺渠道距离出水点一侧上游200m河堤设置供电电极B(定义为供电的无穷远极)。顺渠道距离出水点下游170m河堤设置测量电极N(定义为测量的无穷远极)。在渠道水面上测线测点位置使用测量电极M记录充电电位值,发现异常之后加密测点,以确保准确的确定渠底渗漏水位置。

2.2.2 流场法

主要根据充电法测试异常情况布置测区,为了满足探测渗漏范围和工作精度的要求,该次探测采用2.5m×1.0m的测网布置测线,测线垂直渠道方向布置,在异常部位线距加密至1.0～1.5m,长测线L10～L28,加密短测线X29～X33,共布设24条测线,对应桩号范围为50～95m。

由于渗水点部位主要位于右堤桩号77m处堤外,其它的部位暂未发现渗水区域,测量时供电电极一端布置在渗漏出水口处,另一端布置在渠道右侧上游大约300m处,供电电流大于800mA。探头放置于距渠底0.2～0.5m部位。可以根据异常特征及测试探头不同入水深度观测渗漏异常变化情况,及时对可疑点进行重复观测。

2.2.3 高密度电法

沿右堤外侧坡脚布置1条高密度电法测线,测线垂直于渗漏通道走向,渗漏通道基本位于测线的中间部位。测试采用80根电极,桩号范围为2～160m。为了满足探测深度和精度的要求,选用温纳装置,极距为2.0m,电极隔离系数为13。

2.3 成果分析

2.3.1 充电法

由于供电点位于渗漏出水点上游,探测区域位于其下游,故下游电位值数据相较上游电位值数据逐渐减小。若渠道底板存在渗漏点,探测区域的电位分布将受到充电点电流影响,电位等值线产生畸变,集中渗漏点附近电位呈现高值异常,远离集中渗漏点则表现为电位值变低,散状分布渗漏点电位等值线会发生错位、畸变等;反之,即与充电点不产生连通现象,电位等值线由上游至下游相对稳定逐渐递减变化。

按D=1000×U/I计算测点的归一化电位值。式中,D为归一化电位值,V/A;U为观测电位,mV;I为供电电流,mA。图3为右堤渗漏点充电法探测成果图,在渗漏水点桩号77m处的异常较小,在探测结果中不明显,可能是受到水流速度影响;在桩号87m附近,电位等值线发生了畸变,存在一个异常区域,编号为Ⅱ#异常区。

图3 堤防右堤渗漏点充电法探测成果图Fig.3 Detection results of charging method for leakage point on the right levee

2.3.2 流场法

图4为右堤渗漏点流场法探测成果图,观测区域内的背景电位梯度值约为0.15mV/m。根据理论分析、相关规程及该工程的实际情况,确定该次探测异常的定性标准为:实测电位梯度值大于背景正常场电位梯度值3～4倍为有效异常,大于背景正常场电位梯度值4倍为可靠异常。据此电位梯度值为0.45～0.60mV/m的观测结果为有效异常,电位梯度值大于0.6mV/m的观测结果则为可靠异常。结合现场调查结果,可以清晰的发现,渠内的2个渗漏异常区顺渠向展布,渗漏区推断为衬砌板密封条带破损。

图4 堤防右堤渗漏点流场法探测成果图Fig.4 Detection results of flow field method for leakage point on the right levee

Ⅰ#异常区:此区域内电位梯度值为0.45～0.60mV/m,为背景电位梯度值的3～4倍,判定为有效异常。此渗漏区为顺渠向,距右堤岸约8.5～10.5m,沿右堤的桩号为62～78m,位于水渠底板与右岸堤坡的交接处,范围约16.0m(平行渠道)×2.0m(垂直渠道)。

Ⅱ#异常区:此区域内电位梯度值为0.60～1.00mV/m,异常的幅值明显大于Ⅰ#异常区,判定为可靠异常。此渗漏区为顺渠向,距右堤坡约3.0～5.0m,沿右堤桩号为85～90m,与充电法Ⅱ#异常区位置相对吻合,位于右堤岸边坡上,范围约5.0m(平行渠道)×2.0m(垂直渠道)。

2.3.3 高密度电法

图5为堤防渗漏点右岸高密度电法测试成果图。由图5可知,堤身内存在4个低阻异常区域,电阻率值在30Ω·m以下,判定为含水率高的薄弱部位风险点,将其编号为R0～R3,其中R0中心位置对应的桩号为45m,深度约4.0m;R1中心位置对应的桩号为62m,深度约3.5m;R2中心位置对应的桩号为77m,深度约4.0m;R0、R1和R23个含水率高薄弱部位风险点推测与水渠内Ⅰ#和Ⅱ#2个渗漏异常区有关。薄弱部位R3中心位置对应的桩号为114m,位于桩号104～124m之间,深度8.0～12.0m,推测此处为堤身土体不密实导致含水量较高。

图5 堤防渗漏点右岸高密度电法测试成果图Fig.5 Detection results of high density resistivity method for leakage point on the right levee

2.3.4 综合分析

图6为右堤渗漏点综合探测成果解释图,测线桩号77m处渗漏出水点附近的水渠内有Ⅰ#、Ⅱ#2个顺河流向的条形渗漏异常区,推断为衬砌板密封条带破损。右堤下存在4个含水率高的薄弱部位风险点,其中R0、R1、R23个薄弱部位推测与水渠内Ⅰ#、Ⅱ#两个渗漏异常区有关,R3薄弱部位推测为堤身土体不密实导致含水量较高。3种探测结果互为佐证、相互补充,探测成果可靠度较高。

图6 堤防右堤渗漏点综合探测成果解释图Fig.6 Comprehensive exploration results for leakage point on the right levee

3 结论

(1)充电法、流场法和高密度电法的综合应用,有效查明了渠道内2处渗漏水点的位置与范围,成功追索了堤身土体内4个渗漏通道或薄弱部位(含水率高)的空间分布位置及范围,查清了堤防的渗漏隐患。

(2)针对高密度电法探测的右堤4个含水率高的薄弱部位,建议在堤防的外侧安装测压管,实时观测堤防后土体渗水情况,发现异常及时处理。针对探测出的渠内集中渗漏带,建议根据堤防后测压管观测情况,加强现场的运行工作检查,必要时开展进一步技术检测,并适时的采取有效措施进行封堵,防止渗漏通道扩大而影响周边填方土体的稳定性。

(3)由于堤防渗漏隐患类型多、成因复杂、分布范围广,各类方法具有一定的适用性,但也存在一定的局限性。对于不同的渗漏问题,可以针对其地质条件及渗漏地球物理场特征选用适合的综合物探检测方法,综合分析,相互验证,相互补充,保障探测的效率与精度,全方位多层次查明渗漏隐患,并为后续处理措施的制定提供技术支撑与指导,从而保证堤防平稳安全运行。