坝体隐患快速电法测试系统实验研究_薛敏

第１２卷第６期２０１５年１１月ＣＨＩＮＥＳＥ　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　ＧＥＯＰＨＹＳＩＣＳＶｏｌ．１２，Ｎｏ．６Ｎｏｖ．，２０１５文章编号：１６７２—７９４０（２０１５）０６—０７４１—０４ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２－７９４０．２０１５．０６．００５坝体隐患快速电法测试系统实验研究薛　敏，高　宽，凌　燕，谭　磊，吴荣新（安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南２３２００１）基金项目：国家大学生创新创业训练计划项目资助（编号：ＡＨ２０１４１０３６１００４）第一作者：薛　敏（１９９２－），女，本科，主要从事应用地球物理学习与研究。

Ｅ－ｍａｉｌ：８７０６９９２１８＠ｑｑ．ｃｏｍ摘　要：堤防大坝的安全检测是一项重要的工作任务，目前，对于大坝隐患的探测手段较多，但大多数受技术自身适用条件和大坝复杂环境等多重因素限制，难以快速方便地实现坝体内隐患的空间定位与判断。

采用并行电法测试技术，结合自行设计的快速测量电极数据采集及处理技术构建一套探查技术系统。

对层状地层实验结果表明，该项技术在硬质表层坝体探测中具有优势，可为同类地质条件快捷勘查提供参考。

关键词：隐患探测；并行电法；快速测试系统；堤坝中图分类号：Ｐ６３１．３文献标识码：Ａ收稿日期：２０１５－０７－０８Ｔｈｅ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｒａｐｉｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍｆｏｒ　Ｄａｍ　Ｈｉｄｄｅｎ　ＤａｎｇｅｒＸｕｅ　Ｍｉｎ，Ｇａｏ　Ｋｕａｎ，Ｌｉｎｇ　Ｙａｎ，Ｔａｎ　Ｌｅｉ，Ｗｕ　Ｒｏｎｇｘｉｎ（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅａｒｔｈ　ａｎｄ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，Ａｎｈｕｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕａｉｎａｎ　Ａｎｈｕｉ　２３２００１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ　ｄａｍ　ｓａｆｅｔｙ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｉｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｔａｓｋ．Ａｔ　ｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅｒｅ　ａｒｅ　ｍａｎｙｍｅａｎｓ　ｆｏｒ　ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　ｈｉｄｄｅｎ　ｄａｍ，ｂｕｔ　ｍｏｓｔ　ｏｆ　ｔｈｅｍ　ａｒｅ　ａｆｆｅｃｔｅｄ　ｂｙ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｆａｃｔｏｒｓ，ｓｕｃｈ　ａｓｉｔｓｅｌｆ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｌｉｍｉｔｓ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ａｔ　ｄａｍ，ｓｏ　ｉｔ　ｉｓ　ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ　ｔｏ　ｑｕｉｃｋｌｙ　ａｎｄｅａｓｉｌｙ　ｌｏｃａｔｅ　ａｎｄ　ｊｕｄｇｅ　ｔｈｅ　ｈｉｄｄｅｎ　ｄａｎｇｅｒ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｐａｒａｌｌｅｌ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｔｅｓｔ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｓａｄｏｐｔｅｄ　ｔｏ　ｂｕｉｌｄ　ａ　ｒａｐｉｄ　ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｓｅｌｆ－ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｆａｓｔｌｙ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ　ｄａｔａ．Ｌａｙｅｒｅｄ　ｓｔｒａｔａ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎ－ｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｈａｓ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄａｍ　ｈａｒｄ　ｓｕｒ－ｆａｃｅ，ａｎｄ　ｉｔ　ｃａｎ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ａ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｑｕｉｃｋ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｉｄｄｅｎ　ｄａｎｇｅｒ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｐａｒａｌｌｅｌ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｍｅｔｈｏｄ；ｒａｐｉｄ　ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ；ｄａｍ１　引　言堤防大坝是防洪工程体系的重要组成部分，是防御洪水的最后屏障，因受特定时期技术条件和经济水平等诸多因素限制，大部分小型坝的建设水平和施工质量不高。

随着使用年限的增长，工程形态不断发生变化，有些已难以发挥出应有工程效益，甚至演变成灾害源体，存在着极大的安全隐患。

为使险库兴利避害，国家实施对水库隐 工程地球物理学报（Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ） 第１２卷　患的排查工程，集中力量于２０１５年末基本完成病险水库的除险加固工作，这其中就需要对坝基条件进行有效测试。

目前，主要的测试多采用预埋监测系统，实现长期多参数动态监测，为掌握大坝运行状态和安全状况预测评估提供可靠依据［１］。

然而此类技术在长坝或无传感器部位难以监控，面对突发性堤坝险情也常束手无策，必须有一种基于现场快速检测为主的技术手段，以实现对病患空间位置信息快捷可靠的揭示［２］。

《堤防隐患探测规程》（ＳＬ４３６－２００８）中针对堤防病害隐患探测主要涉及了瞬变电磁法［３，４］、瞬态面波［５，６］、折射波法［７］、探地雷达法［８，９］、自然电场法［１０］、直流电法［１１］等多种探测技术。

然而，基于研究不同介质之间的物性差异为基础的探测技术，受堤坝结构复杂、自身技术局限、使用条件的约束等，探测结果的可靠性难以达到要求。

比如：瞬变电磁法受仪器关断时间和收发线圈之间的自感互感效应等因素影响，对浅层信息难以有效识别［１２］；探地雷达法凭借电磁波传播特性，现场施工方便，不过由于电磁波被水吸收强烈，探测深度有限［１３］且记录上不便于识别有效波和干扰波；直流电法直接利用坝体材料和隐患之间的导电性差异，应用最为广泛，但传统工作模型效率低下，复杂地形环境下受接地电阻较大影响，数据质量较差，测试结果的精细化水平有待提高。

因此，现有的探测技术及装配在大面积、长测线堤坝条件下快速评测研究不足，严重制约了勘探的速度和效率［１４］。

为此，笔者课题组自行设计了快速测量电极，利用并行电法测试方法，形成一套快速测试系统，实现多通道测点的拖曳式快速滚动测量，及时获取堤坝介质内部地电信息，为隐患快捷排查提供相应的技术支撑。

２　堤坝电法快速测试原理２．１　并行电法工作原理并行电法是在高密度电法基础上的技术发展，是利用堤坝材料与病害异常部位之间的导电性差异作为诊断依据。

高密度电法采用程控式电机转换器和工程电测仪集一体，工作时自动进行阵列电极供电与测量功能的转化，大大提高了现场的工作效率，丰富了地电断面信息，同时避免了人工跑极引起的测量误差。

并行电法则是借鉴地震勘探的采集理念，数据测试过程中测线上所有电极并行工作，一次测量完成后，获取丰富的激励电流和电位的随机排列组合数据，为得到海量地下介质电阻率值奠定强大的数据基础。

根据采集方式的不同，并行电法分为ＡＭ法和ＡＢＭ法两类工作模型。

ＡＭ法为单点电源供电下的位点数据测量（图１），通过对数据的组合处理，可以得到二极，温纳三极Ａ，温纳三极Ｂ等装置信息，并且还可以进行高分辨率探测数据的解编处理。

ＡＭ法数据采集的过程中，需要布设两条无穷远电极（Ｂ，Ｎ），给现场快速测试带来不便，利用电偶极子测量模式的ＡＢＭ法（图２）凸显出强大的优势。

ＡＢＭ法数据采集，测线上任意两个电极Ａ、Ｂ作为供电电极，其余电极进行全场电位数据测量，测量结束后可实现温纳四极、温纳偶极、温纳微分和不规则四极等多种排列方式，大大提高了施工效率，实现了快捷海量数据的采集，多次覆盖式叠加系统降低随机信号干扰。

当测线上布置Ｓ（Ｓ＞３）道电极时，并行采集电阻率总个数为Ｅ并［１５］：Ｅ并＝（Ｓ－２）·（Ｓ－３）２·［（Ｓ－１）＋（Ｓ－２）＋……＋１）］（１）图１　ＡＭ法工作方式原理Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ＡＭｍｅｔｈｏｄ图２　ＡＢＭ法工作方式原理Ｆｉｇ．２　Ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ＡＢＭｍｅｔｈｏｄ２４７　第６期 薛　敏，等：坝体隐患快速电法测试系统实验研究相同的采集时间内，高密度电法的串联采集视电阻率数据为Ｅ串：Ｅ串＝［（Ｓ－１）＋（Ｓ－２）＋……＋１）］（２）由式（１）和式（２）计算并行采集与串行采集数据量之比：Ｅ并Ｅ串＝（Ｓ－２）·（Ｓ－３）２（３）从式（３）可以看出，并行电法采集的数据量与串行采集之比是随电极的增大表现为抛物线式增长。

如此丰富的地电信息，为并行电法探测结果的可靠性奠定了海量的数据基础。

２．２　堤坝电法探测的地球物理基础土石堤坝是多类材料有机堆积组合形成的复合人工地质体，运行正常的堤坝在其纵横向剖面上显示出一定的规律性。

坝体材料位于浸润线以上部位，从坝顶向上到饱和含水部位电阻率值表现由高向低的渐变特性，横向上基本不变；浸润线以下坝体因土石处于饱和状态，电阻率值保持较低的水平。

当堤坝内部出现裂缝、孔洞、渗漏、管涌、塌陷等病害现象，势必将打破原稳定电场的规则分布，在人工施加电场作用下，测量出地电断面呈现出阻值异常闭合或不规则区域。

当隐患区域位于库水位以上，不良地质体相对周围介质表现为高阻；若处水位以下，则反之，这为并行电法有效识别提供了良好的物性基础。

２．３　快速测试系统设计与实施传统电法需要将电极插入表层介质形成接触条件，其快速行为受限，因此采用常规的铜电极、不激化电极进行向地下地质体供电很难实现无损可靠的效果。

针对电极施工不便、接地电阻大和测量效率低下等难题，通过自行设计一种拖曳式快速测量电极，即保证采集信号的可靠有效，也符合堤坝地电参数快速测量的目的。

图３为快速测量电极的模型外观图，主体分为三个部分，锥体接触装置、导线和拔插卡。

锥体接触装置利用“不倒翁”原理，每次测线拖曳到相应测点时，该装置自动实现底盖与表层介质面接触。

底盖外部采用较厚绒布包裹，增大与地面的充分接触和持水力；锥体内放置一定质量的铜块和导线，空腔内充填电解质溶液；多个锥体接触电极可利用提手勾环通过牵引绳相互连接。

引线是外壳绝缘的铜导线，根据现场需要可任意改变长度。

拔插卡主要用于电极和测量线缆的连接。

现场第一次测量时把每个锥体接触装置安放在指定位置中，把拔插卡与电缆相连接。

测试系图３　快速电极模型设计Ｆｉｇ．３　Ｒａｐｉｄ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　ｍｏｄｅｌ统全部安装完毕后，利用并行电法仪进行数据采集，并通过相关配套软件进行快速解析成图，分析和判断地下介质的分布特征。

下一站只需要拉动电缆线和牵引绳至设计线位，进行新站测量，实现连续拖曳式测量。

３　层状地层测量实验与分析为了验证快速测试系统的有效性和可靠性，进行了快速电极与普通电极的探测地层对比试验，并且进行了分析和探讨。

试验场地选在安徽理工大学校内，采用铜电极和自制简易快速电极装置进行对比实验。

共布置两道测线，两条测线相距８ｍ。

Ⅰ号测线布置在水泥路旁的草地上，采用铜电极进行供电和测量；Ⅱ号测线布置在水泥路面的中央，测量电极采用自制简易快速电极装置。