我国堤坝隐患探测技术及面临的问题与建议

第 4期
李
雷 , 等 : 我国堤坝隐患探测技术及面临的问题与建 议
93
者认为在丰富观测资料基础上 , 结合其他分析手段对坝体采用高密度电法检测异常是一种有效直观的手段, 建议对探查的结果采用其他手段进一步探查, 弄清含水率偏高的具体原因. 综上可见: ∀ 高密度电阻率法在堤防隐患探测中得到了较大规模的应用 , 效果明显 ; 也开始在水库大坝 的隐患探查中应用, 并取得了一些应用经验; # 据电法勘探理论 , 电法探测洞穴的竖向极限分辨率最多只能 探测洞径与埋深之比为 1 10的洞. 黄河水利委员会曾经在背景电阻率值 30~ 50 ∃ m 、 埋深 3 . 5 m 的大堤 上 , 从侧面水平用洛阳铲掏了一个 0 . 3 m 直径的洞穴 , 在地面上用仪器探测出了洞穴的存在 , 测出了洞径与 埋深之比 1 12 的洞 . 因此, 该方法的应用范围受到纵向分辨率的极大制约, 适用于埋深较浅、 洞径较大的 堤坝隐患, 包括白蚁等动物洞穴 . 1 . 2 地 质 雷 达 地质雷达是利用高频电磁波束来探测有耗介质中目标体
程
学
报
2009 年 12 月
1 几种常用的堤坝隐患探测技术
1 . 1 高密度电阻率法 高密度电阻率法是 20 世纪 70 年代由英国首先提出 , 80 年代由日本地质株式会社实现的 , 80 年代末引 入我国 . 该方法以岩土体的电性差异为基础, 研究在施加电场的作用下地下传导电流的变化分布规律 , 其基 本原理与常规电阻率法相同, 不同的是测点密度较高, 极距在算术坐标系中呈等间距. 它是电剖面法与电测 深法的结合 , 一次可完成纵横二维勘探过程 , 观测精度较高, 数据采集可靠 , 对地电结构具有一定的成像功 能 , 获得的地质信息丰富, 堤坝裂缝、 洞穴、 不均匀体、 软弱层等在探测成果图上有明显、 直观的反映 , 是堤坝 隐患探测详查的主要方法 . 郑灿堂等 通过充电法、 高密度电法、 地质钻探的联合探测以及渗流计算分析 , 有效查明了郭家村水库 坝后渗水明流的成因 , 并对该库渗流安全进行了评价. 郑灿堂等认为充电法能快速有效地查明渗漏入渗处、 渗漏通道在平面上的分布 ; 高密度电阻率成像可以形象地反映地质体的细部变化 ; 充电法和高密度电法既可 相互验证, 又能互为补充, 二者联用可以查明渗漏隐患的空间分布范围 , 为钻探和渗流计算分析提供指导 . 谢向文等 应用 HGH !堤防隐患探测系统 在黄河大堤花园口段对一已知的直径约 1 m、 埋深 8 m 的 穿堤涵管进行了高密度电阻率法实验研究 , 得到已知隐患的电阻率图像 . 在黄河九堡老口门段堤防的已知隐
[ 9] [ 8]
针对高密度电法中电极布置和观测装置多样而出现的实际探测中装置选择问题进行了研
究 , 从工作条件要求、 观测装置选择以及数据观测三方面进行了探讨. 他们认为高密度电法仪器的电缆设计 电极间隔应相等 , 要求测区地形起伏不能太大 , 选择电极间隔不应大于电缆的电极间隔. 探测低阻异常体时, 首选的观测装置是偶极 - 偶极装置; 探测高阻异常体时 , 首选的观测装置是三极装置 ; 探测深部异常体时 , 最 好选用三极装置 ; 测区由浅部到深部要求全面探测时, 建议小极距用偶极 - 偶极装置观测, 大极距用三极 装置. [ 10] 邓居智等 利用重庆奔腾数控技术研究所研制的 WGMD 1 型高密度电阻率测量系统 , 对江西某水库 土质坝体的隐患进行了探测 . 在上游坡、 坝顶、 下游坡共布置 4 条测线, 探测到该坝体的隐患区域为桩号 0+ 115 m ~ 0+ 185 m 段 . 结合钻探资料 , 施工单位对该段进行了灌浆处理 . 然而 , 作者同时认为由于堤坝中存在 的隐患种类繁多 , 高密度电阻率法探测地下洞穴的极限分辨率最多只能探测洞径与埋深之比为 1 10 的洞 径 . 因此, 在进行坝体隐患探测时也不能过分夸大高密度电阻率法的作用 . 资料解释推断也要充分利用各种 已知信息, 排除各种干扰因素对测量结果的影响, 以免判断错误. 郭君科等 使用 WGMD 1 型高密度勘探系统探测了黑龙江二门山水库大坝, 推测在桩号 0+ 109 m 和 0+ 190 m 处存在两个破碎带 . 但作者建议采用高密度电法勘探时最好结合钻孔 (或探井 )资料并辅助以电测 深进行综合解释 , 以提高解释的准确性; 如果测区地形起伏较大, 应进行地形改正 , 否则会给最终解释结果带 来较大误差 ; 要取得更好的效果还有赖于不断的实验研究及处理技术的提高和深入 , 如 : 高密度电法的各个 排列装置在特征异常体上的断面特征、 层状介质断面特征及任意测点测深曲线抽取和定量解释、 高密度电法 的地形改正、 高密度电阻率反演 ( Z ohdy 和层析成像技术 ) . 谭明等
收稿日期 : 2009- 06- 19 基金项目 : 十一五 国家科技支撑计划项目 ( 2006BAC14B07) 雷 ( 1948- ), 男 , 浙江慈溪人 , 教授级高级工程师 , 主要从事大坝安 全研究 . E m a i: l ll@ i nhr.i cn 作者简介 : 李
92
水
利
ห้องสมุดไป่ตู้
水
运
工
[ 3- 5]
, 但从目前掌握的测试资料看, 还没
[ 2]
有完全适用于堤防隐患探测, 特别是能够在汛期快速准确地探测堤防险情的仪器设备
. 同时, 虽然堤坝隐
患探测的原理等同于找矿勘探、 地质普查和一般工程勘查领域中的原理, 各类堤防隐患也与正常堤身、 堤基 介质具有一定的电磁、 电性、 弹性等差异, 具备应用各种物探方法的物理前提 , 但能用于堤防隐患探测的主要 可归纳为高密度电阻率法、 探地雷达、 瞬变电磁法和面波法四类 , 这些方法和仪器还需要在可靠性和准确性 方面做进一步的研究和完善.
210029 ; 2 . 水利部 大坝安全 管理中 心 , 江苏
摘要: 阐述了我国堤坝隐患探测技术的应用情况 , 总结了堤坝 隐患探测 技术在我 国实际 应用中 探测结 果不确
定性的主要原因 , 分析了介质材料的多样性和介质特性的不确 定性对探测 结果的影 响、 被 探测对象中 隐患尺度 和仪器分辨率的矛盾、 探测结果解读的不确定性和困难性等问 题 . 建 议加强堤坝 介质特性 对探测结果 的影响以 及现场比对试 验研究 , 多种隐患探测技术的综合应用研究 , 加强理论 和仪器应用 技术的研 究和跨学科 技术人员 的培训 .
[ 13] [ 1]
, 以宽频带、 短脉冲的电磁波形式, 由地面通
过发射天线射入地下 , 经地下地层或目的体的电磁性差异反射回地面, 被另一天线所接收 , 分析接收的信号, 进而探测堤坝隐患. 已推出的商用探地雷达有美国微波联合体 ( M icrow ave A ssociates) 的 MK I和 % 、 加拿大探头及软件公司 ( SSI) 的 Pulse EKKO 系列、 美 国地 球物理 探测 设备 公司 ( GSSI) 的 SI R 系 列、 瑞典 地质 公 司 ( SGAB ) 的 RAMAC 钻孔雷达系统、 俄国 XADAR Inc . 的 XADAR 系统等和英国 ERA 工程技术部的雷达仪. 地质雷达技 术在中国应用时间不长, 却已取得了不少资料和成果, 已应用于基岩探测、 地下水调查、 地质分层、 喀斯特成 图、 河底及湖底剖面、 岩溶及空洞探测、 坝体深部探测、 滑坡调查及坝体质量检测等. [ 14] 李宜忠等 等在山西五台县西龙池抽水蓄能电站 , 为了解覆盖层碎石土深度 10 m 以内的土质透镜体、 松散碎石土架层的分布情况, 对坝基覆盖层进行了分区地质雷达探测 . 根据地质雷达图像分析, 共圈定 7 处 松散碎石土架空层和 5 处土质透镜体 . 除次堆石区一处推测的碎石土架空层开挖后为土质透镜体外, 其余目 标物开挖结果与地质雷达解释结果基本吻合. 何开胜等 以甘肃省民乐山丹地震时受到一定破坏的李桥水 库为对象, 对水库大坝裂缝和渗漏通道等病害进行了现场踏勘和地质雷达探测研究 . 探测表明, 坝身壤土心 墙填土总体密实性差 , 松散、 不均匀、 裂隙较多 , 由此带来坝身渗漏 . 他们分析了东、 西坝段坝顶轴线下和坝后 道路下渗漏状况及其连通性, 研究提出了李桥水库坝顶裂缝的典型雷达图像特征、 堤坝渗漏通道经历的三个 发展时期及其对应的雷达图像特征, 以及坝身不密实土层的雷达波形特征的识别方法 , 分析了这些病害的地 质雷达探测机理 , 诊断了水库受震后这些内部深层病害的位置、 程度, 可供水库除险加固决策时参考 . 李桥水 库震后典型病害的探测研究表明, 地质雷达技术可以对土体不密实等引起的坝基渗漏通道及其发展过程进 [ 16] 行有效探测 . 何开胜等 对甘肃省瓦房城水库左岸边坡地震时受到的滑动破坏进行了现场踏勘和地质雷达 探测, 分析了左岸高边坡的土质状况、 裂隙发育程度、 滑动面形状和位置 , 提出了浅层滑动和深层滑坡的典型 雷达图象特征和雷达探测机理 . 同时以甘肃省民乐地震时受到一定破坏的双树寺水库为对象, 对水库坝顶纵 向裂缝、 坝顶沉陷、 库岸道路滑坡开裂裂缝、 溢洪道右岸高边坡滑坡趋势、 左坝肩渗漏通道等病害进行了现场 和地质雷达探测研究 , 揭示了这些水库病害的典型雷达图像特征, 分析了这些病害的地质雷达探测机理, 提 出了水库受震后这些内部深层病害的位置、 程度或发展趋势. 利用震后典型病害的探测研究表明, 只要掌握 了被测病源体的物理特性、 病灶结构、 发展过程、 力学演变规律 , 弄清雷达电磁波对特定病患的探测机理, 正 确处理好天线频率与探测深度的关系 , 就能找出各种病患的雷达图像特征, 从而有效的进行探测 . 何开胜等
[ 7] [ 6]
患进行了同样的图像实验研究 , 得到了三层不同填筑体的电阻率图像. 这种试验研究对提高隐患探测可靠性 极为重要. 自 1999 年以来, 谢向文等 应用 高密度电阻率法堤防隐患探测仪 对黄河下游堤防工程隐患进 行了大规模的探测, 发现了大量隐患 , 但没有说明所发现的隐患或异常点是否确为隐患和异常部位 , 对所探 测的隐患缺乏明确的结论 . 吕玉增等
[ 1]
, 进而列
入国家 九五 重点科技推广项目. 1999 年 11 月, 水利部重大科技项目 堤防隐患和险情探测仪器开发 正 式启动 . 2000 年 9 月 , 国家防办在郑州举办了 全国堤坝隐患及渗漏探测技术研讨会 ; 2005 年 11 月水利部 建管司和国科司在西安举办了 大坝安全与堤坝隐患探测国际学术研讨会 , 有力地推动了隐患探测技术的 学术研讨和发展 . 为了进一步推动隐患探测技术的实用和适用研究, 国家防办先后在湖南益阳和北京大兴建立了南方和 [ 2] 北方两个堤坝隐患探测试验场 , 1999 年在湖南益阳进行了全国范围的物探仪器测试, 2000 年 8 月在北京 大兴永定河一段废堤上再次进行了隐患探测技术现场测试. 这一系列工作, 有力地推动了堤坝隐患及渗漏探 测技术的进步, 基本反映了我国物探技术在堤坝隐患探测方面应用的现状和水平 , 积累了各类仪器测试的第 一手资料. 虽然近 20年来在隐患探测技术方面已经取得了很多研究成果
第 4期 2009 年 12 月
水
利
水
运
工
程
学
报
HYDRO SCIENCE AND ENG I NEERING
No . 4 D ec . 2009
我国堤坝隐患探测技术及面临的问题与建议
李
南京 210029)
雷 , 张国栋
1, 2
1 , 2
( 1. 南京水利科学研究院 大坝安全与管理研究所 , 江苏 南 京
关
键
词 : 堤坝隐患探测; 高密度电阻率法; 地质雷达法; 瞬变电磁波法; 面波法; 介质材料特性; 仪器分
辨率
中图分类号 : TV871 . 2
文献标识码: A
文章编号 : 1009- 640 X( 2009) 04- 0091- 09
我国堤防和大坝病害严重 , 其中有不少堤坝存在严重隐患 , 每年汛期演变为险情. 我国一直以来对堤坝 隐患探查技术十分重视, 期望能够预先发现隐患, 及时处理, 改变被动局面. 上世纪 90 年代后, 堤坝隐患探测 技术研究得到较大进展. 1992 年, 堤防隐患探测技术研究 列入国家 八五 重点科技攻关课题
[ 12] [ 11]
利用高密度电法仪 , 数据采集系统为 DZD 4 高密度电阻率测量系统, 对新疆最大的土石坝工
程克孜尔 (又名黑孜尔 ) 水库大坝 (最大坝高 44 m )进行隐患探查, 试图查明坝体内是否存在空洞、 裂隙及其 渗漏区域. 探查结果显示副坝 1+ 150 m 至 1+ 250 m 段为一低阻异常带 , 初步判定为坝体含水率较高所致, 副坝与二道坝连接处 0+ 750 m 以北坝段至电厂引流涵洞为一相对低阻段, 可能是心墙含水率偏高所致. 作