堤壩隱患的天然源面波成像試驗研究及應用

潘紀順, 高東攀, 冷元寶, 李傳金 , 呂芝全, 朱四新, 朱 瑞, 趙 詳

(1.華北水利水電大學,河南 鄭州 450045; 2.黃河水利科學研究院,河南 鄭州 450003)

堤壩隱患的天然源面波成像試驗研究及應用

潘紀順1, 高東攀1, 冷元寶2, 李傳金1, 呂芝全1, 朱四新1, 朱 瑞1, 趙 詳1

(1.華北水利水電大學,河南 鄭州 450045; 2.黃河水利科學研究院,河南 鄭州 450003)

諸如空洞、軟弱層、滲漏、裂縫等病害嚴重威脅堤壩的安全,因此,堤壩隱患的探測具有重要的現實意義。當前應用到堤壩隱患探測的物理方法主要有直流電法、電磁法、彈性波法、放射性法和流場法等,而這些方法都是有源的,或者向地下供電,或者發射電磁波,或者產生地震波。而天然源面波探測是無源的,它利用地球表面無時不刻存在的微弱震動,從里邊提取面波信息,通過對面波頻散曲線進一步反演,可以獲得地下介質速度結構。通過黃河大堤隱患原型試驗和長江大堤的實際探測,表明該技術對探測諸如軟弱層等隱患有一定的效果和實際應用價值。

天然源;面波;堤壩隱患;黃河原型試驗;長江大堤

古今中外,歷朝歷代,水利建設都會得到足夠的重視。時至今日,中國大中型水庫已經超過8萬余座,水利堤防工程長度已經超過26萬km[1-2],長江三峽水電樞紐工程、黃河小浪底水利水電樞紐工程和南水北調等水利工程舉世矚目。自2011年起,中央財政每年向水利行業投放4 000個億元資金,且連續投放10年,由此可以預見,水利水電事業將處于一個快速發展時期,數量眾多的水利水電工程將應運而生,這必將對中國經濟發展和社會安定產生巨大影響。然而,許多堤防工程久經風吹雨打、河流沖刷、年久失修。有的水利工程水患后雖經反復修繕、加固,亦或由于存在施工質量問題而導致存在裂縫、洞穴、松散、軟弱層、滲漏層等各類隱患,這些隱患在洪水期間極易形成滲水、管涌、漏洞、散浸、跌窩等險情,嚴重威脅堤壩的安全。因此,如何有效、快捷地探明這些堤壩的隱患,成為關乎水利堤壩安全的一個科學問題。

新中國建國之初,基本上沿襲清代河務機構的“簽堤”方法探測堤壩隱患,即憑借“鐵簽”入土的快慢難易程度,根據人的直覺來判斷。“簽堤”方法探測深度淺,對規模小尺度的隱患容易遺漏。20世紀50年代末—80年代初,“錐探”方法在堤壩隱患探測中起主導作用,但是該方法依舊存在速度慢、效率低、易漏掉小尺寸隱患的缺點。然而,伴隨中國地球物理探測技術的發展,堤壩隱患探測技術得到了較大發展,并演化成“地球物理探測為主、鉆探為輔”的綜合探測體系。地球物理探測技術在堤壩隱患探測的應用追索到20世紀50—60年代的山東大學和山東省河務局,兩者合作嘗試利用鈷60放射性探測黃河的堤壩隱患。20世紀70年代,鞍山電子研究所研制了YB-1型暗縫探測儀,取得一定探測效果。80年代,山東省水利科學研究所成功研制了ZDT-1型堤壩隱患探測儀,并于次年獲得水利部科技進步二等獎[3]。在90年代中國加大了資金的投入,地球物理探測技術在堤壩隱患探測領域呈現蓬勃發展的趨勢。1990年鄧習珠等人利用其研制的TTY-1型便攜式智能堤壩探測儀成功探測了堤壩中的蟻穴隱患[4]。1992年,“堤防隱患探測技術研究”列入國家“八五”重點科技項目。1993年葛建國等人將淺層反射地震的方法應用到堤壩隱患探測中[5]。1993年劉康和等人將K剖面法成功應用到堤壩隱患探測中[6]。1994年陳紹求等人利用雙頻激電儀探測堤壩隱患[7]。1998年吳相安等人對地質雷達在堤壩隱患探測中的應用效果進行了研究[8]。1998年“三江洪水”爆發,當年水利部將“堤防隱患和險情探測儀器開發重大科技攻關項目”列入“988”科研計劃中。中國水利水電科學研究院研制了SDC-2型堤壩滲漏探測儀器,隨后,水利部長江水利委員會對地質雷達的觀測系統進行了革新,研制出了“雙頻多普勒相控陣探地雷達三維掃描成像系統”,水利部黃河水利委員會研制了ZDT-1型智能堤壩隱患探測儀,這些儀器在中國水利工程堤壩隱患探測中都有上乘的表現。2000年,國家自然基金資助了“洪水特性與減災方法研究”項目。2000年何繼善院士發明了利用水流場流向和相對流速來判斷堤壩隱患存在與否的“流場法”,該方法能夠有效地探測到滲漏、管涌類的隱患[9]。2005年陳建生等利用溫度場方法來研究堤壩滲漏通道,取得了一定的效果[10]。所有這些大大促進了中國堤壩隱患探測技術的發展,據統計,目前已經應用地球物理方法探測堤防工程2 000多千米,水庫100多座。

綜上所述,越來越多的地球物理探測技術被應用到堤壩隱患的探測中,每種方法都有其優缺點。但是,歸納起來發現,當前所有應用到隱患探測的地球物理方法都需要場源,為主動源探測。本文試圖另辟蹊徑,作為一種嘗試,將天然源面波成像技術應用到堤壩隱患探測中,試圖給出一種新的探測方法,給出了其在黃河隱患原型實驗和長江實際堤壩的探測結果。

1 SPAC法天然源面波成像技術

天然源面波成像技術是從地面觀測到的隨機噪聲,利用相關技術從中提取面波信息,繼而對面波頻散曲線進行反演得到地下介質的S波速度結構。該方法技術的理論是由著名地震學家Aki于1957年提出的[11],日本學者Okada H.大大發展了這項技術[12],中國許多學者也做了有益的探索[13-19]。當前占主流的SPAC方法要求布設2個同心圓,每個圓周上均勻布設3臺觀測儀器,圓心上布設1臺觀測儀器,采用極坐標系,微動信號是位置(r,θ)和時間t的函數,在地球表面存在A(0,0)和B(r,θ)兩點,A點為圓心,B點為圓周上一點,其天然源觀測信號表述為:

(1)

(2)

A、B兩點的空間自相關函數可以定義為:

(3)

圓周上B點和中心點A點觀測信號的標準化自相關函數的方位平均值可表示為:

(4)

式中:x=2πfr/c(f),J0(x)是第1類0階貝賽爾函數;c(f)或c(ω)為波的傳播速度;θ是波的入射角度;S(ω,r,θ)是圓心處的觀測信號和圓周上某點的觀測信號的交叉譜;S0(ω,0,θ)和Sr(ω,r,θ)是圓心處和圓周上某點的信號功率譜;ρ(ω,r)稱為空間自相關系數。

2 微動觀測儀器設備

本次試驗的設備系統由中國地震局地震研究所(武漢)研制,共有8套微動儀,每臺儀器由外接電源、GPS時鐘、數據采集器和拾振器四部分組成,如圖1所示。

(2) 基于層次分析法的主觀權重的確定。根據表4的專家打分，最終得出各指標的權重Wc={0.338，0.063，0.210，0.063，0.124，0.081，0.121}。

圖1 微動觀測儀器組成Fig.1 Composition of micro observation instruments

3 天然源面波成像技術在黃河隱患原型堤壩上的應用

在距離黃河花園口景區以西約3.7 km處的崗李水庫建設兩道平行的實驗堤進行病害設置,主要服務于病害探測實驗研究,監測實驗研究,堤防除險加固、潰決搶險實驗研究。

病害的種類設置主要有:①松軟層2處,埋深分別是1 m和3 m,每處長10 m,寬2 m,厚0.5 m,用干沙、石子、秸稈等混合雜物填充。②孔洞,管件規格為外徑0.5 m,長2 m,壁厚2 cm以內,在不同位置埋置深度1、2、3、4、5 m。③裂縫,采用高2 m、厚0.05 m的2塊絕緣泡沫板模擬,其中與實驗堤軸線方向垂直的稱為垂直裂縫,與實驗堤軸線方向成30°、45°交角的稱為傾斜裂縫。

由于堤頂狹窄,無法采用常用的同心圓臺陣觀測臺陣,實際觀測采用由兩個等邊三角形共邊組合而成的菱形臺陣觀測臺陣,如圖2所示,圓點表示臺站,一共有7個臺站。圓點上方為臺站的編號,分別為S1,S2,…,S7。S5位于觀測系統的中心,代表測點的位置。7個臺站所處位置的幾何關系為:臺站S1,S4,S6組成一個等邊三角形,其中心處放置觀測臺站S3;臺站S2,S4,S6組成另一個等邊三角形,其中心處放置觀測臺站S7;臺站S4和S6連線的中間處放置臺站S5;臺站S1,S3,S5,S7,S2在一條直線上。由于各測點的場地不同,S5-S4的距離有兩種,分別為1 m和1.5 m。

圖2 菱形觀測臺陣Fig.2 Diamond observatory array

圖3是7個臺站同時記錄60 s得到的波形圖。圖4顯示了7 個臺站同時記錄到的微動信號的功率譜。

3.1 對軟弱層的探測試驗

模型在樁號65～75 m段距壩頂3 m深度埋設厚度0.5 m的軟弱層,在85～95 m段距壩頂1 m深度埋設厚度0.5 m的軟弱層。觀測試驗中心點的位置分別為:66、68、72、74、76、78、80、82、84、86、91、93、95、97、99,也就是說,測點66、68、72、74位于3 m埋深軟弱層的上方,測點86、91、93、95位于1 m埋深軟弱層的上方,86、91、93測點位于兩軟弱層的中間位置。從反演圖像(圖5)可以看出,1 m、3 m埋深的軟弱層都能夠得到較好的反映。同時從圖像反映出來,6 m處有一個界面,為新筑堤壩的底界面,其下11 m附近同樣有一個界面,這表明天然源面波成像技術在分層結構的探測應用中有較好的效果。

圖3 觀測時間為60 s的一段波形圖Fig.3 Oscillogram of 60 seconds observation time

圖4 7個臺站同時記錄到的微動信號的功率譜Fig.4 Power spectrum of micro signal by seven stations

圖5 軟弱層的探測試驗反演圖像Fig.5 Inversion image of probe test in weak layer

3.2 對孔洞的探測試驗

孔洞的探測試驗主要針對3 m埋深和1 m埋深的2種類型試驗,其中,樁號12 m的測點正好位于3 m 埋深管子的正上方,針對3 m埋深管子,做了觀測點中心在9.5 m、11.5 m、12 m、12.5 m的觀測試驗,其圖形見圖6-(a)。盡管分辨不好,但是可以明顯看出3 m埋深管子形成的高橫波速度的團狀反映。而對于埋深1 m的管子,其中心點位于觀測點5 m的正下方,做了觀測點中心在4.5 m、5 m、6.5 m的觀測試驗,結果見圖6-(b)。1 m埋深管子的形態有稍許反映,但是,已經遠沒有3 m埋深的探測效果好。

圖6 孔洞的探測試驗圖像Fig.6 Probe test image of holes(a).埋深3 m;(b).埋深1 m。

對于垂直裂縫,其位于樁號60 m的正下方,同時在樁號59 m、60 m、60.5 m、61.5 m做了觀測,反演后構制的成果圖見圖7,從圖上并未發現裂縫的存在,微動探測分辨不了裂縫隱患。

圖7 裂縫的探測試驗反演圖像Fig.7 Inversion image of probe test of fissure

4 天然源面波成像技術在張家港長江堤壩上的應用

張家港長江大堤朝東圩港段現有堤壩歷史上經歷多次改造,在做防洪規劃設計之前需對當前堤壩的情況做一個詳細地了解,勘察單位布設了鉆孔,應用地質雷達、高密度電法等物探手段進行了探測,也進行了天然面波探測試驗。

實驗在晚上進行,天氣晴朗,微風?；旧蠜]有干擾,采集的數據質量也比較高。實驗臺陣布設如圖8所示,臺陣半徑R=3.2 m、r=1.6 m,拾振器使用1檔,共進行了8次觀測,每次觀測30 min左右。

圖8 朝東圩港堤段臺陣布設Fig.8 Array layout of Chaodong section

實驗時數據采集的條件比較好,各個點都得到了結果。對每一個臺陣觀測到的頻散曲線進行反演,得到了8條一維的剪切波速度結構,使用Kriging法進行插值,得到了臺陣下方的剪切波速度剖面,如圖9所示。

由圖9可以看出,長江大堤朝東圩港段在6 m深度存在一明顯界面,分析為新舊堤的一個分界面,在淺部淺色部分顯示堤壩壩體淺表存在局部不均勻。

4 結論

通過原型堤壩試驗和在張家港長江大堤的實際檢測,可以得到以下結論:

(1) 微動探測技術在堤壩隱患探測中可以作為一種新的手段來研究,其最大的優點是無需提供物理源,并且探測對堤壩是無損的。

圖9 長江大堤探測成果圖Fig.9 Detection results figure of Changjiang grand dyke

(2) 原型堤壩隱患的微動探測試驗表明,微動技術能夠較好地解決軟弱層的探測問題,對孔洞的探測也有一定的反映,但是對裂縫的探測卻沒有效果。

(3) 微動探測技術能夠較好地進行堤壩的分層,尤其是對不同時期堤壩的區分有現實意義。

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(責任編輯：于繼紅)

Natural Source Surface Wave Imaging on the Hidden Trouble of Dikes and Dams

PAN Jishun1, GAO Dongpan1, LENG Yuanbao2, LI Zhuanjin1, LV Zhiquan1, ZHU Sixin1, ZHU Rui1, ZHAO Xiang1

(1.NorthChinaUniversityofWaterConservancyandHydroelectricPower,Zhengzhou,Henan450045; 2.YellowRiverInstituteofHydraulicResearch,Zhengzhou,Henan450003)

The troubles such as caves,weak layer,leakage and cracks threaten the safety of dikes and dams. So it is important to detect the troubles. Nowadays the geophysical method used in detection of the troubles including DC electrical method,electromagnetic method,elastic wave method,radioactive method and flow fluid method. All these methods are active,some need supply electric current,some need eject electromagnetic wave,the other need create seismic wave. However passive surface is passive. The passive surface method gets the surface wave from the microtremor which exists on the earth surface all the time. The subsurface velocity structure will be obtained by inverting the wave dispersive curve. Both Yellow River dam trouble prototype test and the practical detections in the Yangtze River dam prove the passive surface method is effective to detect the weak layer trouble and it has some practical application value.

natural source; surface wave; dikes and dams troubles,Yellow River prototype test; the Yangtze River dam

2016-05-16;改回日期:2016-05-30

國家自然科學基金(41174052);河南省基礎與前沿技術研究計劃項目(112300410252)。

潘紀順(1968-),男,教授,博士,地球物理專業,從事工程地球物理勘探、地震數據處理及地球物理反演等的教學與研究。E-mail:jspan123@126.com

TV871

A

1671-1211(2016)03-0306-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.014

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160530.0937.018.html 數字出版日期:2016-05-30 09:37