崔弘毅，周克發(fā)編 譯

（1.國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，310014；2.水利部大壩安全管理中心，江蘇南京，210029）

監(jiān)測擋水結(jié)構(gòu)（如大壩、渠道、堤壩和岸堤）的性態(tài)和穩(wěn)定性對現(xiàn)有水資源和水電供應(yīng)以及對生活在附近的社區(qū)居民來說都非常關(guān)鍵。這是一項(xiàng)綜合任務(wù)，包括在幾何構(gòu)型、組成材料、結(jié)構(gòu)均質(zhì)性（如空洞和裂隙）、震損風(fēng)險(xiǎn)、穩(wěn)定、滲漏等方面對水工建筑物進(jìn)行特性分析。

總的來說，土石構(gòu)造的水工建筑物的潰決都與內(nèi)部沖蝕有關(guān)，譬如美國愛達(dá)荷州的提堂壩，該壩于1976年潰決。內(nèi)部沖蝕是在地下水的作用下，細(xì)粒料的持續(xù)移動。內(nèi)部沖蝕分為幾個(gè)不同的物理過程，主要是向源沖刷、溶出和流失。

Foster等人于2000年對11 192座土石水利建筑物進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)研究，發(fā)現(xiàn)其中136座存在病險(xiǎn)，其中6%是因?yàn)榛瑒樱?8%是因?yàn)槁敚?6%是因?yàn)閮?nèi)部沖蝕。

假定配置的是常規(guī)較大規(guī)模且具有挑戰(zhàn)性的水力發(fā)電設(shè)施，對沖蝕進(jìn)行快速，且理想情況下無損的探測絕非易事。但目前有一種新的地球物理工具，它可以直接感應(yīng)地下水流，既可以提供快速有效的檢測，又可以最小損傷準(zhǔn)確探測到滲流。

1 常規(guī)方法

評估水利裝置的結(jié)構(gòu)整體性和探測結(jié)構(gòu)物的均質(zhì)性，通常使用巖土工程方法和地球物理方法。在這些案例中，會首先使用較為經(jīng)濟(jì)的地球物理方法來獲取結(jié)構(gòu)物大范圍的特性，其目的是為之后進(jìn)行的巖土工程勘察揭示更進(jìn)一步的細(xì)節(jié)特征。

在土石壩和岸堤的案例中，傳統(tǒng)的地球物理方法如電阻層析成像法（Electrical Resistivity Tomog?raphy,ERT）和電磁勘探法（Electromagnetic,EM）經(jīng)常被用來探測結(jié)構(gòu)的均質(zhì)性和次表層的巖土變化（較深的地方）。實(shí)踐證明，電阻層析成像法是土石壩成像的有效工具，在某些情況下，也可用于探測滲漏。地震層析成像法主要用于確定砌石壩的壓實(shí)度。探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar,GPR）可幫助確定混凝土和砌石建筑物的結(jié)構(gòu)和狀況，對相對較淺的部位，可提供高精度的圖像。

但是，這些技術(shù)都不能直接感應(yīng)到內(nèi)部沖蝕過程。雖然探測技術(shù)在許多領(lǐng)域都取得了進(jìn)展，但考慮到在下游洪泛區(qū)觀察到砂沸現(xiàn)象和出現(xiàn)某些特定的植被是最明顯的指征，那么定期人工巡視檢查通常是發(fā)現(xiàn)內(nèi)部沖蝕的最佳辦法。

但人工巡視檢查也有其不足之處。人工巡視檢查通常要花費(fèi)大量的時(shí)間，并且還取決于內(nèi)部沖蝕的程度，并非對所有內(nèi)部問題的測點(diǎn)定位都有效。鑒于安全、實(shí)用和經(jīng)濟(jì)的原因，若有一種地球物理方法可優(yōu)先定位水流，這會是往前邁進(jìn)的重要的一步。

2 自然電位法

這種用電的被動地球物理方法被稱為自然電位法（Self-Potential,SP），它是優(yōu)先定位水流的方法之一，已在許多商業(yè)項(xiàng)目中得到證明。這些項(xiàng)目都需要定性和定量確定水流在水工建筑物內(nèi)的傳輸路徑。

除溫度和水聲測量外，自然電位法是唯一一種直接感應(yīng)地下水流的地球物理學(xué)方法。其原理是測量由地下水引起的電場內(nèi)的特定電動效應(yīng)，這在地面、鉆孔或地下水中均可探測得到。

電動學(xué)現(xiàn)象表現(xiàn)在源電流密度上，源電流密度與流過礦化多孔材料的孔隙水流有關(guān)。過剩電荷覆蓋在多孔基體中礦化細(xì)粒的表面，由水流引起的這些過剩電荷的位移形成了凈電流密度，這就是在探測的水流中形成了穿過水工建筑物的對流電流，對流電流將在上游形成負(fù)電場，大概為幾十毫伏（范圍為0～100 mV）。電場強(qiáng)度取決于水流流速和水力裝置中材料的電學(xué)特性。在上游側(cè)探測負(fù)電位可明確滲漏區(qū)域。

但是，自然電位法同樣也會感應(yīng)水工建筑物中其他的被動電源，例如，包括來自電線的電磁干擾和金屬腐蝕的氧化還原作用。氧化還原會產(chǎn)生范圍為0～1 000 mV的負(fù)電勢。其腐蝕信號的強(qiáng)度會掩蓋滲漏區(qū)域，但可以有效地深入了解金屬結(jié)構(gòu)的位置或確認(rèn)與老化相關(guān)的沖蝕。

因此，自然電位法大多數(shù)是被用來探測土石壩和堤岸中的滲透水流，其探測結(jié)果不會因?yàn)榻饘俚淖饔没螂姶鸥蓴_而復(fù)雜化。但也有專家將這種方法應(yīng)用于更具挑戰(zhàn)性的砌石和混凝土結(jié)構(gòu)中，并取得了巨大的成功。

3 單道自然電位采集

典型的現(xiàn)場組裝的自然電位設(shè)備包括一套感應(yīng)線圈和一套連接到高輸入阻抗采集卡的基準(zhǔn)非極化電極。

用船將移動電極拖到大壩或堤防的上游壩趾處，參考電極固定在地表面（比如沿大壩壩頂或堤防壩頂布置）。增強(qiáng)電纜可提供感應(yīng)線圈和參考電極間的電接觸，根據(jù)目標(biāo)建筑物的不同，增強(qiáng)電纜通?？蛇_(dá)幾百米長。自然電位信號的記錄頻率平均為200 Hz/s。在船上設(shè)有全球定位系統(tǒng)作為采集裝置用于水自然電位的空間坐標(biāo)的獲取。圖1為某一混凝土大壩進(jìn)行單道自然電位檢測的結(jié)果。

4 創(chuàng)新的多道水檢測系統(tǒng)——滲漏掃描儀

只要建筑物規(guī)模允許，標(biāo)準(zhǔn)的單道系統(tǒng)可升級為多道采集方式。例如，在渠道的評估中，多道系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對渠道底部的一次性全覆蓋，因此可在縱向和橫向兩個(gè)視角對可能的滲漏實(shí)現(xiàn)更好的可視化。

圖1 對法國某一混凝土壩進(jìn)行單道自然電位檢測的結(jié)果Fig.1 Results of single channel SP acquisition from a concrete dam in France

為了利用這些優(yōu)點(diǎn)，法國Furgo咨詢公司設(shè)計(jì)研發(fā)了多道水檢測系統(tǒng)——滲漏掃描儀。法國東南部有一條非鋼筋混凝土襯砌的渠道，全長12 km，60 m寬，多道水檢測這種創(chuàng)新的方法在這條渠道上成功地進(jìn)行了初次測試檢測，見圖2（a）。

現(xiàn)場表現(xiàn)和結(jié)果顯示，該方法可實(shí)現(xiàn)對大壩或其他大型蓄水建筑物的快速、準(zhǔn)確、大范圍的檢查。

滲漏掃描儀組件包括一條船，船的兩側(cè)各有1個(gè)浮子，對其配備了GPS天線以在檢測過程中實(shí)時(shí)記錄船和浮子的位置，見圖2（b）。共有10個(gè)非極化電極，間隔1 m布置，拖于船后30 m。船兩側(cè)各置5個(gè)電極，檢測寬度可達(dá)10 m。自然電位傳感器位于水和渠道底部的交界面。

圖2 滲漏掃描儀在法國東南部一條渠道上成功進(jìn)行了現(xiàn)場測試Fig.2 SCAN Leak successfully trialled at a canal site in South East France

為使微分電位測量成為可能，船載采集系統(tǒng)與一個(gè)位于渠道頂部的參考電極相連。這12 km的檢測被劃分為每段500 m的24段自然電位掃描。每一段檢測中，參考電極都是固定的。

5 結(jié)果

在圖3所示的案例中，滲漏掃描儀結(jié)果顯示異常處約有100 m長、10 m寬。

大尺寸的原因是電場在所有導(dǎo)電區(qū)域內(nèi)傳播，比如渠道中的水和土石構(gòu)造的渠道體。在確切的滲漏位置，電場可達(dá)到其最大幅值，并根據(jù)異常程度和水的導(dǎo)電性隨距離減小。

滲漏檢測系統(tǒng)于5 d內(nèi)完成了整個(gè)12 km長渠道的檢測。它能檢測出并定位到來自渠道下被腐蝕破損管道的小的被動電信號，以此證明了其準(zhǔn)確性和有效性。其他負(fù)自然電位異常被詮釋為潛在入流區(qū)域，為將來極有針對性地進(jìn)一步檢查和維修奠定了基礎(chǔ)。

該項(xiàng)目表明，滲漏檢測儀可在大壩檢測中推廣應(yīng)用。同樣，在快速檢測大型建筑物時(shí)，該技術(shù)是完全的無損檢測，且不會干擾到其正常的運(yùn)行，也不會對周圍環(huán)境造成影響。滲漏處理前后的重復(fù)檢查可驗(yàn)證工作的有效性，定期檢查可了解建筑是否處于穩(wěn)定狀態(tài)或性態(tài)在隨時(shí)間惡化。由于該設(shè)備已經(jīng)模塊化且攜帶方便，因此是適用于全球各地應(yīng)用的較經(jīng)濟(jì)的可移動方式。

圖3 渠道現(xiàn)場進(jìn)行的滲漏掃描儀多道自然電位采集結(jié)果Fig.3 Results of SCAN Leak multi-channel SP acquisition at canal site

6 其他技術(shù)

自然電位法在大壩檢測中的使用需要與介入性方法和非介入性方法增大的適用范圍相結(jié)合考慮。大多數(shù)案例中，自然電位法若使用在評估項(xiàng)目的早期階段，則可以收到最好的效果。隨后，可結(jié)合其他的輔助數(shù)據(jù)對檢測發(fā)現(xiàn)的異常進(jìn)行分析和解讀。

這可能需要一些投入，包括結(jié)構(gòu)和地質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的安裝以及用其他檢測方法對用自然電位法檢測出的問題部位進(jìn)行檢測。第二階段經(jīng)常使用的檢測手段包括結(jié)合水壓擾動的被動信號的水聲測量和結(jié)合參數(shù)測量的目標(biāo)鉆孔或椎體滲透測試，如地下溫度梯度等參數(shù)。

圖4 在某水庫砌石壩進(jìn)行鉆孔地震勘測Fig.4 Colour representation of wave velocity results from a borehole seismic survey of a masonry dam on a water reser?voir,showing compactness anomalies around the boreholes

7 結(jié)論

標(biāo)準(zhǔn)的自然電位法和滲漏檢測儀可提供關(guān)于水利設(shè)施中滲漏區(qū)域的重要信息。

該方法可與其他非介入性的地球物理方法結(jié)合使用，這樣，對不同規(guī)模的建筑物進(jìn)行滲漏檢測時(shí)，可將介入性檢查減到最少，實(shí)現(xiàn)時(shí)間節(jié)省、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的檢查方法。

8 大壩檢測方面的其他進(jìn)展

若堤防（大壩或堤壩）的運(yùn)行性態(tài)和設(shè)計(jì)不一致，則可能會造成生命財(cái)產(chǎn)損失，后果嚴(yán)重。老壩和新壩結(jié)構(gòu)物都要求對工程設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評估或消缺處理規(guī)劃等方面進(jìn)行科學(xué)的評估。

科技的發(fā)展，特別是遠(yuǎn)程傳感數(shù)據(jù)的采集，使檢測更具穩(wěn)健性，特別是與傳統(tǒng)的地球科學(xué)方法相結(jié)合時(shí)。這種綜合方法集成了多種技術(shù)性的數(shù)據(jù)和傳統(tǒng)的地下勘測，為評估地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)或堤防的基礎(chǔ)問題提供了強(qiáng)有力的工具。

過去，對航拍圖像（如斜低太陽角照片）、攝影測量收集到的地形數(shù)據(jù)和有限的地球物理調(diào)查結(jié)果（如地震波折射）進(jìn)行分析，這就是實(shí)際的工作狀態(tài)。在過去的十年中，通過綜合成熟的地球物理調(diào)查、高分辨率的地形數(shù)據(jù)和“傳統(tǒng)”的巖土數(shù)據(jù)，對堤壩進(jìn)行的地質(zhì)和巖土工程評價(jià)逐漸變得更高效，成本也在逐漸降低。

激光雷達(dá)（光探測和測距）和應(yīng)用于更遠(yuǎn)區(qū)域的INSAR（衛(wèi)星雷達(dá)）技術(shù)等都可提供詳細(xì)的高程數(shù)據(jù)，用以開發(fā)地表模型。地表模型可在其他各種潛在不良地表特性中識別出如邊坡失穩(wěn)或斷層崖等風(fēng)險(xiǎn)。

工程地球物理學(xué)家們可利用地球物理方法（如電阻成像法和地震波反射成像法）來分析地下條件的類型和分布，這些信息可用于以下用途：

（1）它是一個(gè)框架，可用于開發(fā)有針對性的地下勘探計(jì)劃，相對于傳統(tǒng)的布置；

（2）它是連續(xù)的數(shù)據(jù)集，可用于解讀離散勘探點(diǎn)間的地質(zhì)條件，因此降低了不確定性。

這些最近的技術(shù)進(jìn)步并沒有取代傳統(tǒng)的地質(zhì)和巖土工程方法。但它們是一個(gè)重要的補(bǔ)充，可加強(qiáng)對工程現(xiàn)場地質(zhì)條件的解讀能力，更準(zhǔn)確地描述潛在的危害，從而提高結(jié)構(gòu)的可靠性、性能和安全性，同時(shí)盡可能降低風(fēng)險(xiǎn)。

[1]Alex Boleve.Advances in leak detection[N/OL].Water Pow?er&Dam Construction,[2013-08-13].http://www.water?powermagazine.com/features/featureadvances-in-leak-de?tection/.