边坡与堤坝渗流监测和渗漏检测技术综述

作者:未知

  摘  要:根据大量的文献资料,对堤坝和边坡渗流监测与渗漏检测技术研究在我国的发展过程进行了综述。结合工程实例,详细列举了目前渗透探测技术包括传统的渗漏探测方法、地球物理法、示踪法、流场法和分布式光纤温度传感勘探方法,并阐述了典型的渗漏探测技术的原理、优点缺点以及使用范围。最后,对堤坝和边坡渗流监测研究的发展方向予以展望。
  关键词:渗流  渗漏  发展  监测  分析
  中图分类号:TV698                            文献标识码:A文章编号:1672-3791(2020)12(c)-0050-03
  Discussion on Seepage Monitoring and Leakage Detection Technology of Slope and Dam
  GU Jiahui  FANG Xinru  CHEN Liang
  (College of Civil Engineering and Transportation, Hohai University, Nanjing, Jiangsu Province, 210098  China)
  Abstract: Based on a large number of literature, the development of seepage monitoring and leakage detection technology for dam and slope in China is reviewed. The paper, combining engineering practice, states the typical methods of seepage monitoring and leakage detection technology embracing traditional leakage detection methods、geophysical methods、trace methods、flow field methods and distributed optical fiber tempera      ture sensing leakage detection methods.The paper also states the principle, advantages and disadvantages and application range of each method. In the end, the development direction of seepage monitoring research on dam and slope is prospected.
  Key Words: Seepage; Leakage; Development; Monitoring; Analysisa
  渗透变形的基本形式包括流土和管涌,指土体在一定水力坡降作用下常常发生变形或破坏的现象。对于岩土和地下工程,考虑地下水渗流作用的影响,防治渗透变形的发生对于工程安全性、开发地下水资源、 防治地下水污染等情况[1]具有重要意义。渗流引发的管涌和流土等渗透变形现象,容易使得隔水层被顶破,造成基坑涌水,基坑承载力下降等危害。
  因此,在地下工程和岩土工程中,常常需要对渗流和渗透变形进行监测和检测。
  1  渗漏探测技术的发展
  根据王家琛等人[2]基于CNKI数据库甄别出与渗流监测有关的文献,分析阐述渗流监测领域的研究现状、发展趋势和热点方向。
  根据1983—2018年渗流监测研究发文量,可将我国渗流监测发展分为如下3个阶段:第一阶段,1983—2002年,萌芽期;第二阶段,2003—2012年,发展期;第三阶段,2013—2018年,爆发期。受长江三峡工程(修建时间1994—2006年)、锦屏一级大坝(修建时间2005—2006年)等一批国家重大水利、交通工程项目修建的影响,自2002年后,我国渗流监测进入较快发展的阶段。
  渗漏探测技术主要利用渗漏隐患区含水量较大所表现出的物理、化学性质不同,分为以测流量和测量渗透压力为主的传统渗漏探测方法;主要以电法和磁法为原理的地球物理勘探方法;以测温度和同位素为主的示踪法勘探方法;以电流场推测水流场为原理的流场法勘探方法;以测量温度为原理的分布式光纤温度传感勘探方法,等等。监测方法按照监测方法的性质分为点式监测,整体式监测和分布式监测。
  2  传统的渗漏探测方法
  传统的渗漏探测方法包括人工巡查、以容积法和量水堰法为主的渗流量监测法、以渗压计法和测压管法为主的渗透压力监测法。
  传统的监测方法因其结构简单、操作简便的优点,在已经建成的大坝水库中应用广泛。自1953年始,官厅水库采用测压管、量水堰、集水井等水库渗流监测设施监测水库浸润线和渗流量。此外,渗压计法、量水堰法等传统渗漏监测方法广泛应用于湘江长沙综合枢纽工程、黄河积石峡水电站工程枢纽等工程中。
  然而,傳统渗漏监测方法有其无法忽视的弊端,如孔与孔之间距离过长、材料的不均匀性等因素都会导致观测效果有时并不理想。传统监测方法为点式监测法,难以实现整体式覆盖监测,容易产生因漏检而存在安全隐患的现象。
  3  地球物理勘探方法
  3.1 电探法探测技术   3.1.1 电容式传感器渗漏监测
  该方法的本质是液体流穿透防渗层,使得防渗层的介电常数增大。电容与介质介电常数近似呈线性关系,通过对电容变化实现对坝体渗流的监测[3]。利用电容法探测渗漏,该法具有较高的灵敏度。
  3.1.2 直流电阻率法渗漏监测
  常规电法探测通常指剖面法和测深法,坝体材料导电性与介质类型、介质孔隙率、含水率、电解率有关,通过电阻率测量所得的差异了解地下结构的分布[4]。电阻率探测的关键是分别布置形成电场以及测电流电压的两对电极,电极排列方式主要有溫纳排列、库勒伯格排列、不等距四极布置等。坝体内存在含水率较高的部分,则会出现明显的低阻区。
  常规法反应灵敏、探测方法简单,节约成本,但是常规方法无法反映竖直方向的电性变化,测量精度不高,且无法连续测量,因此高密度电阻率法应运而生。20世纪70年代由英国首先提出高密度电阻率法,日本地质株式会社于20世纪80年代实现,80年代末我国引入电法探测新技术。高密度电阻率法将普通电阻率方法的原理和阵列概念相结合。高密度电法将电剖面和电测深结合为一整体,结合二维电影反演的电阻率层析成像技术,使得所测数据更密的同时进一步提高了分辨率。并且,高密度电法可以同时反映水平方向和垂直方向的电性变化规律。
  实际工程中也常常利用电阻率测量法进行渗漏探测,对大坝进行安全评估。
  3.1.3 自然电位法渗漏监测
  自然电位法基于Maclnnes等人[5]的研究发现,水流在可渗透介质中的电动耦合作用会产生电位,成为自然电位。探测地下水的自然电位需要普通的电测仪,对于可能渗漏的部位,布置测网,通过不极化电极测量电位差,联合测网所得的数据,绘制等电位线图,电位最低处即为渗漏严重处。该方法操作简单,成本低,可以确定渗漏源的几何形状,一般只能用于没有散浸的、渗漏量小的单一含水层,无法明显地反映微小渗透破坏和渗流量。
  3.1.4 激发极化法渗漏监测
  20世纪50年代,美国和前苏联等国家的学者,对利用含水岩石的激发极化效应勘查地下水的可能性进行理论分析与试验研究,取得一定的成果。激发极化效应即IP效应是指电流的滞后效应。当恒定强度的电流输入地下,或者切断电源后,电极之间的电流会随着时间渐趋平稳。根据不同的介质对电流的衰减影响程度不同的原理,通过IP效应中电流增强和衰减的程度分析堤防中的渗漏异常部位。激发极化法可以有效地测出渗漏异常处,同时可基于此判断坝体渗漏部位、规模、破坏形式及检测防渗墙的施工质量。该方法的弊端为激化异常需要一定的规模,实际工程中渗漏异常处常常尺寸较小,并不适用。
  3.2 电磁法探测技术
  3.2.1 瞬时电磁法渗漏探测
  瞬变电磁法(TEM)即时间域电磁法,其基本原理为不同位置、不同深度地层对磁场变化产生不同涡流强度,因为含水率越大,产生的涡流场越强。中国水利水电科学研究院房纯刚教授等人[6]1989年开始进行瞬变电磁法探测坝体及坝基渗漏研究,并于1998年将该方法应用于土坝和堤防渗漏隐患探测,效果显著。该方法探测深度大、速度快、不受地形和接地电阻的影响,但是存在浅层探测盲区的弊端,对实际工程的渗漏探测也埋下了一定的隐患。
  3.2.2 地质雷达法渗漏探测
  地质雷达(GRE)法基于高频电磁波理论的原理,根据接收到的反射波的波形特征、强度、时间等因素推断地下介质的空间位置、结构、电性质及几何形态,从而达到对地下地层或目标体的探测。吴相安等人[7]运用自制的100 MHz发射频率天线查出了坝下10 m深的涵管,利用400 MHz发射频率天线探测3 m以上10~20 cm的蚁巢。
  3.3 弹性波法探测技术
  弹性波法探测技术主要包括地震反射波法、地震折射波法、地震映像法和瑞雷面波法。依据堤坝隐患与背景场的波速及波阻抗差异, 可采用纵波、横波反射技术及面波探测技术向地层发射合适的波形,实现对堤坝隐患的检测。
  4  示踪法勘探方法
  在水库检测渗漏中,示踪法包括环境同位素示踪法和温度示踪法。温度示踪法利用地球表面温度低,地下温度高的特点,依次推测强渗漏区域,若某处温度过高,该区域极有可能发生渗漏。同位素示踪法,通过同位素的天然特征,测定各地层水的渗漏流速、水平流向、垂直流向,以及注水条件下的垂直流向,进而确定堤坝渗漏区[8]。示踪法通常需要进行钻孔投放示踪剂或者钻孔测温,但某些地区,钻孔难度较大,该法不可行。
  5  流场法勘探方法
  流场法是中南大学何聚善院士、汤井田教授等人[9]提出的探测水流场流向和相对流速的全新物理探测渗漏技术。利用水流场与电流场在一定条件下的某些数学物理相似性,通过建立特殊电流场拟合渗漏水流场,通过此电流场的分布推测水流场的流向和相对流速。
  目前,该技术只能用于坝体上游的水库之中,并且只能找到渗漏点,不能测定渗漏在防渗体内部的分布情况。
  6  分布式光纤温度传感勘探方法
  对于利用温度勘测渗漏,M Adrea等人利用BODTA对海水管道进行检测,通过温差确定了渗漏发生的位置。但由于温度场分布不均,改进为分布式光纤温度传感法。分布式光纤温度传感方法于20世纪70年代提出。通过光纤测温系统实现对光纤沿途所经过地方的温度场进行连续、分布式的实时测量;同时与光时域反射技术相结合获取测温点的位置。分布式光纤传感器法可以实时监测防渗体全部范围,但是只能监测温度,无法测量渗流速度等参数,此外光纤对应力比较敏感,在实际铺设中存在一些困难。
  7  结论
  (1)按照监测方法的性质,将监测方法大体分为点式、整体式和分布式监测3种,其中,点式监测方法包括渗流量监测、渗透压力监测、电探法监测;整体式监测方法包括电磁法监测和弹性波监测;分布式监测方法包括分布式光纤温度传感系统。整体式监测方法反应全面,操作简捷,越来越受到关注。   (2)虽然电学、电磁学和光学等原理均与渗漏测试相结合,但提高效率、覆盖面变广的同时每种方法均有其局限性,因而传统的渗漏探测法包括渗流量探测以及渗透压力的探测,以其成本低、操作简单等优点,仍在工程实际中被广泛应用。
  (3)根据工程实际选用合适的测量方法,有时,单一的方法不能完成全方位的测量工作,需将多种方法结合使用。
  参考文献
  [1] 崔盈.基于分布式光纤传感技术的堤防渗漏监测[D].哈尔滨工程大学,2017.
  [2] 王家琛,朱鸿鹄,倪钰菲,等.渗流监测领域研究热点与发展趋势—— 基于文献计量与内容分析法[J].人民长江,2019,50(S2):167-172.
  [3] 杜良.水渗流引起的岩土体电阻率变化规律与动态监测技术[D].中国矿业大学,2016.
  [4] 黄真.基于电阻率法的土石壩渗漏检测发展综述[J].四川建材,2019,45(8):62-63.
  [5] Maclnnes D A.The Principles of Electro-chemistry[M].NewYork:the reinhold publishing crop,196l:478.
  [6] 房纯纲,葛怀光,贾永梅,等.瞬变电磁法用于堤防渗漏隐患探测的技术问题[J].大坝观测与土工测试,2001(5):21-24.
  [7] 吴相安,徐兴新,吴晋,等.水利隐患GPR探测方法研究[J].地质与勘探,1998(3):49-53,59.
  [8] 蒋甫伟,宋金平,汪新健,等.地下水示踪技术在水库渗漏勘察中的应用研究[J].工程技术研究,2019,4(21):79-80.
  [9] 邹声杰,汤井田,何继善,等.流场拟合法在堤坝渗漏管涌探测中的应用[J].人民长江,2004(2):7-8,18-52.
  [10] li jun,lv xing,w.f.wang. Leak monitoring and localization in baghouse filtration system using a distributed optical fiber dynamic air pressure sensor[J]. Elsevier Inc.,2020(57):102218.
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