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堤坝渗漏探测方法技术

2023-12-04 10:54:13

来源:工程物探检测

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[摘要] 堤防大坝是我国防洪工程体系的重要组成部分,我国堤防总长41万公里,长江中下游堤防总长3万km,截止目前为止,我国已建成各类水库大坝居世界第一,截至2017年统计的全国各类水库总计98000余座,堤防大坝在长期的运行服役过程中,由于基础成分复杂、老化开裂、年久失修等原因,堤坝普遍存在渗漏隐患,

作者:曹鹏涛

 

堤防大坝是我国防洪工程体系的重要组成部分,我国堤防总长41万公里,长江中下游堤防总长3万km,截止目前为止,我国已建成各类水库大坝居世界第一,截至2017年统计的全国各类水库总计98000余座,堤防大坝在长期的运行服役过程中,由于基础成分复杂、老化开裂、年久失修等原因,堤坝普遍存在渗漏隐患,极易引发险情。据我国溃坝事故统计,由渗漏病害引起溃坝事件,占58.9%。

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堤防

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水库大坝

我国长江流域据统计,长江干堤险情中管涌险情占28%,渗漏渗水险情约50%,由此可见,堤防管涌、渗漏通道的探测为汛期抢险的重中之重。

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堤防漏洞

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渗水

前关于渗漏探测的方法技术较多,主要分为有损探测、无损探测和长期监测,

有损探测主要包括:工程地质钻探、注水试验、压水试验、钻孔电视等。

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钻孔电视

无损探测技术中根据所依据的物性参数不同发展了多种方法,总体可分为基于渗漏水的良导电性的方法,如:高密度电法、瞬变电磁法、流场法、自然电场法等。

 

 

高密度电法

 

 

瞬变电磁法

伪随机流场法对渗漏入水点检测,检测防渗墙及基岩渗漏区域并推断其渗漏通道。

伪随机流场拟合法基本原理在没有管涌渗漏情况下,正常流速场分布类似于均匀半空间中的均匀电流场。当存在管涌、渗漏时,将出现两方面的异常情况:

  1)在正常流速场基础上,出现由于渗漏造成的异常流速场,异常流速场的重要特征是水流速度矢量指向管涌渗漏的入水口。理论分析表明,在一定条件下,异常流速场满足的数学物理方程及边界条件与稳定电流场满足的数学物理方程及边界条件相同,因此场的分布也服从类似的规律。

  2)由于渗漏的出现,必然存在从迎水面向背水面的渗漏通道。管涌时,通道更为明显,根据上述物理事实,将一个电极置于背水面的出(渗)水点(区),另一个电极置于水体中,且距离出(渗)水点(区)相当远,以保证测量区域的电流场不受其影响。在水底附近测量三分量(矢量)的电流密度或垂直(标量)电流密度分布,并根据电流场异常情况判断管涌渗漏的入水口(区)。由于是用电流密度场拟合管涌渗漏造成的异常流速场分布,因此该方法被称为伪随机流场拟合法。

伪随机流场拟合法基本特点:

  1)解释参数为电流密度,而不是传统电法勘探的视电阻率等。由于一般局部水体的电导率非常稳定,因此不存在电导率非均匀性的影响。

  2)灵敏度高。由于测量电流密度的灵敏度比直接测量流速的灵敏度高几个量级,伪随机流场拟合法对微弱的渗漏也有明显的异常显示。

  3)分辨率高。在水底附近测量,探头靠近入水口,极大避免了一般电法勘探中的探测深度与分辨率的矛盾。

         4)测量速度快。在水体中不仅可以逐点观测,也可以随船拖曳测量

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大坝伪随机流场法现场检测工作

伪随机流场法正演模拟:

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模型示意图(渗漏通道)

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模型网格剖分示意图

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模型电流密度分布

由于渗漏通道存在使得空间电流密度呈现出向渗漏口处汇集趋势,实际勘探中,受限于仪器设备的原因,通常不能直接测量得到水体中的电流密度分布,而是在水面沿着垂直于水面 的方向(y方向)以一定间距测量水体中的电位差,

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模拟测线1~5点位差曲线

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模拟测线1~5点位差曲线可以看出,测线1 ~测线4 所示的4 条测线都呈现出“峰”型特征,而且都在深度10m左右处达到峰值,该位置对应坐标位置为y=30m处,即渗漏通道入水口所在位置.从峰值强度上分析,从测线1 ~测线4,随着测线位置与渗漏通道逐渐靠近,峰值的强度由测线1的 3.2V(绝对值)增大至测线4的11 V(绝对值),即呈现出逐渐增大特征,渗漏通道入口处的测线5未出现“峰”型特征,电位差强度 随着接近渗漏通道处而迅速增大,且其最大值远大于其他四条测线的峰。

从正演模拟可以看出,大坝由于渗漏通道的存在将对附近测线的点位差曲线产生影响,电位差曲线的峰值对应渗漏通道的入口处,并且随着靠近渗漏通道峰值逐渐增大。

 

还有基于渗漏水的物理化学作用所发展的方法,如:同位素示踪法、核磁共振法、红外成像法等。不同的方法均有一定的优势,但也有一定的不足,在探测精度上还有待进一步提高。

长期观测监测,包括:温度光纤传感技术、声发射技术、微动监测技术、水位水流监测等。

 

 

参考资料:

1、戴前伟,程敏波,雷轶.2022. 伪随机流场法在水库渗漏检测中的异常特征正演分析. 地球物理学进展,37(2):0810-0816。

2、堤坝渗漏通道弱磁探测技术与装备研发-周红敏-长江水利委员会长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室

3、大坝渗漏探测新技术联合应用-孙红亮(中水成勘院)


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