动态四维探测堤坝渗漏

范素芳，黄采伦，陈红钊，马立乾，龙 魁

（湖南科技大学 机械设备健康维护湖南省重点实验室，湘潭 411201）

0 引 言

截止到20世纪80年代，我国共建各类水库共计8万多座，其中大型水库355座，中型水库2462座，小型水库80120座.年复一年，日复一日，随着水库坝堤运行时日的增长，及受基础工程技术质量，水文地质环境等因素的影响，水库大坝存在于各方面的安全隐患日益加剧，这是在我国的具体条件下形成的.过去大跃进年代，经济技术各方面条件差，有不尊重科学的作法，修建水库工程急于求成，不经过勘测设计就仓促开工.堤坝渗漏是危害堤防安全运行的主要因素之一.我国在对2000余座溃坝进行一系列统计分析后，发现由堤坝渗漏引起的溃坝超过30%，由此可见，渗漏是造成大坝溃决的主要原因之一，防渗治漏对于工程的建设与运行至关重要，在非溃坝性事故中堤坝渗漏也占了较大的比例［1］.因此准确探测堤坝渗漏通道的位置对堤坝的整治具有十分重要的意义.

我国堤坝渗漏探测方法主要有地质钻探、人工探视和地球物理探测等3种.但是前两种方法均不能满足快速、准确、大面积无损检测等要求，而地球物理勘探恰恰是快速的、可连续扫描、代表性广，无损伤检测的较为有效的方法.归纳起来有：瞬变电磁法、高密度电阻率法、放射性同位素示踪法、测温法、表面波法、浅层地震法、地质雷达、流场测量法等［2］.堤防渗漏隐患探测的特点是距离长，隐患类型多，隐患深度变化范围大，堤防结构复杂，对仪器要求很高，探测难度很大.由于堤防的复杂性和已有技术的局限性等原因，探测结果都不是唯一的，是多解的.目前，国内外尚无探测堤防渗漏的成熟技术和行之有效的仪器.

1 地下磁流体探测坝堤渗漏基本原理

几十年来各科技单位组织经过不断努力，已经研究开发了十几种方法进行堤坝渗漏探测.经多年研究，国内外专家认为在诸多可利用于隐患和渗漏探测的堤身填筑材料的物理参数中，电导率电阻率变化最明显且探测方法简便，这是目前渗漏前广泛采用瞬变电磁法和高密度电法探测堤防隐患和渗漏的原因.基于地下磁流体探测技术的堤坝渗漏探测方法，以地核发射电磁波作为探测信号场源，通过仪器在地表接收携带有地下不同地质体的特征信息的，天然电磁波的分布场，并由探测结果反演地层结构从而达到探测的目的［3－4］.该方法不仅能探测携带动态信息的渗漏低阻异常，并在传统的三维找矿的基础上，提出（X，Y，Z，T）四维定位，其中T－时间因素是关键.只要通过测量确定瞬变电磁波场形态，（X，Y座标）就确定了；渗漏的埋藏深度h（Z座标）可用仪器所采用的探测频率来确定；那么我们所说四维方法的第四维T是怎么确定的呢？T：动态信息变动周期（s）［5］.这样关于地下水水势场场源就找到了，即地下水流系统的X、Y、Z、T座标就确定了.从而使探测结果准确可靠.

图1 地下磁流体探测原理框图

地下磁流体探测的基本原理框图如图1所示，通过插入地表的探针接收天然电场在地表的分布量；由现场探测装置对探针所接收的信号进行放大转换并从中提取特征信息（地下水动态信息、裂隙信息等），采集并保存探针接收的信息；上位PC机通过USB电缆从现场探测装置中读取探测数据，经软件综合分析处理后显示探测结果.

图2 地下磁流体探仪器用于坝堤探测示意图

仪器对静态信息与动态信息的测量采用智能化方法，能对静态信息能自动改变采样周期长定时采集，而对动态信息则高速采集，以保证测量数据的准确性.实际探测工作中，只要将探头插入水库坝堤被测点的土壤中，起动仪器检查所有探针都完全接好后即可进行探测.由于坝堤管涌、渗漏的水流量与时间存在一定的关系，所以对于同一测线需采集不同时间段的多组数据，同一测线采集到多组数据后；经上位机软件对所采集的数据进行分析处理给出探测结果，了解到测线范围内地下水、裂隙的分布情况，离地面距离有多深、流量有多大等信息.

2 在拓木唐水库坝堤渗漏探测中的应用

2.1 应用背景

柘木塘水库坝址位于湘乡市棋梓镇南岸村，东经112°9′55″，北纬27°46′30″，属涟水支流新河流域，是一座具有防洪、灌溉等综合效益的小型水库.柘木塘水库投入运行以来，为湘乡市棋梓镇的农业发展和下游防洪供水做出了重大贡献，但由于施工、老化等诸多原因，水库坝体出现管涌渗漏，严重威胁水库的运行安全.

2.2 探测实例

探测小组采用地下磁流体探测方法对拓木塘水库堤坝进行了多组测线的综合探测，如下对其中1组有代表性的测线进行详细分析.测线布置如图3所示，其中探针B8至探针A4沿水库右边公路布置，探针A5至探针A8沿公路外坡布置，每两根探针之间的距离约为10m，探测了两个深度段：垂深10m到30m，间隔2m；垂深65m到90m，间隔5 m.将仪器现场所测的数据经上位机分析软件综合分析得图4、图5.

结合现场探测数据分析图7、图8：在测线范围内，A6、A7处在垂深20～24m之间存在低值异常，B4、B5处在垂深10～30m之间存在低值异常；垂深22m探针A2～B2之间以及B6～B8之间存在多处裂隙信息，垂深28m探针B2～B4之间存在裂隙信息；垂深30m探针A4至A5处存在地下水动态信息△3.01Hz，B1至B2处存在地下水动态信息△3.82Hz，B4至B5处存在地下水动态信息△2.23 Hz；垂深65m，A7至A6处存在地下水动态信息△1.83Hz，A6至 A5处存在地下水动态信息△2.29 Hz，A5至A4处存在地下水动态信息△1.15Hz，B3至B4处存在地下水动态信息△0.3Hz，B4至B5处存在地下水动态信息△0.6Hz，B5至B6处存在地下水动态信息△1.05Hz；垂深80m，B1到B6之间多处存在地下水动态信息△0.61Hz.综合分析多组测线的探测结果可知：探测范围内岩溶裂隙较为发育，浅部岩溶裂隙丰富，在测线B4至B5处垂深80m左右存在一地下水径流带，水量大于100m3／h，是浅部岩溶裂隙水的主要源头.

2.3 探测结论

坝堤渗漏系统是客观存在且极其复杂的一个系统，已知各种用于坝堤渗漏监测工作方法存在多解性问题，难免会有失败的可能性.但是地下磁流体探测技术用专门的工具捕捉它的动态信息，抓住它们的共性与个性，使找水、治水、防水问题迎刃而解.在实际工程应用中，验证了地下磁流体探测技术在监测堤坝渗漏的这种实时动态变化过程时效果显著.

［1］汝乃华，牛运光.大坝事故与安全土石坝［M］.北京：中国水利水电出版社，2001.

［2］王传雷，董浩斌，刘占永.物探技术在监测堤坝隐患上的应用［J］.物探与化探，2001，25（4）：294－299.

［3］黄采伦，张 剑，等.地下磁流体探测技术及应用鉴定证书［Z］.湖南省科技厅，2007－5－25.

［4］周 华，黄采伦.地下磁流体探测方法及其应用［J］.矿业工程研究，2009，24（2），42－45.

［5］宋伟雄.动态信息四维定位探测新技术［J］.科技风，2009（1）：9.