1.2　堤坝隐患探测技术

1.2.1　国内外研究现状

19世纪20年代,P.佛克斯研究了英国康瓦尔铜矿的自然电场,当时并未得到实际应用。20世纪初,电法正式引入矿床勘探。到20世纪20年代,在法、美、苏联、加拿大等国得到广泛应用。电法探测首先起源于金属矿床勘探,后来拓展到水文地质、工程地质等领域。随着电法探测应用的推广,又出现了磁法、地震法、声波法以及其他综合测井等方法。

我国于20世纪50年代将工程物探技术拓展应用于堤坝隐患探测,当时只有少数人做过试验。20世纪70～80年代,物探方法逐渐应用于水利工程。到了20世纪90年代,特别是1998年洪水过后,我国堤坝隐患探测技术得到飞速发展[23-38]。1974年山东省水利科学研究院率先在国内开展了应用电法探测堤坝渗漏隐患的研究,并得到成功应用。随后以黄河物探总队、重庆地质仪器厂、中国水利水电科学研究院等为代表,推出了基于时间域电磁法、自然电场法、电阻率法、地震波、雷达波等方法的堤坝隐患探测仪器。经工程实践验证,利用同位素测井技术、天然示踪技术和“流场法”亦能有效发现堤坝隐患[18,19,21,39-57]。

1.2.2　主要探测手段工作原理

1.自然电场法

自然电场法又叫自然电位法。根据自然电场的形成原因可以将其分为三类,即氧化还原电场、过滤电场和扩散电场[58]。氧化还原电场是由金属导体在一定条件下形成的;扩散电场是当两种岩层中溶液有差异时由离子迁移形成的,因此它很难被观测到[58]。自然电场探测堤坝隐患主要是探测过滤电场。地下水在流过多孔介质时,土颗粒和岩石颗粒会吸附水中的负离子(研究表明泥质颗粒、泥质岩层及沉积岩主要吸附负离子),则水通过多孔介质后显电正性,沿水流方向电位较高,背水流方向电位较低,达到稳定状态后便形成了稳定的自然电场(过滤电场)[58]。当堤坝中存在渗漏隐患时,渗漏的库水流过坝体时,坝体土颗粒便会吸附库水中的负离子,渗漏水流带着多余的正离子往下游渗漏。随着时间的增长,这种正、负离子分布差异逐渐增大后达到稳定,于是在坝体内便形成了稳定的电场,即自然电场,通过探测坝体自然电场分布便可以确定坝体内的渗漏隐患。根据自然电场形成原理,应用自然电场法可以探测坝基地下水流向、坝体渗漏地段等。应用自然电场法探测堤坝隐患时须注意基点的选择,基点必须选择在土壤湿润、均匀、电场稳定的地方,并确保基点良好接地;避免将基点选择在干燥的乱石堆或者能产生氧化还原反应的岩层上[4]。自然电场电位较小,因此要尽量远离干扰区,同时保证测量仪器具有较高的灵敏度。自然电场布线需垂直地质体的走向,探测方法主要有电位法和梯度法。

2.电阻率法

电阻率法包括电测深法、电剖面法和高密度电法,其中高密度电法是综合了电测深法和电剖面法的一种方法。电测深法是指通过改变供电电极距离,达到改变测量深度的目的,从而确定垂直深度上地层电性的变化规律。电剖面法是保持电极极距不变,沿测线方向移动电极达到测量同一深度平面上不同点处电阻率的目的。高密度电法集合了电测深法和电剖面法的优点,高密度地布置电极,测量不同电极之间的电阻率,同时获得水平方向和垂直方向的电阻率变化。电阻率法探测堤坝隐患主要根据岩石、土层的导电性、电化学活动性、介电性等性质的差异,探测坝体内物理场的变化规律,确定隐患区。对于均质土坝,不存在隐患时,电阻率在同一水平面上应该是相等的;在垂直方向上,以坝体浸润线为界,浸润线上部非饱和带应表现为高阻,浸润线以下饱和带应为低阻。如在坝体内部有不均匀土体、空洞、裂缝或者渗漏通道,则电阻率等值线会出现畸变,在隐患处电阻率等值线表现为低阻或者高阻闭合曲线。电阻率法探测时应注意减小接地电阻,防止仪器漏电等情况。常见的装置形式有二极装置[图1.1(a)]、三极装置[图1.1(b)]、对称四极装置[图1.1(c)]、联合剖面装置[图1.1(d)]、偶极装置[图1.1(e)]和中梯装置[图1.1(f)]等。

3.探地雷达法

探地雷达的工作原理是通过“天线”以宽带脉冲向堤坝发射高频电磁波,高频电磁波经地层介质反射后被“接收天线”接收,由于堤坝地层介质电磁特性存在差异,所以电磁波在堤坝介质内传播后波形强度和路径都会发生变化,雷达主机对接收电磁波的波形和强度等信息进行分析处理后就可以获得“目标”的位置和形态(目标即为隐患)。

利用探地雷达法探测堤坝隐患时需根据以下经验加以判断:填土层波形粗黑、杂乱、不规则、不连续;粉质黏土层波形连续、较黑;淤泥质黏土层波形均匀、细条、浅色、发射强度不大;混凝土块电阻率较高,反射强度小,波形较白[4]。利用探地雷达探测堤坝内部存在的空洞、坝基结构疏松等隐患时需注意:发射的电磁波能量足够大,不仅能够到达目标体,且能反射回地面被接收器收到。目标的阻抗差别要足够大,能将电磁波充分反射,且目标体积足够大,满足探测深径比要求。探地雷达的工作原理如图1.2所示。

4.瑞雷波法

地震波产生的纵波和横波在介质中传播,遇到界面时会发生反射和折射。当介质存在分界面时,在一定条件下,纵波和横波会发生互相干涉,并叠加产生一类频率较低、能量较强的次生波,即面波[58]。瑞雷波就是其中的一种面波。瑞雷波产生后沿厚度约为一个波长的地表传播,同一频率的瑞雷波在不同地质介质中的传播速度也不同,因此通过探测某一固定波长的瑞雷波沿地表水平方向上的不同传播速度,可以反映一个波长厚度地表内沿水平方向地层介质的变化情况。不同的瑞雷波波长,可以探测到不同深度地层的地质情况。瑞雷波法分稳态和瞬态两种工作方式,以瞬态为主。

瞬态瑞雷波的工作原理如图1.3所示。

5.电磁法

电磁法可以分为时间域电磁法(直流电法、瞬变电磁法)、频率域电磁法(交流电法)和脉冲瞬变场法。堤坝隐患探测中主要应用时间域电磁法[4]。时间域电磁法的工作原理是:敷设在均匀大地上的发送回线中的电流产生磁力线,当该回线中的电流发生突变后,不接地回线向地下发送一次脉冲磁场,地层介质在该变化的一次磁场作用下产生衰变的二次磁场向上传播,接收线圈接收二次磁场。二次磁场随时间的变化特征,反映了地层导电体的电性分布情况,据此可以判断地层中可能存在的隐患或异常体的位置、形状。电磁法按发射线圈和接收线圈的结构形式分为分离线圈式和中心回线式,国内多采用分离线圈式。分离线圈式用于探测深度大于30m的隐患,中心回线式主要探测深度小于30m的隐患。分离线圈式电磁法的工作原理如图1.4所示。

6.示踪法

示踪法主要分为天然示踪法和人工示踪法。天然示踪法主要有温度示踪、电导示踪、稳定同位素示踪和水化学分析等[40,59]。人工示踪探测主要是人为投放一定性质的化学物质,如罗丹红、食盐、131I等,通过跟踪探测投放的示踪剂浓度随时间的变化,确定地下水流速、流向和渗漏通道等[40,59]。

7.流场法

流场法探测堤坝渗漏隐患是中南大学何继善院士首先提出的。该方法主要原理是:当渗漏发生时在正常的水流场中将产生异常流场,此异常流场的速度矢量指向渗漏口。由于电流场和水流场具有相同的数学形态,因此在空间上也具有相同的分布。根据电流场和水流场的相似性,测量电流场在空间的分布,可间接得到水流场的空间分布,从而确定异常水流的三维速度矢量,该矢量方向即为渗漏口[55,60,61]。