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壩體浸潤特征的并行電法連續監測技術
新聞作者:譚磊,胡雄武,張平松,許華麗,左汪會  發布時間:2018-04-10  查看次數:  放大 縮小 默認
譚磊,胡雄武,張平松,許華麗,左汪會
(安徽理工大學地球與環境學院,安徽淮南232001)
    摘 要:基于水庫壩體浸潤特征是水庫安全性檢測的重要指標,常規觀測手段受限于測點少,費用高,易受損壞等缺點,難以發揮出應有的效益。根據室內測定電阻率與土體含水率之間的相關關系,提出利用并行電法技術連續多頻次測試壩體浸潤特征的新思路。在壩體內部水位升降引起電阻率響應特征的數值模擬基礎上。結合室內物理模型試驗的結果表明.并行電法技術可以達到連續監測壩體水位升降動態變化全過程的目的。在實際工程應用中采用同一測點浸潤前后電阻率的變化率和不同測線位置垂向上電阻率比值參數分析技術,可直觀有效地標定出壩體水位的位置,F場監測試驗結果證明了并行電法時移技術監測壩體內部浸潤動態特征中的可行性。為壩體安全評估和治理提供了有力的技術支持。
    關鍵詞:浸潤特征;含水率;并行電法;動態變化;比值參數
    據全國第一次水利普查資料顯示,截止至2012年底,我國江河已建堤防近27萬km,已經建成各類水庫98002座,水庫總庫容932312億m³[1]。為確保眾多水利工程發揮良好的社會經濟效益.必須實時掌握壩體運行狀態的第一手資料。因地制宜進行有效地合理管控。這其中壩體內部浸潤線的高低,是進行堤壩防滲能力和穩定性等狀態進行科學評價有效的技術參數。因此,掌握壩體浸潤特征的動態變化過程、對判斷和評估壩體病害的演變歷程,工程穩定性評價及后期的運行維護等會起到重要的作用[2]。
    目前,針對壩體水位測試的技術手段主要分為直接和間接兩大類。其中測壓管[3]、滲壓計[4]等測量設備可直接準確反映出壩體某點的水位高程,但此類傳感器需要在典型橫切面上預設一定數目的觀測孔,難以實現大面積隨機測量。同時,針對長距離堤壩的縱剖面浸潤特征的描述.稀少的離散化測點數據顯然達不到精準調查目的。而間接測量方法憑借其快捷,準確,無損,加密測量點的優勢,逐漸成為壩體浸潤特征測試中的重要手段,十要有探地雷達法[5],高密度電法[6],激發極化法[7],自然電場法[8],流場法[9],淺層地震法[10],瞬變電磁法[11]等技術。不過此類手段限于自身的局限性和壩體條件的復雜性.無對照性僅足單次勘探達不到實時跟蹤監測壩體內部變化過程的要求.難以判斷和預測壩體的破壞趨勢.不能形成長期的監測預報系統[12]。本文采用電法測試技術,通過建立了不同水位高程的壩體數值模擬,分析反演斷面的電阻率分布。討論不同水位壩體的電阻牢響應特征。在此基礎之上。利用井行電法技術進行了不同水位壩體監測特征的物理模型試驗.并結合現場上程驗證了該技術的有效性。
1 壩體浸潤特征的并行電法測試基本原理
    作為直流電法的新發展,并行電法技術是根據AM、ABM兩種不同的供電方式,采集到地下地質體在人工供電條件下形成穩恒電流場的地電信息。集成電剖面和電測深為一整體,結臺電阻率層析成像等技術,從他場數據觀測及電阻率反演等方面改進而成[13]。并行電法是通過改進測線多點數據采集方式,實行擬地震式數據采集構架,供采分離,極采同步,大大提高施工效率,實現了快捷海量數據的采集,多次覆蓋式疊加系統降低隨信號機[14]為水位動態長期連續監測提供了技術前提。
    電阻率是表征物質導電性的基本參數之一[15],是由溫度、壓力、孔隙度、孔隙結構、飽和度等因素[16]綜合決定。土質壩體電阻率的分布主要受控于土質含水率的大小,正確認識電阻率與含水率之間的關系,對壩體并行電法測試應用具有重要物性意義。本次試驗儀器選用WBD并行電法儀.測試土體是利用取土器取自于多種類型土石壩,測試采用小四極法中的溫納四極排列方式進行不同含水率黏士體的電阻率測試。限于篇幅,選用某均質土壩中黏土的電阻率與含水率之間的關系(見圖1)作簡要說明。從圖1中曲線圖上可以直觀看出,黏土的電阻率整體是隨著其含水率增加而呈現逐漸減小的趨勢但不同含水率范圍內電阻率的變化規律是不盡相同的;在含水率8%~17%之間.電阻率下降的尤為劇烈。
圖1 電阻率與含水率之間的變量關系
 
    土石壩體基礎主要是由黏土和砂石等固體骨架構成.由于土體含水量的不同造成不同深度位置壩體的電阻率存在差異,這為并行電法測試壩體水位高度提供了物性基礎。當壩體內部水位穩定時,水浸壩體部分的電阻率較小,表現為相對低阻;水位以上部位,相對呈現出高阻區域。因此,可以根據壩體電阻率之間的差異,長期連續探測壩體電阻率的動態變化規律。從而識別出壩體的浸潤特征變化情況,為評價壩體穩定性和健康狀況提供可靠的依據。
2 壩體內部水位升降的模擬實驗
    為了討論壩體浸潤后電性響應基本特征,分別采用數值模擬和物理模型試驗進行說明。模擬和模型材料參數選用方面不僅符合相似定律,且滿足電性參數的相似準則。
2.1 數值模擬實驗及分析
圖2 壩體模型縱剖面背景地電斷面

圖3 壩體電阻率值與水位升降關系
    本次數值模擬足在EarthImager2D軟件的正反演模擬平臺上進行。模型是山壩項長度1.26m,壩深為0.26m的堤壩縱剖面斷面構成。壩體土體電阻牢設置為100Ω•m,水的電阻率設為1Ω•m(見圖2)。壩體中水位分別設置為-0.23m,-0.20m,-0.15m,-0.11m,-0.07m,-0.04m,-0.02m等幾個位置。在壩頂而批布置64道電極,電極間距0.02m。采用垂向上分辨率較高的溫納四極[17]裝置作為測帶方式,得到一組壩體電阻率變化的剖面(圖3)。
    從反演電阻率剖面圖上可以看出.整體電阻率值與水位的抬升具有緊密的聯系。不同高程的水位反演圖對比分析,得到了以下認識:壩體內部電阻率隨水位的上升而下降,可以根據電阻率的變化情況反映出壩體內部水位動態變化;但對于壩體水位較深的部位,電阻率的變化明顯性降低,分辨能力有限。
    為了進一步更加準確分析出該縱剖面壩體水位的位置,通過提取壩體同一位置不同深度水位的電阻率變化率來加以探討。

    式中:△為電阻率的變化率;ρ1為提取07m水平剖面位置處不同水位深度電阻率值:ρ2為無水浸情況下的背景相應的電阻率值。
    從數據曲線圖4中,可以看出隨著水位的不斷升高電阻率變化率也逐漸增大,主要呈現出變化率由快到緩,最后又加快的變化規律。不同深度水位變化率不同,深度較深時變化幅度相對較小,可靠性低,這也符合直流電法的勘探深度問題。此次通過對電阻率變化率的分析,可以加強對水位測試準確度的基本評價。
圖4 同一平面位置不同水位深度的電阻率變化率趨勢
2.2 物理模擬實驗及分析
    物理模型在室內的有機玻璃水槽中進行,水槽的具體參數如下:整體高度0.6m,長度為1.3m,寬0.8m,壩體兩端采用垂直面。實驗選用含水率為12%的黏土作為筑壩材料,填筑過程中采用分層輾壓方法,保持土體的均一性。壩體模型長度為1.3m,高度0.5m.梯形壩頂和壩底上下層面分別為0.4m,0.6m,圖5為壩體的模型圖。電極采用直徑0.5mm,長度2cm的銅棒自制而成,電極間距為2cm,共布置64道電極。實驗過程中,每注水5cm靜止2h后,測量1次,共得到11組電法數據。限于篇幅,本文選用了4組并行電法采集的數據進行對比分析,說明實驗效果,見圖6。
圖5 壩體物理模型

圖6 壩體水位變化的電阻率反演斷面
    未注水時電阻率斷面整體表現出相對高阻,位于-0.2~-0.3m區域內電阻率100左右,淺表層低阻為部分浸水增強電極耦合結果。隨著水位的上升斷面電阻率呈下降態勢,低電阻率線逐漸上升。從試驗水位變化的結果來看,并行電法技術在浸潤特征動態變化中效果明顯。不過限于水槽體積等其他因素影響,本次實驗判定水位的具體位置還需要深入研究。
3 現場測試驗證
    浙江某水庫是一座以防洪為主,結合供水兼灌溉等為主綜合利用的小型水庫。大壩為均質土壩,壩頂高程12680m,最大壩高293m,壩頂長132m。為查除隱患先后兩次對該水壩進行現場探測,勘察測線在壩體中軸線位置線性布置,電極極距1m,共布置了64道電極,測線長度63m,其中1號電極距左壩1.5m。
圖7 兩次探測大壩電阻率反演斷面
    圖7(a)是在壩面受雨水浸潤潮濕的情況下探測的反演結果斷面圖,相比圖(b)電極接地電阻較小,更客觀反映出壩體上表面的電性特征。均質粉質黏土壩體受內部水位影響。由淺到深電阻率呈遞減趨勢,直至受壩體飽和含水阻值基本穩定。根據測量電阻率的分布情況,初步推斷出壩體內部水位如圖7中虛線所示,(a)中水庫蓄水量較大,壩體水位高程基本位于129-127.5m之間,由于剖面各處壩體介質差異,致使水位并不在同一水平線上。(b)中受庫水位下降的原因,壩體水位也顯現出不同幅度的下移。因此,從反演斷面上可以看出兩次探測次水位明顯升降,這與觀測到水庫內水位下降相吻合,說明并行電法測試技術在此方面的有效性。
    由于壩體介質類型,結構性質不一致,測試得到的電阻率值是多介質,多因素綜合等效的結果。通過電阻率之間的差異劃分水層界面存在一定的困難,但是在垂向上電阻率發生突變點正是壩體水位界面的位置(18)。

    式中:KL指不同垂向上相鄰測點問電阻宰比值參數;L指測線水平方向上的位置;Ha指垂向深度上的數據點。
    水位面兩側壩體介質含水量的不同引起電阻率具有一定的差異性,含水界面上測電阻率由上到下一般遞減,表現為KL小于1的值,含水層面位置或下方,電阻率基本保持不變。KL通常為1。圖8是圖7經過比值參數改正后的電阻率變化分布圖,圖像直觀清晰的反映出壩體內部水位的分布。通過比值參數進一步校正了根據電阻率判定水位的準確度,圖中標定的紅色虛線為壩體水位的位置。在淺層不舍水的位置也出現KL為1的比值區域,壩體表面存在較多的碎石干擾,這也一定程度上反映出電極接地不良造成電阻率測量的虛假異常范圍。
圖8 兩次探測大壩電阻率垂向比值參數
    此外,根據兩次探測電阻率圖像可以看出(見圖7),測線上30-48m位置下方存在相對周圍介質表現橢圓形低阻區域。并且這種低阻隨著壩體水位的升降,異常區域中心位置也發生相應的改變,水位淺時,異常區高程在124m左右;水位下降時,異常區下降到122m深。壩體內部結構受到水體的充填,較周圍壩體在電性上呈現相對低阻。這種打破了縱橫向電性的變化,常是病害的多發地,因此為了保障壩體的安全。進行了鉆探驗證。從鉆孔柱狀剖面上可以看出,該處土質含水量較大,位于壩體與壩基的接觸帶上。后續應對此范圍加密勘探,觀測低阻區區域的發展情況以及動態變化規律,從而為水庫壩體的安全提供預警資料。
4 結論
    (1)并行電法系統可以實現對壩體內部水位升降動態變化的實時跟蹤測試。獲得的電阻率參數一定程度上反映出壩體內部介質物理性質的變化。與此同時也可對壩體病害進行探查,豐富了壩體內部情況的信息量,這對壩體質量的安全性評價起到重要作用。
    (2)文章利用壩體水位變化的電場響應模擬和不同水位變化的壩體物理模型試驗,并采用水位升降引起電阻率變化率參數技術進一步加強了水位的甄別,提高了并行電法探測水位變化的直觀和有效性。
    (3)由于壩體電阻率是多種因素綜合作用的結果,且水位附近電阻率值表現出漸變性,但在含水層面表現突變的特點,利用垂向相鄰測點電阻率比值參數的大小進行水位的標定。此項處理手段增大了電阻率區分水位的分辨力。
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文章摘自:2015年10月《南水北調與水利科技》第13卷第5期
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