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工程物探從堤防隱患探測(cè)到堤防隱患監(jiān)測(cè)的思考

文檔作者：謝向文郭玉松馬愛(ài)玉文檔來(lái)源：黃河水利委員會(huì)勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年08月13日
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從堤防隱患探測(cè)到堤防隱患監(jiān)測(cè)的思考
謝向文郭玉松馬愛(ài)玉
黃河水利委員會(huì)勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,河南鄭州450003)
摘要:本文通過(guò)從堤防隱患探測(cè)中所得到的啟示,結(jié)合汛期防洪搶險(xiǎn)的實(shí)際情況,提出
了對(duì)將來(lái)堤防隱思監(jiān)測(cè)的地球物理參數(shù)的選擇、方法和設(shè)備的思考
關(guān)鍵詞:堤防隱患;地球物理;探測(cè);監(jiān)測(cè)
1前言
1998年洪水后,國(guó)家防總在湖南益陽(yáng)組織了大規(guī)模的“堤防隱患探測(cè)儀器和技術(shù)
比測(cè)”。從此,堤防隱患探測(cè)在全國(guó)的大江大河堤防治理中轟轟烈烈地開(kāi)展起米水利
部在制定“988”科技計(jì)劃時(shí),又將堤防隱患和險(xiǎn)情探測(cè)儀器開(kāi)發(fā)列人科技攻關(guān)項(xiàng)目
該項(xiàng)目研制成功后,使得堤防隱患探測(cè)技術(shù)設(shè)備達(dá)到了一個(gè)新高度。目前,隱患探測(cè)工
作正逐步規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化,已成為堤防工程加固管理的一項(xiàng)新措施。
堤防隱患探測(cè)只是在非汛期檢查堤防工程質(zhì)量時(shí)作用明顯,而真正在汛期防洪搶險(xiǎn)
中,無(wú)論是在探測(cè)速度還是在預(yù)警方面都作用不大,只能是在險(xiǎn)情出現(xiàn)后,進(jìn)一步確定
一下隱患造成險(xiǎn)情發(fā)生的部位及通道,而不能提前預(yù)報(bào)險(xiǎn)情出現(xiàn)的時(shí)間、地點(diǎn)及可能出
現(xiàn)的概率。這是探測(cè)所不能解決的問(wèn)題。因此,堤防隱患監(jiān)測(cè)工作的重要性日益顯
現(xiàn)出來(lái)。
2堤防隱患探測(cè)中引起
的思考
2.1正常場(chǎng)的背景問(wèn)題
在堤防隱患探測(cè)中常常會(huì)遇到一
些背景較為復(fù)雜的測(cè)段,由于堤身均
勻性極差,隱患相對(duì)發(fā)育,各種干擾
和異常相互疊加,致使背景波動(dòng)起伏
圖1堤防隱患探測(cè)電阻率實(shí)測(cè)剖面圖
作者簡(jiǎn)介謝向文(1966-),男,山縣人,高級(jí)工程師,主要從事工程物探研究與應(yīng)用工作。
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從堤防隱患探測(cè)到堤防隱患監(jiān)測(cè)的思考
較大,正常場(chǎng)無(wú)法準(zhǔn)確確定,會(huì)造成異常幅度的判定偏差,減低了隱患探測(cè)的準(zhǔn)確率
(見(jiàn)圖1)。
我們將堤防隱患作為異常,首先要了解正常的背景,然后才能根據(jù)異常相對(duì)于正常
背景的幅度確定該異常是否為有效異常。所有理論都是將正常場(chǎng)的背景假設(shè)為均勻穩(wěn)定
的,但在實(shí)際工作中,這種簡(jiǎn)單的背景是少數(shù),多數(shù)背景都“不干凈”,有干擾,會(huì)發(fā)
生畸變和扭曲。此時(shí)正常場(chǎng)的幅值就難以定準(zhǔn),通常會(huì)用各種濾波或加權(quán)平均等數(shù)值分
析處理來(lái)確定。這樣以來(lái)還會(huì)壓低異常幅度,但也很難確保不會(huì)發(fā)生偏差。由此看來(lái),
復(fù)雜的背景是一種客觀存在,要在某一時(shí)刻將有效異常提取出來(lái)是很困難的,應(yīng)該在不
同時(shí)刻重復(fù)觀測(cè)異常的變化,由此確定隱患的存在與否。也就是將隱患的探測(cè)改
為監(jiān)測(cè)。
2.2電阻率圖像與水位變化的關(guān)聯(lián)度問(wèn)題
在低水位情況下進(jìn)行堤防隱患探測(cè)時(shí),由于黃河大堤長(zhǎng)期不靠水,裂縫、松散體和
孔洞等隱患在電阻率剖面中都是表-5
70
現(xiàn)為高阻異常形態(tài)。進(jìn)入汛期特別-10
60
是在高水位下,由于河水上漲堤身15
50
40
電阻率降低,同時(shí)堤身內(nèi)部滲透速-20
30
度不同,含水量發(fā)生變化,致使原3540550556065707580859020
來(lái)隱患的高阻異常轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥璁惓?
(見(jiàn)圖2、圖3)。
圖2非汛期臨河隱患探測(cè)電阻率圖像
圖2是1996年7月平水期所測(cè)
結(jié)果。圖3是2001年8月東平湖連
續(xù)遭受暴雨襲擊水位超警戒線出現(xiàn)-10
險(xiǎn)情時(shí)的測(cè)試結(jié)果。由此可以看出-15
在水情發(fā)生變化時(shí),堤防隱患在電
404550556065707580859095100
阻率圖像中出現(xiàn)性質(zhì)反轉(zhuǎn),由原來(lái)圖3汛期高水位下背河隱患探測(cè)電阻率圖像
的高阻異常變?yōu)榈妥璁惓?其變化
過(guò)程與水位上漲過(guò)程有非常好的關(guān)聯(lián)度。據(jù)此可以在汛期進(jìn)行堤防隱患和險(xiǎn)情監(jiān)測(cè)。前
幾年,中國(guó)地質(zhì)大學(xué)王傳雷老師也用高密度電法監(jiān)測(cè)管涌發(fā)生、發(fā)展的試驗(yàn),其電阻率
變化過(guò)程和水位變化過(guò)程有著極好關(guān)聯(lián)度。
2.3堤防隱患探測(cè)成果的使用問(wèn)題
黃河下游堤防隱患探測(cè)工作已開(kāi)展了3年多,探測(cè)堤防長(zhǎng)度約800km,測(cè)出隱患幾
千處,然而河務(wù)部門對(duì)堤防隱患探測(cè)提交的成果認(rèn)為沒(méi)法使用。由于經(jīng)費(fèi)和財(cái)力有限,
不可能所有存在隱患的堤防馬上全部進(jìn)行加固處理,只能是逐步實(shí)現(xiàn)。那么先處理哪些
隱患?常言說(shuō)“千里金堤潰于蟻穴”,因此不能僅僅按隱患的大小來(lái)分類,他們需要
隱患探測(cè)回答哪些隱患在汛期最有可能出險(xiǎn),由此來(lái)安排工程加固處理的先后次序。然
而隱患探測(cè)只能回答工程質(zhì)量問(wèn)題,無(wú)法回答堤防工程在汛期的抗洪能力,更別說(shuō)隱患
是否會(huì)出險(xiǎn)。那么要回答堤防隱患在汛期水情變化時(shí)是否將造成險(xiǎn)情,只能是對(duì)堤防隱
患監(jiān)控起來(lái)。況且在進(jìn)行堤防隱患探測(cè)過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)即使頭年探測(cè)出的隱患進(jìn)行了壓力
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工程物探論文集
灌漿加固,第二年探測(cè)時(shí)隱患異常仍然存在;還有第一年探測(cè)為正常的好堤,第二年再
測(cè)時(shí)又出現(xiàn)了隱患。說(shuō)明堤防隱患是一種動(dòng)態(tài)的工作質(zhì)量問(wèn)題,靠一次探測(cè)解決所有的
隱患問(wèn)題是不現(xiàn)實(shí)的。進(jìn)行堤防監(jiān)測(cè)才是解決這種工程動(dòng)態(tài)質(zhì)量問(wèn)題的根本。
3汛期防洪搶險(xiǎn)對(duì)物探的要求
在汛期防洪搶險(xiǎn)時(shí),急需了解的是哪里有險(xiǎn)情,險(xiǎn)情發(fā)生的時(shí)間和位置?對(duì)于物探
來(lái)講,是如何在汛期快速查找可能發(fā)生險(xiǎn)情的隱患,以及險(xiǎn)情發(fā)生后如何快速查出造成
險(xiǎn)情的隱患部位和通道。然而,就目前各種堤防隱患探測(cè)方法的速度,基本不能滿足防
洪搶險(xiǎn)的需要。
在汛期高水位情況下,堤防上散布著各種搶險(xiǎn)車輛、人員和防汛物資。此時(shí),開(kāi)展
堤防隱患探測(cè)的剖面測(cè)線布設(shè)受阻。另外,汛期再來(lái)探測(cè)隱患,每天能夠探測(cè)的工作量
也不能滿足要求。即使發(fā)現(xiàn)局部滲漏也是首先進(jìn)行搶險(xiǎn)壓護(hù),不可能先探測(cè)再搶護(hù)。
汛期一切險(xiǎn)情都是水情水位變化的結(jié)果。所以,汛期的各項(xiàng)工作必須緊緊圍繞水情
變化來(lái)開(kāi)展。比如當(dāng)水位抬高時(shí)堤內(nèi)浸潤(rùn)線的位置變化,是否在背堤坡面會(huì)出現(xiàn)溢出
點(diǎn)?堤身內(nèi)部是否存在集中滲漏通道?等等。這些都需要盡早了解,以便為防洪搶險(xiǎn)爭(zhēng)
取更多的時(shí)間。
總之,汛期河務(wù)部門希望物探能夠在不影響防洪搶險(xiǎn)施工的情況下,快速、準(zhǔn)確地
探出浸潤(rùn)線的變化,找到集中滲漏通道的部位,盡快發(fā)現(xiàn)隱患可能引起的險(xiǎn)情等。
4未來(lái)進(jìn)行堤防隱患監(jiān)測(cè)的地球物理參數(shù)
在未來(lái)的堤防隱患監(jiān)測(cè)中,必須考慮那些與水情變化有著密切關(guān)系的地球物理參
數(shù)。設(shè)計(jì)觀測(cè)這些參數(shù)變化的方法和儀器。
4.1電阻率
電阻率是與水關(guān)系最為密切的地球物理參數(shù)。當(dāng)汛期河水漲落變化時(shí),地下水位也
會(huì)隨之抬高降低,土堤內(nèi)部浸潤(rùn)線也會(huì)發(fā)生變化,由于土堤內(nèi)部筑堤材料和密實(shí)度不
同,造成土堤內(nèi)部含水量和地下水滲透速度不同,反映在電阻率上的變化就是電阻率值
降低,而且降低的速度有快有慢,使得電阻率剖面圖像隨著水情的變化而變化。監(jiān)測(cè)堤
防工程地下電阻率變化,可以觀測(cè)堤內(nèi)浸潤(rùn)線的變化,及早發(fā)現(xiàn)溢出點(diǎn),預(yù)測(cè)堤內(nèi)集中
滲漏通道的形成,預(yù)報(bào)管涌發(fā)生的可能。
4.2溫度
堤身土體具有較低的熱傳導(dǎo)特性,當(dāng)?shù)躺砘虻袒嬖跐B漏時(shí),即使很少的水流滲透
也會(huì)導(dǎo)致土體溫度與滲漏水溫相適應(yīng),它將引起原來(lái)土體溫度場(chǎng)的局部發(fā)生變化。因
此,溫度參數(shù)也是土體內(nèi)滲漏監(jiān)測(cè)非常靈敏的一個(gè)指標(biāo)。以前堤壩溫度測(cè)量是在壩或土
堤內(nèi)打人一些中空豎管,把幾個(gè)溫度傳感器成串裝人管中進(jìn)行溫度測(cè)量。這只能進(jìn)行點(diǎn)
測(cè),覆蓋范圍有限,容易對(duì)滲漏通道漏檢。最新發(fā)展的分布式光纖溫度測(cè)量系統(tǒng)可以很
好地解決這一問(wèn)題。
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從堤防隱患探測(cè)到堤防隱患監(jiān)測(cè)的思考
光纖溫度測(cè)量技術(shù)于1981年 Southampton由大學(xué)首先提出。自此以后,該方法得到
了持續(xù)發(fā)展,其基本測(cè)量原理在于光纖內(nèi)傳輸?shù)墓庠诠饫w沿程各點(diǎn)存在后向散射,這一
后向散射信號(hào)特性部分依賴于散射位置光纖的溫度。分布式光纖溫度測(cè)量系統(tǒng)可以精確
實(shí)施光纖沿程各點(diǎn)的溫度測(cè)量,而且光纜鋪設(shè)成本較低。堤防和壩體內(nèi)的溫度場(chǎng)測(cè)量可
以成為工程運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估的有效手段,特別是對(duì)滲漏通道的監(jiān)測(cè)更具有特別重要意義。
4.3極化率和減度
眾所周知,離子溶液一固體電解質(zhì)產(chǎn)生I效應(yīng)的3個(gè)條件是:第一有帶電的粘土
顆粒;第二有寬窄交替的空隙;第三空隙水中含有離子。大量的研究成果表明IP效應(yīng)
產(chǎn)生的“極化電位”的大小和衰減的快慢與含水量、顆粒度、空隙結(jié)構(gòu)大小、粘土含
量等因素有關(guān)。其特點(diǎn):對(duì)于碾壓密實(shí)的堤防結(jié)構(gòu)來(lái)講,由于粘土層密實(shí)均勻不存在寬
窄孔隙的交替,其IP效應(yīng)不大,極化率和衰減度都很低;當(dāng)?shù)谭乐写嬖谒缮踊螂[患
時(shí),粘土層的密實(shí)結(jié)構(gòu)被破壞,并含有顆粒較大物質(zhì)如中粗砂時(shí),存在大小孔隙的差
異,其IP效應(yīng)增大,極化率和衰減度都將提高。因此,我們通過(guò)觀測(cè)堤防的IP效應(yīng)的
強(qiáng)弱和衰減快慢,即極化率和衰減度的大小變化,就可以監(jiān)測(cè)堤防滲漏的部位、規(guī)模形
態(tài)和強(qiáng)弱。
4.4電導(dǎo)率
汛期河水主要來(lái)自大氣降水,其礦化度很低,河水的電導(dǎo)率也非常低。而地下水的
形成是降水通過(guò)垂向滲透緩慢滲入到含水層中,在長(zhǎng)期的運(yùn)移過(guò)程中地下水與地層中的
礦物質(zhì)發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng),如溶解、蒸發(fā)、濃縮等作用,使地下水的礦化度不斷提高,
從而使地下水具有較高的電導(dǎo)率。電導(dǎo)率值的大小與地下水在地層中的停留時(shí)間有關(guān),
停留時(shí)間越長(zhǎng),其電導(dǎo)率值也越高。當(dāng)?shù)谭来嬖趶?qiáng)的透水通道時(shí),地下水受到外江水的
補(bǔ)給越強(qiáng)烈,其礦化度越低。通過(guò)監(jiān)測(cè)堤身和堤基內(nèi)地下水的電導(dǎo)率變化及分布情況
便可以觀測(cè)到堤防中的強(qiáng)透水部位。
4.5同位素
用13作為示蹤劑,在堤防工程臨河上下游的觀測(cè)孔內(nèi)分別投放,在臨背河上下游
各觀測(cè)孔中分別測(cè)試,采用單孔稀釋法測(cè)定水平滲透流速和峰峰法測(cè)定井中地下水的垂
向流速,由此確定河水與地下水的補(bǔ)給、滲透關(guān)系、各地層的滲透流速和流向,從而發(fā)
現(xiàn)管涌形成的集中滲漏通道。
4.6音頻
由滲漏發(fā)展成管涌時(shí),堤身內(nèi)外兩側(cè)水壓差較大,河水通過(guò)透水的砂層時(shí)摩擦?xí)a(chǎn)
生振動(dòng),在堤基處埋設(shè)鋼管,放入拾音器即可拾取其振動(dòng)音頻,通過(guò)分析其音頻的變化
可以對(duì)管涌進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)。
4.7測(cè)斜
利用角加速度計(jì)測(cè)斜的原理,將重點(diǎn)堤防工程的水下根石和護(hù)岸設(shè)施監(jiān)控起來(lái),布
設(shè)成網(wǎng)狀的“姿態(tài)加速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”,可以將水下岸邊的地形坡度測(cè)量出來(lái),當(dāng)汛期洪
峰經(jīng)過(guò)時(shí),沖刷河岸,部分根石走失,形成蹦岸滑踏,此時(shí)在“姿態(tài)加速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”
中能夠迅速測(cè)出水下三維地形,根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的水下三維地形變化,預(yù)報(bào)根石走失和蹦
岸發(fā)生的險(xiǎn)情。
179
工程物探論文集
5監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)有的基本功能
根據(jù)觀測(cè)參數(shù)設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)方法和儀器設(shè)備,各種監(jiān)測(cè)儀器應(yīng)組成一個(gè)聯(lián)合作業(yè)的系
統(tǒng),該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具備如下的基本功能:
(1)能夠進(jìn)行長(zhǎng)剖面監(jiān)測(cè):因?yàn)榈谭拦こ涕L(zhǎng)度較大,裂縫、孔洞等隱患的實(shí)際尺
寸很小,如果采用一些短剖面或點(diǎn)測(cè),就會(huì)漏掉隱患和險(xiǎn)情,起不到監(jiān)測(cè)監(jiān)控的作用。
分布式光纖溫度測(cè)量系統(tǒng)、高密度電阻率測(cè)量系統(tǒng)和高密度激電測(cè)量系統(tǒng)都可以進(jìn)行長(zhǎng)
剖面監(jiān)測(cè),能夠控制幾千米的堤防。
(2)快速實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能:汛期的所有工作都必須得快速完成,每項(xiàng)測(cè)試都得快速
進(jìn)行。否則,就起不到預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的作用。溫度、音頻和電導(dǎo)率等參數(shù)可以做到快速實(shí)時(shí)
監(jiān)測(cè)。
(3)網(wǎng)絡(luò)通訊功能:對(duì)于幾百千米的堤防工程,需要監(jiān)測(cè)的堤段很多,從上游到
下游汛期的水位變化,各堤段監(jiān)測(cè)的資料都要向防辦傳送。因此,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須具有網(wǎng)
絡(luò)通訊功能,這也是數(shù)字化防汛和管理的要求。
(4)數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理功能:各參數(shù)采集完成后,系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)處理各種數(shù)據(jù),對(duì)
多參數(shù)進(jìn)行綜合分析,根據(jù)各監(jiān)測(cè)參數(shù)的變化趨勢(shì)進(jìn)行出險(xiǎn)分析預(yù)報(bào)。這個(gè)過(guò)程只能是
計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理,完全靠人工分析判斷是不行的。
(5)險(xiǎn)情分析預(yù)報(bào)功能:監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最終是要提交堤防出險(xiǎn)預(yù)報(bào)結(jié)果,對(duì)防洪搶險(xiǎn)
起指導(dǎo)作用。如果只是收集汛期各參數(shù)的變化過(guò)程,那就失去了監(jiān)測(cè)的意義。監(jiān)測(cè)的目
的就是要進(jìn)行預(yù)報(bào)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最終必須能夠?qū)﹄U(xiǎn)情作出何時(shí)、何處會(huì)出現(xiàn)的預(yù)報(bào)。
(6)應(yīng)有與防洪數(shù)據(jù)庫(kù)或防汛搶險(xiǎn)地理信息系統(tǒng)接口的功能:根據(jù)目前現(xiàn)有數(shù)字
化防洪管理設(shè)施,要求堤防隱患檢測(cè)系統(tǒng)的資料應(yīng)納入其中的防洪數(shù)據(jù)庫(kù)和防汛搶險(xiǎn)地
理信息系統(tǒng),以便對(duì)所有資料的存檔調(diào)用。
6結(jié)束語(yǔ)
汛期防洪搶險(xiǎn)工作都是緊密圍繞水情變化開(kāi)展的。因此,堤防隱患的監(jiān)測(cè)必須選擇
那些與水關(guān)系密切的地球物理參數(shù),設(shè)計(jì)合理適當(dāng)?shù)挠^測(cè)方法,研制多參數(shù)聯(lián)合作業(yè)的
儀器設(shè)備,在堤防工程的險(xiǎn)工險(xiǎn)點(diǎn)和水工建筑部位布設(shè)監(jiān)測(cè)斷面,分析各參數(shù)的變化趨
勢(shì),預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)堤防出險(xiǎn)機(jī)率。通過(guò)深入研究地球物理技術(shù)在堤防隱患監(jiān)測(cè)中可以發(fā)揮
重要作用。
由于筆者技術(shù)水平有限,所談之處皆為堤防隱患探測(cè)工作得來(lái)的思路,并沒(méi)有多少
實(shí)際研究試驗(yàn)工作,目的是引出堤防隱患監(jiān)測(cè)的思路,難免存在謬誤,敬請(qǐng)大家批
評(píng)指正。
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