基于时移3D高密度电法的堤坝涵管接触渗漏探测研究

张清明 徐帅 王锐 周杨

摘 要：堤坝涵管接触冲刷破坏是堤坝工程最常见的险情之一，具有难以察觉、破坏突然和危害性大的特点，为实现堤坝涵管与土体结合部位的有效探测，研究采用时移3D高密度电法追踪探测、判断接触渗漏。在探讨时移3D高密度电法正演、反演理论和观测装置类型的基础上，结合工程实际应用，开展了注水前后连续3D电阻率探测试验，引入电阻率反射系数R，分析了注水前后不同时刻结合部位电阻率的变化规律。试验结果表明，电阻率低阻异常响应与结合部位松散不密实区之间具有良好的对应关系，可实现对结合部位接触渗漏的有效探测。

关键词：堤坝涵管;时移3D高密度电法;接触渗漏

中图分类号：P631

文献标志码：A  doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.12.027

引用格式：张清明，徐帅，王锐，等.基于时移3D高密度电法的堤坝涵管接触渗漏探测研究[J].人民黄河，2021，43（12）：135-138.

Abstract： The contact erosion damage of dam culvert is one of the most common dangerous conditions in dam engineering， which has the characteristics of difficult to detect， sudden damage and great harm. In order to realize the effective detection of the joint part of dam culvert and soil， the time-lapse 3D high density resistivity method was used to detect and judge the contact leakage. Based on the discussion of forward modeling， inversion theory and observation device types of time-lapse 3D high-density resistivity method， combined with the practical application of engineering， the continuous 3D resistivity detection test before and after water injection was carried out， and the resistivity reflection coefficient R was introduced to analyze the development and change law of the resistivity change at the junction in different times before and after water injection. The test results show that there is a good corresponding relationship between the low-resistivity abnormal response and the loose and non-dense area of the joint， which can realize the effective detection of the contact leakage of the joint.

Key words： dam culvert pipe; time-lapse 3D high density resistivity method; contact leakage

1 前 言

堤壩涵管是堤防和土石坝工程常用的结构形式，堤坝涵管的管身埋设于堤坝内部，堤坝与涵管存在土-结构接触面，贯穿上下游的接触面一直是防渗的薄弱环节，具有难以察觉、破坏突然和危害大的特点，堤坝和涵管结合部位一旦发生渗流则易发生接触冲刷破坏，不断发展会形成贯穿性渗漏通道，严重时可造成堤坝溃决[1]。

为了有效探测堤坝涵管接触渗漏，国内外专家学者开展了示踪法、高密度电法等探测技术的研究。高密度电法因具有布设灵活、数据丰富、成果直观等优点而受到了广泛关注，Bolève等[2]、Sjdahl等[3]、Lkard等[4]通过分析渗流通道与土石坝坝体电阻率的不同，研究了土石坝内异常渗流路径的分布特性。目前高密度电法已经由2D单方向测量发展到3D多方向测量，张欣[5]采用理论分析、数值模拟、模型试验和现场测试等方法研究了含隐患土石堤坝3D电场特征和电阻率成像识别方法，张汝凯等[6]利用3D高密度电法对堤坝裂缝隐患进行数字模型和物理模型试验研究，分析了3D高密度电法探测堤坝裂缝分布范围、位置的效果。堤坝涵管多采用混凝土、钢筋混凝土结构或钢管，混凝土、钢筋混凝土结构主要表现为高阻异常，钢管主要表现为低阻异常，3D高密度电法能有效提高探测效果，减弱旁侧效应，但受地形、探测体埋深以及反演时阻尼因子的影响，反演成果可能存在多解性，并易形成“假异常”或冗余构造，通过单次探测判断堤坝涵管是否发生接触冲刷破坏较为困难。时移3D高密度电法在保持电极位置固定，观测系统、装置类型一致的前提下，采集不同时刻的观测数据，通过对多次观测数据进行差值或百分比变化数据处理及反演，能有效识别、消除“假异常”或冗余构造，捕捉电阻率异常的发展变化规律。

本文在剖析时移3D高密度电法正演、反演理论和观测装置类型的基础上，结合工程实际应用，开展注水前后多次连续3D电阻率探测试验，引入电阻率反射系数R，分析不同时刻堤坝涵管结合部位电阻率的差异，为接触渗漏探测提供一种新的思路。

2 时移3D高密度电法

2.1 正演理论

高密度电法以岩、土介质导电性差异为基础，通过观测介质中人工建立的稳定电流场的分布规律来探测地下介质差异[7]。在三维直角坐标系中，若场源A（x0，y0，z0）是供电电流强度为I的点电源，则其产生的电流场的电位分布满足以下偏微分方程：

2.3 观测装置选择

3D高密度电法的布极和测量方式与2D高密度电法相似，电极在观测区域上呈S形网格节点状分布，数据采集装置包括二极（A-M）、偶极（AB-MN）、径向偶极、三极（A-MN）、梯度阵列和混合偶极梯度阵列等[10]。二极装置（A-M）产生的信号较强，但两测量电极之间的距离过大，探测分辨率较低，难以保证探测精确度。偶极装置采集的三维数据在反演过程中易产生较大的均方根误差，探测分辨率不及二维偶极装置，且在导电环境下数据覆盖会受到影响。径向偶极阵列A、B、M、N电极布置在三维矩形电极网格直线上，可在一条直线或横跨四条直线上，数据覆盖比偶极装置少，但信号更强、探测分辨率更高。三极装置（A-MN）综合了二极装置和偶极装置的优点，具有良好的信号强度和探测分辨率，但数据覆盖有待加强。梯度阵列电位电极可布置在AB电极之间或AB电极之外，以获得大量采集数据。混合偶极梯度阵列综合了径向偶极和梯度阵列的优点，A、B、M、N电极布置在三维矩形电极网格一条直线上，在采集数量、信号强度、探测分辨率上都有所提高。

3 涵管接触渗漏探测试验

长垣黄河大堤桩号40+500处1980年修建了瓦屋寨虹吸工程，原设计防洪水位为65.67 m，虹吸管内径0.8 m，管底高程66.70 m，该虹吸管已超过使用年限，虹吸管锈蚀老化，设防水位低于2000年设防水位67.20 m，为堤防挂号险点。为探测瓦屋寨虹吸工程与堤身土体是否存在接触冲刷破坏，在涵管与土体结合部位进行注水试验，开展多次连续3D电阻率探测试验，分析电阻率发展变化趋势，判断涵管壁与土体结合部位的接触渗漏情况。

3.1 试验设置

结合工程实际，选择虹吸管所在背水侧堤坡开展探测试验，探测范围以虹吸管为中心，向上、下游两侧展开，上缘位于堤坡高程66.70 m（同管底高程），下缘位于堤坡高程59.74 m。电极在探测区域呈S形网格节点状布置，顺堤X轴方向布置7列电极，垂直堤防Y轴方向布置12行电极，电极行、列间距均为2.0 m，共布置84个电极形成12.0 m×22.0 m的探测区域，观测装置布置采用混合偶极梯度阵列模式，见图1。

开展注水前后3D电阻率探测试验。第1次探测完成后，在虹吸管上方背水坡（高程63.54 m）钻孔至结合部位，孔径约20 cm，成孔后进行注水（食盐水）试验并确保孔口水位保持不变，开展第2、3次探测试验，试验过程见表1。

3.2 探测结果分析

采用混合偶极梯度阵列模式完成3次探测数据采集，利用EarthImagery3D反演软件对数据进行反演处理，3次探测反演电阻率的静态截面和动态截面见图2～图4。可以看出，虹吸管所在位置呈明显的低阻异常，低阻异常区域沿Y轴方向连续分布，与工程实际情况相符。

为了分析注水前后涵管壁与土体结合部位电阻率的变化规律，引入电阻率反射系数R，绘制第1、2次探测3D反演电阻率R1值平面切片（沿Y轴方向），见图5。SL1～SL5位置为虹吸管壁与土体结合部位，注水试验开始后，距离注水孔最近的SL1位置电阻率减小明显，R值最大达到60%，距离注水孔最远的SL5位置电阻率变化不明显，表明注水试验开始后，电阻率低阻异常响应区域沿虹吸管方向（Y轴方向）持续扩散，电阻率呈现不断降低的趋势。

绘制第1、3次探测3D反演电阻率R2值平面切片（沿Y轴方向），见图6。注水试验开始6 h后，SL1～SL5位置电阻率R2值分别为90%、60%、30%、25%、12%，随着时间推移，沿虹吸管方向电阻率均出现不同程度的降低，但电阻率低阻异常响应区域主要集中在虹吸管右侧（以X轴原点端为左），表明虹吸管壁右侧与周边土体结合相对其他位置欠密实，易发生接触冲刷破坏。现场开挖试验证明，虹吸管与堤身结合部位主要为粉土，结合部位右侧存在不连续的松散不密实区及小的空洞，与探测结果一致。

4 结 语

时移3D高密度电法突破了一次探测的理论，开拓了从单一探测到追踪探测、判断接触渗漏的新思路。本文在剖析时移3D高密度电法理论和观测装置类型的基础上，结合工程实际应用，开展多次连续3D电阻率探测试验，引入电阻率反射系数R分析电阻率的发展变化趋势，得到以下结论：

（1）3D高密度电法网格节点式的布极、多方位测量方式可获取大量数据，反演結果包含多层次、多方位地下电性结构参数信息，利用不同方向电阻率静态截面、动态截面可直观反映地下结构形态，在堤坝涵管接触渗漏探测中具有很好的应用价值。

（2）涵管与土体结合部位电阻率在有水、无水条件下表现为高阻、低阻异常，两者呈负相关特征，引入电阻率反射系数R，分析注水前后不同时刻结合部位电阻率的变化规律，电阻率低阻异常响应与结合部位松散不密实区之间具有良好的对应关系，可实现对结合部位接触冲刷破坏的有效探测。

（3）时移3D高密度电法在工程领域的研究还处于起步阶段，本次研究以实体模型试验为主，后续可通过模拟布设不同堤防类型、不同涵管构件、不同接触冲刷破坏模式的探测条件，进一步开展数值和模型试验研究，提高时移3D高密度电法反演的定量解释水平。

参考文献：

[1] 贾金生，袁玉兰，郑璀莹，等.中国水库大坝统计和技术进展及关注的问题简论[J].水力发电，2010，36（1）：6-10.

[2] BOLVE J， REVIL A， JANOD F， et al. Preferential Fluid Flow Pathways in Embankment Dams Imaged by Self-Potential Tomography[J].Near Surface Geophysics，2009，7（5-6）：447-462.

[3] SJDAHL P， DAHLIN T， JOHANSSON S. Using the Resistivity Method for Leakage Detection in a Blind Test at the Rssvatn Embankment Dam Test Facility in Norway[J].Bulletin of Engineering Geology and the Environment，2010，69（4）：643-658.

[4] LKARD S J， REVIL A. Self-Potential Monitoring of a Thermal Pulse Advecting Through a Preferential Flow Path[J].Journal of Hydrology，2014，519：34-49.

[5] 张欣.含隐患土石堤坝三维电场特征分析及成像识别技术研究[D].重庆：重庆交通大学，2017：19-73.

[6] 张汝凯，张晓培，吕守航，等.三维高密度电阻率法在堤坝工程中的模拟试验[J].世界地质，2016，35（4）：1133-1137.

[7] 陈斌文，龚剑平，嵇其伟.高密度电阻率法空洞探测的数据处理方法[J].路基工程，2009（1）：175-177.

[8] 朱瑞，李朝辉，时向阳，等.三维高密度电法在隐伏断层探测中的应用[J].人民黄河，2019，41（11）：106-109，143.

[9] 孙卫民，孙大利，李文忠，等.基于时移高密度电法的堤防隐患探测技术[J].长江科学院院报，2019，36（10）：157-160，184.

[10] ZHOU B， GREENHALGH S. Cross-Hole Resistivity Tomography Using Different Electrode Configurations[J].Geophysical Prospecting，2000，48（5）：887-912.

【責任编辑 张华岩】