綜合物探方法在堤壩滲漏通道檢測中的應用

張明財,祁增云,李 洪

(1.中南大學地球科學與信息物理學院,湖南 長沙 410083；2.有色金屬成礦預測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點實驗室,湖南 長沙 410083；3.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,陜西 西安 710043)

堤壩滲漏是危害堤防安全運行的主要因素之一，及時、準確地封堵堤壩前的滲漏入口或截斷堤壩內(nèi)滲漏路徑，是遏制險情發(fā)展、避免發(fā)生堤壩潰決的有效方法，而查找堤壩內(nèi)部的滲漏隱患成為亟待解決的問題。堤壩隱患探測的常規(guī)方法主要有地質(zhì)鉆探、人工探視和地球物理勘探三種。前兩者均不能滿足快捷、精細、準確和無損等要求。而且地質(zhì)鉆探既具有局部性，又具有破壞性；人工探視方法既費時費力，又難于發(fā)現(xiàn)隱患；因此，地球物理方法在堤壩隱患探測中發(fā)揮著重要作用。分析研究堤壩隱患可能產(chǎn)生的地球物理異常場，選擇有效的探測方法，是物探方法取得成功應用的關鍵。

近年來，物探工作者出于對社會的責任感，探索出了大量的堤壩滲漏通道探測方法。周俊龍,江世永,王兵等[1](2008)在分析高密度電阻率法基本檢測原理的基礎上，對采集的數(shù)據(jù)用二維有限元進行了模擬成像，檢測結(jié)果與開挖結(jié)果較吻合；杜華坤，喻振華，湯井田[2](2005)在分析已有方法的基礎上，提出利用有限元法將高密度電阻率法用于堤壩滲漏監(jiān)測并做理論上的分析，數(shù)值模擬結(jié)果表明：高密度電阻率法在理論上能夠?qū)σ欢ㄉ疃确秶鷥?nèi)的滲漏通道進行監(jiān)測，并結(jié)合多剖面觀測方法能追溯其走向；王朋[3](2009)結(jié)合國家自然科學基金項目“土石壩滲漏的波-電耦合成像診斷技術(shù)研究”(合同編號50779081)，運用二維電阻率層析成像技術(shù)對土石壩滲漏診斷進行了較系統(tǒng)的應用研究。杜家論,范建軍,王穎軼等[4](2016)在吳淞導堤工程中成功應用了超聲波檢測、探地雷達技術(shù)，取得了良好的效果。房純綱,葛懷光,賈永梅等[5](2005)研制成功堤防和土壩滲漏隱患探測專用瞬變電磁儀，并成功應用于段堤防和座大壩滲漏隱患探測。中國工程院院士何繼善[6](1999)提出了適合在汛期快速探測堤壩滲漏險情和滲漏、管涌進水口的“流場法”，此后，該技術(shù)不論在工程實踐[7- 8]中還是在理論研究[9- 10]中都得到了飛速的發(fā)展。

1 工程背景

某水庫左岸防洪堤在閘前約310m長為新建堤段，最大堤高20m。之后至庫尾，堤頂高程按P=2%的設計洪水頻率加安全超高確定，堤頂設1.0m高的防浪墻，能擋P=0.2%的校核洪水位并考慮適當?shù)某摺７篮榈逃嫫卤?∶1.6，根據(jù)不同的擋水高度及交通要求，在樁號為左防6+887.50～左防2+166.40按C25鋼筋混凝土面板設計，堤頂寬5.0～8.0m；在樁號為左防2+166.40～左防0+000.00按C20素混凝土面板防滲，堤頂寬5.0m。防洪堤后坡坡比1∶1.5，均采用干砌塊石護坡。該水庫自投產(chǎn)運行以來，左岸閘前約310m長的新建堤段多處出現(xiàn)較大滲漏水，局部呈股狀涌水現(xiàn)象。布置在該堤段末端的滲漏監(jiān)測資料表明，滲漏量達到300L/s。后雖經(jīng)過相關處理，滲流量有所減少，但根患未除。為確保水庫安全運行，急需滲漏探測，以便查明入滲點及可能的滲漏通道分布情況。圖1為左防6+687剖面設計圖及堤后滲漏圖。

圖1 左防6+687.5剖面設計圖及堤后滲漏圖

2 工作方法技術(shù)

由于水庫整個堤壩表面為混凝土和干砌石，無法埋置電極，或無法形成良好的接地條件，造孔勢必會破壞堤壩內(nèi)部構(gòu)造，可能會造成滲漏的加劇，固在本次檢測中不采用高密度電阻率法和CT層析成像技術(shù)。結(jié)合工程地質(zhì)特點及現(xiàn)場測試條件，在庫區(qū)和出水口布設管涌儀探測系統(tǒng)，探查滲漏通道入口，在漿砌石壩面布設探地雷達和瞬變電磁測線，以期探查滲漏通道。測線布置示意圖如圖2所示，其中紅線表示瞬變電磁法測線，綠線表示探地雷達法測線。

圖2 左岸防洪堤滲漏檢測物探測線布置示意圖

2.1 偽隨機流場法

偽隨機流場法是何繼善院土提出的一種主要用于汛期查找滲漏管涌入水口的新方法。管涌滲漏入水口近似相當于堤防內(nèi)部滲流場的源頭，而滲流場的數(shù)學控制方程為拉普拉斯方程，與恒定電流場的數(shù)學控制方程相同，因此它們在空問分布上應該具有相似的規(guī)律。偽隨機流場法通過在庫水(或尾水)中分別設置偽隨機波形的電流場發(fā)射源，使得該電流場在滲漏通道的分布只與庫水(或尾水)引起的滲流場高度相關，通過滲漏通道中偽隨機電流場的分布特征來檢測其滲流場的特征以及與庫水(或尾水)的連通關系。

本項目中A極置于最大滲漏點，無窮遠極B置于上游1000m處庫區(qū)水下12m，并用重物固定。測試區(qū)域內(nèi)大范圍采用2m×2m網(wǎng)格精度探查，然后對主要異常區(qū)進行橫縱向反復確認。

2.2 探地雷達法

探地雷達利用超高頻電磁波(主頻為106～109Hz)以寬頻帶短脈沖形式，通過發(fā)射天線傳入地下，經(jīng)地下地層或目的物反射后返回地面被接收天線所獲取如圖3所示。由于電磁波在介質(zhì)中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形會隨所通過介質(zhì)的電學性質(zhì)及幾何形態(tài)而變化。因此，根據(jù)接收到波的旅行時間、幅度與波形資料，可以推斷介質(zhì)結(jié)構(gòu)變化。

圖3 探地雷達探測原理示意圖

本項目中采用中心頻率為400MHz的屏蔽天線，沿背水護坡等高線布設RD1測線，沿護坡坡面布設RD1～RD6測線，由于護坡為干漿砌石，表面凹凸不平，采用點測模式，測點點距為20cm。

2.3 瞬變電磁法

瞬變電磁法又稱時間域電磁法(TEM)，是利用不接地回線向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，利用線圈觀測二次渦流，通過分析二次場的空間和時間分布規(guī)律解決有關地質(zhì)問題的方法。

圖4 瞬變電磁法探測原理示意圖

其基本原理就是電磁感應定律。根據(jù)其傳播規(guī)律可知，最初激發(fā)的感應電流局限于地表，并在緊靠回線處的一次磁場最強，隨時間推移，地下感應電流呈環(huán)帶分布，逐漸向下，向外擴散，強度減弱，分布趨于均勻，其探測原理示意圖如圖4所示。

本項目中在堤壩頂及護坡分別布設TEM1和TEM2測線此次勘探該法布置于左岸防洪堤壩頂及背水面護坡。測試參數(shù)為：采用矩形大定源方式，發(fā)射框60m×40m，接收框3m×3m，測試點距2～3m。經(jīng)現(xiàn)場試驗，發(fā)射頻率采用4Hz、8Hz、16Hz三種，30次迭加，采樣間隔16μs，輸出電流4～5A，增益8倍，關斷時間3.9μs。

3 探測成果分析

布設于水庫中的偽隨機流場法測線成果如圖5所示，靠近堤壩樁號0～25m范圍內(nèi)信號值明顯增大，推測滲漏入口位于該范圍內(nèi)面板與趾板處。

圖5 偽隨機流場法成果平面圖

布設于堤壩頂部的TEM1測線的成果剖面圖如圖6所示，樁號為18～21m處，高程為350～390m范圍內(nèi)存在明顯的低阻(如圖中白色虛線圈定范圍)，推測該處為滲漏通道所在。

圖6 TEM1測線成果剖面圖

沿等高線布設于干砌石護坡的雷達RD1測線于瞬變電磁TEM2測線探測成果分別如圖7(a)、(b)所示。RD1測線42～80m雷達電磁波反射明顯增強，TEM2測線45～80m范圍內(nèi)電阻率明顯降低，推測該范圍內(nèi)存在滲漏。

圖7 探地雷達RD1測線與瞬變電磁TEM2測線探測成果

布設于干砌石護坡面上的探地雷達RD2～RD6測線成果剖面圖如圖8所示，RD3測線雷達電磁波反射信號強烈，為滲漏通道。

圖8 探地雷達RD2～RD6測線成果剖面圖

綜合分析偽隨機流場法、瞬變電磁法和探地雷達法物探測線成功，很容易推測出滲漏通道的空間分布特征：滲漏主要集中在左岸防洪堤壩與大壩交界處18～21m處，高程350～390m范圍內(nèi)(趾板處)，從C20素混凝土面板滲入防洪堤壩體與面板接觸面，沿接觸面滲流，在樁號45～80m范圍內(nèi)滲入壩體，形成通道，從干砌石護坡對應位置處形成明流，進入排水溝。

4 結(jié)論

當滲漏出水口存在明流時，偽隨機流場法完全能夠滿足堤防管涌滲漏檢測的需要，非常適合于水庫堤防查漏或其他擋水建筑物的滲漏檢測，其探測過程簡單有效，探測數(shù)據(jù)準確可靠。

在壩頂、背水護坡等處輔以其他物探方法，可以檢測壩體內(nèi)部的滲漏通道。壩體結(jié)構(gòu)的復雜性、檢測工作現(xiàn)場的局限性和干擾、解譯算法的多解性會影響檢測成果的，采用多種物探方法相互對比驗證，可提高成果解譯的準確性。當接地條件受限時，可采用探地雷達法和瞬變電磁法，滲漏通道處雷達電磁波反射強烈，瞬變電磁成果中表現(xiàn)為明顯的低阻特征。