自然电场概率成像方法在堤坝渗漏检测中的应用

自然电场概率成像方法在堤坝渗漏检测中的应用

发表时间：2018-10-29T19:19:55.273Z 来源：《防护工程》2018年第19期作者：顾庙元

[导读] 堤坝渗漏是水利工程设施的重大安全隐患

上海勘测设计研究院有限公司 200434

摘要：堤坝渗漏是水利工程设施的重大安全隐患。目前很多地球物理方法如高密度电法、GPR、反射地震勘探法、瞬变电磁法、自然电场法均可用于堤坝的渗漏检测，其中自然电场方法（SP）因其简便易行、效率高的特点得到较多应用。常规的SP解释是基于自然电位曲线或平面图形态的定性或半定量的解释。概率成像方法是一种新的自然电场解释方法，它将测量的地面电场与相应电荷模型的电场扫描函数(SDS函数)进行归一化的互相关运算，从而确定地下电荷分布。

对于堤坝渗漏的检测问题，我们通常沿着堤坝布置测线测量自然电位。本文研究了二维情况下自然电场概率成像方法，对堤坝渗漏形成的自然电场的机理和特点进行系统分析，抽象出了一个合理电学模型。对一个实际资料进行了概率成像处理，对比GPR、地震映像法剖面，证实了自然电场概率成像方法在堤坝渗漏检测中的可行性。

关键词：堤坝渗漏、自然电场（SP）、概率成像、防渗墙

绪论

堤坝和防渗墙的渗漏是水利工程的重大安全隐患，渗漏检测已成为一个亟待解决的技术问题。利用自然电场检测堤坝的渗漏隐患，解释推断出集中渗漏带的宽度、埋深、走向以及渗流的时空动态，为工程除险加固提供可靠的技术资料，将具有重大的社会意义。目前，自然电场法的解译方法主要为基于自电曲线形态的定性解释方法。郑灿堂【1】依据全国各地进行的数十座水利工程的原位测试资料，将渗流在自电曲线上的反映归结为窄幅异常、宽幅异常、宽幅双峰异常、多峰异常和塔式异常五种基本形态。定性解释方法的应用效果严重依赖于工作人员的经验。

1997年，Patella【2】提出了一种自然电场异常解释的新方法——概率成像法。它利用测量的地面电场与电场扫描函数进行归一化的互相关运算，通过定义电荷在测量区域中分布的概率密度, 确定电荷的分布。杨磊【3】等通过连续监测野外试验场的自然电位场，获取连续的自然电位平面图，直接获知了土壤水分在平面上的主要入渗区域，同时借助自然电位成像方法，揭示了土壤中水分运移的主要通道，并探测出两个地下孔洞的位置。

根据堤坝渗漏的电场特征以及自然电位沿堤坝测量的特点，提出了二维线电荷模型概率成像方法，并将其成功应用到某堤坝渗漏检测项目中。

1 堤坝渗漏形成的自然电场分析

土坝的坝体和坝基都具有一定的透水性，渗漏现象是不可避免的。将能够引起土体渗透破坏或渗漏量过大影响水利工程的，称为异常渗漏。异常渗漏是堤坝的重大安全隐患，它往往会逐渐发展，形成对坝体或坝基的破坏，严重的能够导致垮坝决堤。

常见的自然电场有两类：一类是区域性，其分布特征与地质构造的起伏有关；另一类是局部区域的电流场，它往往和金属矿床的赋存或地下水的运动有关。与堤坝渗漏形成的自然电场异常主要为过滤电场（如图1）。岩土颗粒的晶格在其表面表现出有过剩的离子价键，它将吸引溶液中的异性离子，并使其附着在自身的表面。扩散区溶液的正离子受孔壁离子层的吸引较弱。因此，溶液能平行于孔壁自由流动，而把正离子带走。从而水流的上游侧负离子较多，而在水流下游侧正离子较多，形成过滤电场。

图1 过滤电场的形成示意图

1.孔隙壁；

2.孔隙中心线；

3.正常溶液；

4.紧密层；

5.扩散区；

6.溶液运动方向

依据过滤电场的形成机理，将集中渗漏通道抽象为这样一个电学模型（如图2）：在渗漏入口聚集较多的负电荷，形成一个负电荷体；沿着渗流通道聚集了一定量的负电荷，可近似看做一个线电荷；在渗流通道的出口处则聚集较多正电荷，形成一个正电荷体。

3实例效果分析工区位于湖北省荆州市公安县的荆南官支河左岸，堤坝为松散土坝，沿堤坝已修建防渗墙，但汛期时局部地段仍有渗漏现象。由地质钻孔资料可知该堤坝的地质概况：最上部为厚约9米人工堆积黄色沙壤土层，往下为厚约1.5～2米自然淤积黑色淤泥层，最下部为黑色淤积粘土层。自然淤积黑色淤泥层与黑色淤积粘土层局部夹有厚约0.3～0.5米的自然淤积黑色粉砂透水层。这层透水的粉砂层为堤坝渗漏的主

要部位。