（水利工程专业论文）电阻率法在堤坝隐患探测中的应用研究.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 水利工程堤坝隐患有其特殊性，隐患类型复杂，具多解性和复杂性。水利工程大坝、 堤防探测的对象主要是土体，其缺陷或隐患多为非金属物质，这类物质与周围环境物质 性能反差小，给量测精度与准确性带来了更大困难。 堤坝隐患探测技术是从传统的地球物理勘探技术中发展起来的，是通过研究和观测 各种地球物理场的变化来了解地质问题的一种勘探方法。 本文对国内应用在堤坝隐患探测中的地球物理方法进行了综述，并分别从理论上和 试验性探测上着重分析论证了采用电阻率勘探方法进行堤坝隐患探测的理论依据，并对 该方法的各种探测装置、使用条件、影响因素等进行了分析研究，寻找适合水利工程堤 坝隐患探测的电法勘探装置排列方法。通过工程实例进一步验证电法勘探的可行性和准 确性，为提高堤坝隐患探测的准确性提供理论依据。 本文是紧密结合水利工程生产实践的实用性很强的一项研究，其成果对查找堤坝内 的各种隐患具有较高的实用价值，可为科研、设计、管理部门在进行堤坝隐患探查，汛 期隐患跟踪监测的研究中提供理论和实践的参考。 关键词：隐患探测；质量检测；电阻率法；电学性质差异；装置选择；隐患跟踪监测 电阻率法在堤坝隐患探测中的应用研究 a b s t r a c t t h eh i d d e nd a n g e r so fd i k e sa n dd a m so fh y d r a u l i ce n g i n e e r i n ga l w a y sh a v e t h e i rs p e c i f i cc t 搀r a c t c f i s t i c s 。t h eh i d d e nd a n g e r sh a v ep o s s e s s e dd i v e r s es o l u t i o n s a n dp e r p l e x i t y t h em a i nd e t e c t e do b j e c ti ss o i lo fd i k e sa n dd a m so fh y d r a u l i c e n g i n e e r i n g ，m o s to fw h i c hh a si t sf a u l t so rh i d d e nt r o u b l ef o rn o n m e t a l l i cs u b s t a n c e b e c a u s et h i sk i n do fn o n m e t a l l i cs u b s t a n c eh a sl i t t l er e f l e c t a n c ew i t ht h o s em a t e r i a l a r o u n dt h ee n v i r o n m e n t ，i tb r i n g sm u c hm o r ed i f f i c u l t i e st ot h ea c c u r a c ya n dp r e c i s i o n o fm e a s u r e m e n t 。 t h et e c h n i q u ed e t e c t i n gh i d d e nd a n g e r so fd a m so rd i k e si sd e r i v e df r o m t r a d i t i o n a lg e o p h y s i c a lp r o s p e c t i n gt e c h n o l o g y i ti sa ne x p l o r a t o r ym e t h o dt of i n d i n g o u tg e o l o g i cp r o b l e m sb yo b s e r v i n ga n dr e s e a r c h i n ga l lk i n d so fc h a n g e so f g e o p h y s i c a lp h y s i c a lf i e l d s t h i sa r t i c l em a k e sas u m m a r yo fg e o p h y s i c a ld e t e c t i o nm e t h o d so fd o m e s t i c a p p l i c a t i o no nh i d d e nd a n g e r so fd a m so rd i k e s 。a n dg i v e se m p h a s i st ot h e o r e t i c a l b a s i sb ya p p l i c a t i o no fe l e c t r i c a lr e s i s t a n c ee x p l o r a t i o nm e t h o dt od e t e c t i n gh i d d e n d a n g e r sd e p e n d i n go nt h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a la n a l y s i sr e s p e c t i v e l y , a n a l y z e s a n ds e a r c h e sf o rs u i t a b l em e t h o df o re l e c t r i c a lr e s i s t a n c ee x p l o r a t i o nd e v i c er a n g i n g i nt e r m so ft h o s ek i n d so fd e t e c t i o nd e v i c e s ，a p p l i c a t i o nc o n d i t i o n sa n di m p a c tf a c t o r s t h ef e a s i b i l i t ya n da c c u r a c yo fe l e c t r i c a lr e s i s t a n c ee x p l o r a t i o nm e t h o dh a sb e e n f u r t h e rv e r i f i e db ys o m ep r o j e c tp r a c t i c e s ，at h e o r e t i c a ib a s i so ft h ea c c u r a c yo f d e t e c t i n gh i d d e nd a m sa l s oh a sb e e ne n h a n c e d i nc l o s ec o n n e c t i o nw i t hh y d r a u l i ce n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，t h ea r t i c l eg i v e sas t r o n g p r a c t i c a ir e s e a r c h t h o s ea c h i e v e m e n t s i ns c i e n t i f i cr e s e a r c hh a v ear e l a t i v e l y h i g h - r a t ep r a c t i c a lv a l u et of i n d i n go u tk i n d so fh i d d e nd a n g e r so fd a m so rd i k e s 。i n a d d i t i o n 。t h e o r e t i c a ia n dp r a c t i c a lr e f e r e n c e st ot r a c k i n ga n dm o n i t o r i n gh i d d e n d a n g e r so fd a m so rd i k e sh a v eb e e np r e s e n t e df o rs c i e n t i f i cr e s e a r c h ，d e s i g n ， a d m i n i s t r a t i v ed e p a r t m e n ts e e k i n gd a n g e r sa tf l o o ds e a s o n 。 k e y w o r d s ：d e t e c t i o no fh i d d e nd a n g e r s ；q u a l i t yi n s p e c t i o n ；e l e c t r i cr e s i s t a n c e m e t h o d ；d i f f e r e n c e si ne l e c t r i c a lp r o p e r ti e s ；d e v i c es e l e c ti o n ；t r a c k i n ga n d m e n it o ti n gh i d d e nd a n g e r s 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工 作所取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人或集体已经发表的研究成果，也不包括其他已申请学 位或其他用途使用过的成果。与我一同王作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人愿 意承担相关法律责任。 学位论文题目：曳隍奎洼壅璺塑隐患拯测生鲤瘗屈盈究 作者签名：二丑室窭亟一日期：爱哼诅月型日 大连理工大学专业学缱硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文王作的知识产权属于大连理王大学，允许论文被查阕和借阕。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分肉容编入有关数据库进行检索，可以采属影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题管：电阻率法在堤坝隐患探测中的应用研究 作者签名： 导师签名： 音袭逸 v 形欠 嗍：叫“月蜥 嗍：节硝谚日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1绪论 1 1 问题的提出 我国建有各类堤防2 5 万l 锄，其中主要堤防6 5 7 万l ( m ，大中型水库8 万余座， 堤坝工程作为一种现实的、长期的防洪措施在我国防洪工程体系中占有极其重要 的地位。 防洪减灾是我国水利工作者的首要任务，堤坝建设在防止洪水泛滥、保护工 农业生产和人民生命财产安全方面起到了巨大的作用。堤坝可以说是人民的生命 线。但由于我省堤坝修筑的历史、自然因素、社会和经济条件等各方面的原因， 堤坝的填筑质量存在一定的问题。堤防基础一般为二元结构，表面覆盖层较薄， 一般为弱透水层，下层为较厚的强透水的饱和粉细砂及砂砾石层，渗透基础薄弱。 而大多数中小型水库建坝时清基不彻底，大部分堤坝经多次修筑，填土不均，堤 身不密实，存在着许多隐患，如坝体裂缝、集中渗流、管涌通道、工段接头、新 旧结合面、白蚁洞穴等，其中尤其以渗漏问题最为突出。当汛期来临水位抬高时， 极易形成渗水通道，引起堤坝决口造成重大损失。 据统计，建国以来辽宁省洪灾年份有2 7 年，仅以1 9 9 5 年浑河洪水灾害为例： 堤防决口4 0 3 7 处；受灾人口6 8 0 万；倒塌房屋9 l 万间；农田绝收1 6 3 0 万亩；直 接经济损失达3 5 0 亿元，洪灾给人民的生命和财产带来了巨大的威胁。因此，如 何能够快速、准确而无损伤地查出隐患，进而有重点、有针对性地对重点堤段采 取除险加固措施，是摆在我们水利工作者面前的一项技术难题。 目前，探测方法主要有地质钻探、人工探视和地球物理勘探等三种方式，其 中人工探视费时费力、探测效果差，钻探又具有局部性和破坏性，两者均不能满 足快捷、精细、准确和无损伤等要求。因此，地球物理勘探应该是堤坝隐患快速 和无损伤探测的首选方法。大量隐藏在堤身和堤基内部的隐患，只有采用专门研 制的仪器才能查明隐患的位置、大小，为堤坝除险加固设计方案的选择提供准确 的参考依据，保证将有限的人力、物力和财力资源用在最需要的地方，对于提高 防洪减灾效果，保证堤坝能够安全渡汛是十分必要的。该探测技术较好地解决了 常规钻探“一孔之见 的技术瓶颈，采用地球物理勘探“以点代面 ，是今后水利 工程隐患探测的发展方向，是准确、及时、简捷地判断隐患空间的分布范围、大 小的重要手段。 地球物理勘探技术是通过研究和观测地球物理场的变化来了解地质问题的一 种勘探方法。在自然界，不同的物理介质具有不同的物理场，而组成地壳的不同 岩土介质在各物理场方面会存在差异，这些差异将引起相应地球物理场的局部变 化，称之为异常场。地球物理勘探就是通过专门的仪器，观测这些地球物理场的 电阻率法在堤坝隐患探测中的应用研究 分布和变化特征，然后结合已知地质资料进行分析研究，推断出各岩土介质的性 质和环境资源等状况，从而达到了解地质问题的目的。堤坝隐患的探测就是利用 物探的这一原理进行的，堤坝内若存在隐患，则在隐患部位相对正常场而言出现 了物理场的变异，堤坝隐患的显著特征是与堤坝其它部位的物理性质截然不同。 目前，由于影响堤坝隐患探测结果的因素很多，堤坝隐患探测技术在实际工 程应用中还存在如下问题： ( 1 ) 水利工程堤坝隐患有其特殊性，隐患类型复杂，具多解性和复杂性，国 内一些单位开展了堤坝隐患探测工作，但系统研究堤坝隐患探测机理的较少，在 设备的选用上还存在着一些急待解决的问题，各种勘探设备虽多，但针对性不强， 探测手段还需要进一步提高； ( 2 ) 电法勘探时需要采集大量的数据，而电法探测具有多解性和复杂性，影 响堤坝隐患探测结果的因素较多，布设电极装置的选择、设备性能、场地因素、 地形因素、探测精度因素、处理软件等等，通过多种工程应用实例和钻孔验证寻 找合适的解译软件对提高电法探测解译的准确性是十分必要的； ( 3 ) 堤坝隐患探测深度一般在十几米到几十米之间，电极布设间距与探测精 度、采样频率之间的关系国内研究的还不多，缺少不同土料、不同含水量、不同 深度的电阻率值大小之间的关系，尤其是北方地区有其特殊性，研究他们之间的 关系对解译堤坝隐患探测成果具有重要作用； ( 4 ) 电阻率法探测技术应用在对垂直铺塑土工膜的质量检测中尚属一项技术 难点，缺乏有效的探测尝试及工程实践； ( 5 ) 水利工程大坝、堤防探测的对象主要是土体，其缺陷或隐患多为非金属 物质，这类物质与周围环境物质性能反差小，这就给探测精度与准确性带来了更 i 大困难。 1 2 国内外研究综述 1 2 1 堤坝隐患探测技术的发展现状 在堤坝隐患探测n 1 中可以利用的土体的物理参数有：( 1 ) 电和电磁：堤防存在 缺陷和发生渗漏时，筑堤材料和或基础的电导率( 电阻率) 发生较明显变化，采 用电法和电磁法可探测出电导率异常。( 2 ) 声：堤防发生渗漏时，水流声和水与 土体摩擦声，可用声发射法检测渗漏通道定位。( 3 ) 光：指可见光形成的图像和 人工探查。( 4 ) 热：由于河水温度低于堤身、堤内坡和堤内地面的温度，发生渗 漏时，这些部位的温度低于正常部位的温度，采用直接测温和红外线成像技术可 及时发现渗漏部位。( 5 ) 振动波：堤防存在缺陷或发生渗漏时，其弹性模量和密 实度等参数发生变化，弹性波在病变部位传播时，波速、波形发生改变。表面波 2 大连理工大学专业学位硕士学位论文 和浅层反射地震波均可利用。( 6 ) 水流：堤防存在渗漏通道时，利用放射性同位 素示踪剂查找渗漏路径和渗漏入嗣，或者通过测量流场变化，探测渗漏入口。( 7 ) 磁：堤防存在孔洞缺陷时，局域磁力发生改变，利用磁力仪可测量这种变化。( 8 ) 重力：堤防存在较大缺陷时，密度减小，利用微重力仪可发现缺陷部位。堤防的 哪些物理量发生变化，并可利用这些变化了的物理量探测出隐患之所在，针对以 上的各种物理参数，随着科学技术的不断发展，从而形成了针对各种物理参数的 各种探测方法理论。 我国自5 0 年代采用锥探灌浆的方法进行隐患探测加固技术以来，对堤防隐患 探测问题的试验研究工作就从未间断过，探测堤坝隐患的传统方法是钻探和人工 探视，但钻探和人工探视皆不能满足快速、无损伤等要求，且局限性较大，往往 给工程又留下新的隐患，因此，堤坝现状及经济条件决定了地球物理勘探是堤坝 隐患快速、准确、无损伤探测的首选方法。我国最早应用地球物理探测技术应用 到堤坝隐患探测中来还是在2 0 世纪7 0 年代，当时是由山东省水利科学研究所发 起，利用电法勘探评估灌浆效果，使得原来的有损检测变为无损检测，不仅使检 测的工作效率提高了，而且检测范围也加大了。 近年来国家更是加大投入，对堤坝工程进行除险加固处理，堤坝隐患探测技 术也得到水利部、国家防办的重视并有较大进展，现在已把地球物理勘探作为重 要的辅助手段列入规范。目前，国内外应用于堤坝隐患探测的地球物理探测方法 主要有电阻率法、自然电场法、电磁法、探地雷达法、弹性波法、温度场法、同 位素示踪法和流场法等。 ( 1 ) 电法探测技术 电法勘探主要利用岩石的导电性、介电性和电化学性质，当地下岩层和异常 体的电学性质沿水平方向和垂直方向发生变化时，地面观测到的电磁场空闻分布 便相应地发生变化，根据电磁场空间分布的异常特征，人们可以推断地质构造或 异常体的存在状态，包括大小、形状、位置、埋藏深度和物性参数等，从而达到 勘探的目的。电法勘探的方法有许多种，常用的方法有常规电阻率法和高密度电 阻率法。电法勘探的应用范围很广，主要用于寻找金属和非金属矿床，勘察地下 水和能源资源，进行堤坝隐患探测，并解决其它一些水文地质和工程地质问题。 电法勘探方法可以追溯到1 9 世纪初p f o x 在硫化金属矿上发现自然电场现 象，1 9 世纪末期提出了利用人工场源的电阻率法，到2 0 世纪初已较成熟，2 0 世 纪初确立了电阻率法和温纳装置，至今电法勘探已有1 0 0 多年的历史。我国电法 勘探始于2 0 世纪3 0 年代，由当时北平研究院物探研究所的顾功叙先生所开创， 1 9 4 9 年以后得到了迅速发展，经过7 0 余年的发展，我国的电法勘探无论在基础理 论、方法技术和应用效果等方面都取得了巨大的进展，使电法成为应用地球物理 电阻率法在堤坝隐患探测中的应用研究 学中方法种类最多、应用面最广、适应性最强的一门分支学科乜】【3 】 钔。 高密度电阻率法是2 0 世纪7 0 年代由英国首先提出，8 0 年代由日本地质株式 会社实现并于8 0 年代末引入我国的一种电法探测新技术，其基本原理与常规电阻 率法相同，是利用隐患与周围介质的电性差异，研究隐患引起的电阻率畸变的规 律，并根据电阻率的数值大小及其曲线形态的变化特征推测隐患的分布情况。堤 坝渗漏通道区域、裂缝、软弱层和孔洞等堤坝内隐患与周围土体存在明显的( 或 悬殊的) 电阻率差，这是能够采用电法进行堤坝隐患探测的地球物理条件。 经过广大地球物理工作者的不懈努力，在深部构造、矿产资源、水文及工程 地质、考古、环保、地质灾害、反恐等领域，电法已经和正在发挥着重要作用， 电法探测是在我国堤坝隐患探测中开展最早应用最广的一种地球物理探测方法【9 1 ， 尤其是近年来高密度电阻率法的应用更为普遍。该方法既可进行堤坝内隐患的普 查使用，也可进行详查使用，且属于无损探测，其特点是无损探测、高分辨率、 高灵敏度、操作简便、探测速度快。 ( 2 ) 自然电场法 在一定的地质地球物理条件下，大地中存在的天然稳定电流场称为自然电场， 基于研究自然电场的分布规律来达到解决地质问题的一种方法称为自然电场法 【5 】【6 】。但对于自然电场的产生原因，目前尚有不同见解。较早的看法是，电子导体 的矿体受地下水作用，其上部发生氧化作用，下部发生还原作用，矿体内外便形成 自然电流( 图1 1 b ) ，并常在矿体上方的地表观测到负的自然电位异常( 图1 1 a ) 。 u o 测线 a 图卜1 形成自然电场的一种模式 据此可以实现找地质异常体。第二种观点认为矿体本身并不参加化学反应， 4 大连理工大学专业学位硕士学位论文 只起传递电子的作用。认为地下潜水厦以上岩石孔隙中的溶液起氧化剂作用，地 下潜水面以下起还原剂作用。此外还有所谓电极电位学说和浓差电池学说等。对 于离子导体情况，地下水在岩石孔隙中流动时，由于水溶液中常含有大量的正、 负离子，丽且岩石颗粒有吸附受离子的俸用，致使她下本带走大量的芷离子，形 成自然电场。观测此种自然电场，可以确定地下水的流动方向，估计流动速度， 探查地下水源位置。尽前，鸯然毫场法已广泛应耀到水文地震和工程地质探测中 来。由于该方法是测量自然电场中的两点间电位，不是人工供电电源，所以该方 法受外界自然条件影响比较大，受场地因素影响也比较大，有些工程现场根本不 具备进行自然电场法测量的条件。 ( 3 ) 瞬变电磁法( t e m ) 探测技术 瞬变电磁法汹( 疆m ) 是利雳敷设在地面戆不接地回线遥以脉冲电流，发射一 次脉冲磁场，使地下低阻介质在此脉冲磁场激励下产生感应涡流，感应涡流产生 二次磁场，通过用灵敏度极高的接收机及接收线圈接收这一随断电时闻丽衰减的 二次磁场，从而进行地下探测的探测方法。因为电磁法和电法得到的探测结果是 堤防的电导率( 电阻率) ，而堤防安全性评估采用的是土性参数，所以要进行电磁 法和电法得到的探测结果评估堤防的安全性，很有必要研究物探参数( 电导率或 电阻率) 与土性参数之间的相关关系。中科院的房纯刚教授近年来的研究成果表 明，堤防的电导率与粘粒含量、含水量和孔隙毙呈正相关，堤防的邀导率与于密 度呈反相关，堤防的电导率与粉粒含量相关性不大。运用上述相关关系有利于提 高物探结果读解熬准确性，例如：对于均质土坝和一段相对均质堤身，菜处电阻 导提高，则提示该处含水量增大，可能存在渗漏现象；如果某段堤防电导率普遍 较低，表明该段堤防含细颗粒土很少，高洪水位时出现散浸可能性大；当探测到 菜处堤脚或覆盏层电导率较其它部位电导率低时，表翡该处含细颗粒土较少或细 颗粒土已经流失，该处存在管涌隐患；相同土质的饱和土，电导率高则密实度低。 其探测速度比较快，僵探测数据采集的灵敏度毙电阻率法稍差，也可进行堤坝隐 患的普查和详查探测使用。 ( 4 ) 地质雷达探测技术 地质雷达n 的基本原理是基于高频电磁波理论，工作方式是宽频带、短脉冲 的电磁波形式，由地面通过发射天线射入地下，经地下地层或目的她反射返回地 面，被接收天线接收。堤防松散区、软弱夹层、不均匀沉陷带以及裂缝、洞穴等 隐患与堤防正常介质存在电磁特性差异是地质雷达探测的物理基础。根据接收的 脉冲爱射波波性记录，用灰阶或彩色表示波形的正负峰，利用同相轴或等灰线、 等色线形象表示地下的反射界面。近年来，地质雷达越来越多的应用于堤防质量 探测工作中，由于地质雷达检测成果直观，解释简单，检测灵敏度离，检测速度 电阻率法在堤坝隐患探测中的应用研究 快，因此得到广泛应用，特别是浅层检测、堤身普查中，同时，还在堤身护坡浆 砌石质量，闸基混凝土质量的检测等方面得到应用。但地质雷达在堤防探测中应 用仍有难点，主要问题是电磁波在粘土中衰减大，穿透距离小，特别是在我省堤 防及大多数中小型水库都是土质结构，电磁波在探测隐患时衰减很大，不能穿透 堤防结构，普通的探底雷达并不适合堤防隐患探测使用。 晕l 葺幺二，。 甚 s 一 图12 探地雷达工作原理图 ( 5 ) 弹性波检测技术 弹性波探测方法种类很多，有地震折射波法、地震反射波法、瑞雷面波法等 等，这些方法在堤防工程隐患探测工作中均进行了大量的试验，但因为弹性波本 2 ：誉2 一；2 图i3 面波数据处理示意图 身的性质特点，这类方法对几何尺寸较小的目标探测效果有限，但对堤坝大范围 的异性材料探测效果好，而且弹性波速度参数与堤身的力学指标联系紧密，因此 该方法多用于堤防质量评价、软弱层探测等方面。在进行堤防质量评价时，主要 是依靠测定土体波速来判断堤防的密实度，土样的纵波波速与岩性、密度、含水 量有关，一般岩性一定时，含水量越高，纵波速度越大并随天然密度、干密度 的变化而增高；含水量一定时，粘性土波速高于砂性土，这些物理性质为依靠测 6 攀i 大连理工大学专监学位硕士学位论文 定土体波速，判断堤防的密实度提供了基础。该方法的缺陷是探测速度太慢，只 能在确定某堤段有问题后，作详细勘察用。 ( 6 ) 温度场法 当体内部存在渗流时，体内热传导强度将因大量水在体内迁移两发生 改变。当渗透系数较大时，土体传导热传递将明显被流体运动所引起的平流热传递 所超越，即使是很少的液体流动也将导致主体湿度与渗漏水温度相适应，从面会 导致原来土体温度场发生局部不规则变化。这就是利用温度场探测堤坝渗漏的基 本原理。 温度场测量为堤坝渗漏通道的测量提供一种较为可行的技术方案。国外在利 用温度场探测堤坝渗漏比国内要早。早在1 9 5 5 年，德国就开始利用温度场监测土 坝的渗漏情况，此后美国和翦苏联等匿家也在利用温度场监测堤坝渗漏方面徽了大 量工作。近年来我国不少科研单位开始研究将温度场法用于堤坝渗漏或渗流检测。 ( 7 ) 运谴素承踪法 同位素示踪法【9 】在实际生产工作中，主要是利用天然或人工示踪剂来测量地下 水流的运动状态及渗流运动觏律的方法。人工示踪方法是通过在孔中投入一定的同 位素示踪剂而测定地下水流场，是渗流场测试的基本方法，人工流场是当被测量 的井段里无水或水力梯度较小时，可通过井中注水获得所需要的水文地质参数。 其主要露的是测定局部( 钻孔附近) 流场，也可以_ 通过一定数量豹钻孔而确定区域渗 流场。天然示踪方法则主要用于分析区域渗流场，确定地下水的补给来源，以分 析可能的集中渗漏通道，天然渗流场测若是在无干扰的自然流态下，获褥地下渗 流场的参数，特别是水库大坝绕坝肩或坝基的渗漏以及江河堤防的管涌渗漏均属 于这种天然的集中渗流。该方法适合基本确定渗漏隐患的大概位置后的详查使用， 不能作为普查渗漏隐患的方法使用。 厂地下水温度电导率示踪 厂天然示踪l 本文她球化学承踪 单l k 环境阍位素示踪 厂孔l广稀释法测定渗透流速 缝|不l 人工示踪| 蟪下水流良测定 粟l l 垂向流测定 亲l厂多孔示踪测定渗透流速 踪l多r 天然示踪l 水库渗漏区示踪探查 些i广人工流场多孔示踪测定 踪l 人工示踪| 含水层有效毳豫度 k 多孔示踪法测定弥散系数 图1 4地下水示踪法分类 7 电阻率法在堤坝隐患探测中的应用研究 ( 8 ) 流场法探测技术 流场法【1 1 1 2 】是由中南大学何继善院士发明的探测水流场流向和相对流速的全 新物理探测技术，其基本原理是利用水流场和电流场在一定条件下的某些数学物 理相似性，建立一个人工特殊波形编码电流场来拟合渗漏水流场，通过测定电流 场的分布来查明水流场的流向和相对流速。这种方法特别适合在汛期快速查找渗 漏、管涌一类的重大险情入水部位。该方法适合于已经发生渗漏或管涌，用于探 测其入水口使用，不能进行其它隐患普查使用。 综上，与其它探测方法相比，电阻率法是最适合于堤坝隐患探测的方法。 1 2 2 我省堤坝隐患探测现状 辽宁省是国内开展堤坝隐患探测技术比较晚的省份，最初是在1 9 8 9 年由辽宁 省水利水电科学研究院与重庆地质仪器厂合作，联合合作开发了8 9 i 型堤坝隐患 探测仪，并成功应用实际工程中，取得了一定的探测效果。 但是，由于我省的堤坝填筑历史的影响，地层结构较复杂，隐患探测工作开 展起来较困难，致使隐患探测技术发展缓慢，许多生产科研单位苦于没有合适的 仪器设备，便对这方面的研究止步不前。随着堤坝隐患探测技术探测原理的不断 成熟，仪器设备的不断发展，近几年，我省的隐患探测技术又逐渐开展起来，但 在实际工程上，在某些方法中，尤其是电阻率法探测中还存在着实际探测经验不 足等问题，例如电阻率法探测装置的选择等仍需要不断的通过实践来总结经验， 指导工程探测的实施。 1 3 研究的主要内容 本文从目前国内堤坝隐患探测方法中的直流电阻率法在实际工作中存在的主 要问题入手，在前人理论研究的基础之上，通过大量的野外试验性探测及工程应 用实例，分析电阻率法在实际运用中的几个技术难题，从而达到其更有效地为堤 坝险工探测服务的目的，以便更好地推广与应用。 本文结合前人研究和实践的成果，主要进行了以下几方面： ( 1 ) 分析堤坝隐患探测存在的主要问题，并检索国内外应用于堤坝隐患探测 中的物探方法，各种方法的优缺点和适用范围； ( 2 ) 从电阻率法探测的理论入手，分析探测堤坝内不同隐患异常体( 渗漏带、 裂缝带、软弱体、破碎带等) 时，所呈现的电阻率曲线不同特征，阐述探测方法 在理论上的可行性； ( 3 ) 在理论分析的基础之上进行试验性探测，探索电阻率法分析了电阻率法 在堤防垂直铺塑防渗土工膜的埋设深度及质量检测中的应用效果； ( 4 ) 结合电阻率法在辽宁省桓仁县铧尖子水库大坝隐患探测工程的应用实例 8 大连理工大学专业学位硕士学位论文 及钻孔验证资料进一步分析电阻率法探测的应用效果，同时，结合工程探测的实 施，对不同的探测装置进行了探测试验，通过比对分析，得出结论。 1 4 小结 虽然堤坝中的隐患探测是比较复杂，而且困难的，随着科学技术水平的不断 发展，使堤坝隐患的无损探测成为可能，本章通过调研检索，对目前应用于堤坝 隐患探测中的集中比较有效的探测技术的发展及优缺点分别进行了详细论述，其 中电阻率法是在堤坝隐患探测中应用最广泛，应用效果最好的一种方法，同时对 我省堤坝隐患的探测现状进行了分析。同时，针对目前堤坝隐患探测中存在的问 题及电阻率法在堤坝隐患探测中存在的问题入手，提出了本文的主要研究内容。 9 电阻率法在堤坝隐患探溅中的应溺研究 2 理论分析 电阻率法勘探是以岩土体电学性质的差异为基础，通过观测和研究与这些异 常有关的电场在空间和时闻上的分布特点帮变化规律，来查明缝下地质构造和寻 找异常体的一种地球物理方法。各种岩石均有不同的导电性能，自然状态下，岩 土体电阻率受岩土体懿成分和结构、岩体的孔隙度和饱水健、地下水矿纯度、 某些矿物成分以及温度变化等的影响。 若将直流电源的两端通过电极与大地相接，在地下便建立起稳定的电流场， 其分布状态决定予地下具有不同电阻率的岩石赋存状态。用各种不同的探测技术 去观测该电场的分布以了解地下的地质情况，这就是研究电阻率法探测的目的。 僵在堤坝隐患探测的实际工程中，由予一些堤防( 坝) 修筑质量差、经多年 水力冲刷带走细颗粒土、基础塌陷造成不均匀沉降和生物侵害等原因，造成堤防 ( 坝) 存在多种缺陷，有的隐患存在子堤( 坝) 身内，也有的存在于覆盖层和浅 层基础内，堤坝内隐患分布范围广，深浅不知，位置不定，在堤坝表面难以发现， 给实际探测带来了很大的难度。 经分析总结，堤坝的隐患主要有4 大类：( 1 ) 洞：蚁穴、鼠洞、烂树根、塌 陷产生的空洞以及浅层基础内细颗粒土被冲走形成的孔洞等；( 2 ) 缝：纵缝、横 缝、斜缝、隐蔽缝、开蜀缝等；( 3 ) 松：密实度低( 孔隙率大 或填料为沙土， 及坝基砂砾石层等；( 4 ) 小构造：坝基础座在基岩上，基岩中存在的断层、裂隙 等。在采用电阻率法工作的同时，必须对上述各种隐患所表现的不同的电阻率异 常显示有一定的了解，才能取得更好的探测效果。下面针对集中典型的隐患类型， 从电阻率法的理论上分别进行分析论述，为电阻率法探测堤坝内隐患提供强有力 的理论支持。 在电阻率法中，通常采用两个电极从地面向地下供电，同时用另外两个电极 测量电位差来了解地下电性分布，通过研究两个遗面异性点电流源的电场了解地 下电性分布。 假设地表水平，地下充满均匀各囊同性半无限介质，在地面上任意两点用供 电电极a 、b 供电，另两点用测量电极m 、n 测定电位差。 l o 大连理工大学专业学位硕士学位论文 圈2 1大地电陬翠测定装置图 根据电场的叠加原理，根据公式 = + 蜡= 2 删i p + 器一等岛一面1 ) 式( 2 1 ) 式中叫、b 两毫极在影点产生的电位；叫极在掰点的电位；叱 川极在m 点的电位；p 一电阻率；j 一电流；彳从b m 分别为a 极、b 极到m 极的距离。 可得a 、b 电极在m 点产生的电位为 = 等去一面1 ) 式( 2 2 ) 式中u - a 、b 两电极在n 点产生的电位 露理霹得到它们在n 点产生的电位 = 罢( 去一面1 ) 式( 2 3 ) 予是m 、n 两点闯的电位差为 a = 一= 墨嗜一去一击+ 丽1 ) 式( 2 4 ) 由此可得到均匀大地电阻率的计算公式 p 。菇垡塾 式( 2 5 ) 式中： 爱= t 1 r t 一 一 a ma nb mb n 式 称为装置系数( 或排列系数) ，它是一个与各电极闻的距离有关的物理量。野 外工作时，装置形式和极距一经确定，k 值便可计算出来。 根据堤坝内隐患体的逛性( 电阻率、极纯率、介电常数等) 差异两划分界线 的断面，称为地电断面。地电断面所划分的界线可能同地质体、地质层位的界线 吻合，也可能不一致。这时向充满非均匀介质的地下通电并进行测量，也可以按 电阻率法在堤坝隐患探测中的应用研究 式( 2 5 ) 求出一个“电阻率 值。不过它不是某一地层或地质体的电阻率，而是 与电流有效作用范围内所有地质体的电阻率都有关的物理量，用符号p 。表示，并 称之为视电阻率。即： 胪k 牛 式( 2 7 ) 电阻率法使用的参数是这个视电阻率值，这并不是一个直接测量得到的参数， 而是通过一对电极向地下供电，测量另一对电极之间的电位差，根据供电电流强 度和测量的电位差值，用视电阻率公式计算得到的，视电阻率值实质上是电场有 效作用范围内地形和各种地质体电阻率的综合影响值。 虽然式( 2 5 ) 和式( 2 7 ) 变量右端的形式完全相同，但左端的p 和p s 却是两 个完全不同的概念。只有在地面水平且地下介质均匀各向同性的情况下，两者才 是等同的。 视电阻率的基本公式2 7 可以改换成一个便于对地电断面进行定性分析的公 式，即视电阻率与地表电阻率、电流密度的关系式。 设地面水平，当m 、n 电极间的距离m n 很小时，其间的电流强度可认为是 均匀的，因此有 e = 一蛐m n = 业m n = p 刎 式( 2 8 )jj _ ，m 。 式中e 一电场强度。 所以 = j 肋v p t , a m n 式( 2 9 ) 式中、p 删分别为m 、n 电极间任意点的电流密度和介质的电阻率。将式 ( 2 9 ) 代入式( 2 7 ) ，得到 p s ：k 丘掣p 删 式( 2 1 0 ) 为了与无隐患情况的正常电场相比较，设均匀各向同性半无限介质的电阻率 为p ，m 、n 间的电流密度为如，此时式( 2 1 0 ) 可写成 舻k 华p 加m 因讨论的是均匀介质，故p 。应等于p ，于是便有 k m n ：一1 式( 2 1 2 ) l jo 将式( 2 1 2 ) 代入式( 2 1 0 ) ，得 户s ：阜p 刎 式q j 3 1 2 大连理工大学专业学位硕士学位论文 式中；。是与m 、n 闻的电流密度j 燃和介质电阻率p 捌成正比的量。上式称为| 视电阻率的微分形式。 鼗2绣 am 鹣b 冀 a醚。 速 nb 羽2 。2 视懑阻率和蟪电甄西性覆熬关系 ( a ) 均匀介质；( b ) 均匀介质中赋存良导异常体；( c ) 均匀介质中赋存高阻异常体 图2 2 给出了视电阻率与地电断面性质及其中电流密度分布的关系。图2 。2 ( a ) 是堤坝内电阻率为p ，的均匀、各商同性的单一土层。显然，在这种情况下，m n 处的电流密度j m n 等于地下均匀各向同性土层中m n 处的电流密度j o 值，m n 处的 电阻率p 袱等于均匀各囱网性层的电阻率p l 。图2 2 硒) 是在电阻率为p ，的土 层中，赋存一个电阻率为p ，的渗漏带( 良导电体) 。e l j 于电流汇聚于渗漏带，其结 果必然鸯j 虾j o 。又嚣= p l ，所以由式( 2 1 3 ) 可得p 。 j p l o 2 。1 常规电阻率法 在地电观测中，常采用不同的电极排列形式和移动方式( 即装置) 去解决不 褥的地质问题，我謦常用的常按电阻率法【珞谰装置有电阻率剖面法和电阻率测深 法装置。 2 。2 电阻率割露法 电阻率剖面法是采用不变的供电极距，并使整个或部分装置沿观测剖面移动， 逐点观测电位差、供电电流l ，并算出视电阻率p s 。由于供电极距不变，撵 测深度就可以保持在同一范围内，因此可以认为，电剖面法沿测线所得的p 。曲线 是测线下面一定深度范围内测线求平方向上地电断骶的综合反映。电阻率剖面法 所了解的是沿剖面方向，地下某一深度范围内不同电性物质的分布情况。电阻率 剖面法常用的方法又分为中间梯度装置、联合剖面装置、对称四级装置和偶级装 置等。 1 3 电阻率法在堤坝隐患探测中的应用研究 下面分别对中间梯度、联合剖面和对称四极的电极排列装置，在堤坝隐患探 测中，几种比较典型的隐患异常体的情况进行分析。 ( 1 ) 中间梯度法 1 ) 探测球体所产生的视电阻率异常 当供电和测量均在地面进行时，需要讨论无限介质( 半空间) 的电场分布， 特别是讨论球外的电场分布更有实际意义，见图2 3 。 0x h。 ( x ，y ，o ) 厂 、r p 2 公 6 z 图2 3 半空间均匀电流场中的导电球体 地面的影响可以用一个镜像球体代替。如球心深度( 1 l o ) 相对球体半径( r o ) 较大，即球体埋藏比较深时，可忽略球体与地面以上镜像的相互作用。这种情况 下的球体中间梯度法的视电阻率表达式为 沪“1 + 2 糟唼嚣， 4 ， 上式中令t - - o ，可得主剖面上的p ，表达式，其相对形式为 ：1 + 2 旦生露互二氅 式( 2 1 5 ) p - 2 p 2 + 1 。( 瑶+ x 2 ) ； 图2 4 为按( 2 1 5 ) 式计算，当9 2 = o 1 和l a 2 = l o 两种情况的球体主剖面上的中 间梯度法p 。曲线。球体半径r o ，埋深h o = 2 r o 。 1 4 大连理工大学专业学位硕士学位论文 由图可见，当堤坝内有类似球体的充满水的渗漏带( 即球体为低阻) ( p 2 _ 0 1 ) 一、r ! 爿厂 w 图2 4 主剖面上中梯法球状异常体p ，曲线 ( a )l lr = 1 0 ：( b ) p2 = 0 1 ：h = 2 r o 时，在渗漏带中心正上方有p 。极小值，两侧有p ， 岛的极大值。当堤坝内土体中 有类似球体的松散的砂性土，其电阻率为高阻( p 2 - 1 0 ) 时，在砂性体的正上方有 p ，极大值，两侧有p 。 j p 。的极小值。从而得出，无论高阻还是低阻异常球状体， 其上的视电阻率曲线皆左右对称。因此根据p 曲线主极值点的坐标，可确定异常 体在地面的投影位置。 视电阻率的变化特征反映了地下不均匀土层中的电场分布情况。因此，可以 用水平电流偶极子的电场分布规律解释堤坝土体中的低阻或高阻球状异常体的p ， 异常特性。因为此时地下总电流场乃是正常的均匀电流场与水平电流偶极子( 即 球体) 电流场的叠加。根据j m n 的变化，可用关系式( 2 1 2 ) 定性地说明p 。异常特 性。 电阻率法在堤坝隐患探测中的应用研究 2 ) 探测脉状异常体所产生的视电阻率异常 r r 2 o 石p _ 、，。：巍磊； 一o 一，一一 p 1 图2 5 用边界元法计算产状不同高阻脉状异常体的曲线 l q = 9 0 。：2 一a = 6 0 。；3 一q = 3 0 。：4 一q = 0 。 图2 5 为用边界元法计算的不同产状( a = 9 0 。，6 0 。，3 0 。，0 。) 的高阻脉 状异常体，该情况类似于堤坝内存在不同产状、具有一定宽度的裂缝的中间梯度 法相对视电阻率异常曲线。由图可见，由于位于均匀电流场中不同产状的高阻脉 状异常体( 裂缝) 对电流y o 有不同程度的排斥作用，因而脉状体上均有大于背景 值p ，的高阻异常。直立( a = 9 0 。) 裂缝对电流j o 的排斥能力最强，其上获得了对 称的最大视电阻率异常值( 曲线1 ) ；倾斜( a = 6 0 。，3 0 。) 裂缝异常体则随着倾 角i f , 的减小，排斥电流j o 的能力逐渐减弱，致使其上的电阻率异常值变小，且曲 线不对称性增大。极大值位于脉状体顶部稍偏离倾斜方向，而在倾斜方向p 。p ，变 化较缓，且出现明显极小值( 曲线2 、3 ) ；水平( 网。) 脉状异常体排斥电流j o 的能力最弱，故所得的p 。p ，曲线异常幅值最小，但异常宽度变大( 曲线4 ) 。 显然，可根据上述视电阻率异常特征定性地判断堤坝内裂缝的位置和产状。 对于均匀电流场中不同产状的低阻脉状体，这种情况类似于堤坝基础内存在 低阻的脉状软弱夹层，由于它对电流，0 具有不同程度吸引作用，在其上方将会有 小于背景值p ，的低阻异常。随着倾角a 变小，低阻脉状体吸引电流，o 的能力逐渐 增加，异常幅值也变大。 由此可见，在寻找堤坝内高阻直立脉状裂缝和低阻水平或缓倾斜良导脉状异 常体用中间梯度装置最有利，而寻找高阻水平脉状裂缝和直立良导脉状异常体则 不利。 ( 2 ) 联合剖面法和对称四极剖面法 1 6 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 ) 探测堤坝内球状异常体时产生的视电阻率异常 如图2 6 所示，设在堤坝内均匀、各向同性、电阻率为p 。的半无限土体中，有 一个半径为r o 、电阻率为p ：的球状异常体。在距球心为“和d b 的位置上有点电流 源a 和b ，其电流均为i 。观测点m 与a 、b 的距离分别为r a 和r b ，与球心的距 离为r m 。 图2 6 球状