顧廟元

摘 要：本文研究了二維情況下自然電場(chǎng)概率成像方法，對(duì)堤壩滲漏形成的自然電場(chǎng)的機(jī)理和特點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)分析，抽象出了一個(gè)合理電學(xué)模型。對(duì)一個(gè)實(shí)際資料進(jìn)行了概率成像處理，對(duì)比GPR、地震映像法剖面，證實(shí)了自然電場(chǎng)概率成像方法在堤壩滲漏檢測(cè)中的可行性。

關(guān)鍵詞：堤壩滲漏；自然電場(chǎng)（SP）；概率成像；防滲墻

中圖分類(lèi)號(hào)：TV64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2018）9-0058-02

堤壩和防滲墻的滲漏是水利工程的重大安全隱患，滲漏檢測(cè)已成為一個(gè)亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。利用自然電場(chǎng)檢測(cè)堤壩的滲漏隱患，解釋推斷出集中滲漏帶的寬度、埋深、走向以及滲流的時(shí)空動(dòng)態(tài)，為工程除險(xiǎn)加固提供可靠的技術(shù)資料，將具有重大的社會(huì)意義。目前，自然電場(chǎng)法的解譯方法主要為基于自電曲線形態(tài)的定性解釋方法。鄭燦堂[1]依據(jù)全國(guó)各地進(jìn)行的數(shù)十座水利工程的原位測(cè)試資料，將滲流在自電曲線上的反映歸結(jié)為窄幅異常、寬幅異常、寬幅雙峰異常、多峰異常和塔式異常五種基本形態(tài)。定性解釋方法的應(yīng)用效果主要依賴(lài)于工作人員的經(jīng)驗(yàn)。

1997年，Patella[2]提出了一種自然電場(chǎng)異常解釋的新方法——概率成像法。它利用測(cè)量的地面電場(chǎng)與電場(chǎng)掃描函數(shù)進(jìn)行歸一化的互相關(guān)運(yùn)算，通過(guò)定義電荷在測(cè)量區(qū)域中分布的概率密度， 確定電荷的分布。楊磊[3]等通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)野外試驗(yàn)場(chǎng)的自然電位場(chǎng)，獲取連續(xù)的自然電位平面圖，直接獲知了土壤水分在平面上的主要入滲區(qū)域，同時(shí)借助自然電位成像方法，揭示了土壤中水分運(yùn)移的主要通道，并探測(cè)出兩個(gè)地下孔洞的位置。

根據(jù)堤壩滲漏的電場(chǎng)特征以及自然電位沿堤壩測(cè)量的特點(diǎn)，提出了二維線電荷模型概率成像方法，并將其成功應(yīng)用到某堤壩滲漏檢測(cè)項(xiàng)目中。

1堤壩滲漏形成的自然電場(chǎng)分析

土壩的壩體和壩基都具有一定的透水性，滲漏現(xiàn)象是不可避免的。將能夠引起土體滲透破壞或滲漏量過(guò)大影響水利工程的，稱(chēng)為異常滲漏。異常滲漏是堤壩的重大安全隱患，它往往會(huì)逐漸發(fā)展，形成對(duì)壩體或壩基的破壞，嚴(yán)重的能夠?qū)е驴鍓螞Q堤。

常見(jiàn)的自然電場(chǎng)有兩類(lèi)：一類(lèi)是區(qū)域性，其分布特征與地質(zhì)構(gòu)造的起伏有關(guān)；另一類(lèi)是局部區(qū)域的電流場(chǎng)，它往往和金屬礦床的賦存或地下水的運(yùn)動(dòng)有關(guān)。與堤壩滲漏形成的自然電場(chǎng)異常主要為過(guò)濾電場(chǎng)（如圖1）。巖土顆粒的晶格在其表面表現(xiàn)出有過(guò)剩的離子價(jià)鍵，它將吸引溶液中的異性離子，并使其附著在自身的表面。擴(kuò)散區(qū)溶液的正離子受孔壁離子層的吸引較弱。因此，溶液能平行于孔壁自由流動(dòng)，而把正離子帶走。從而水流的上游側(cè)負(fù)離子較多，而在水流下游側(cè)正離子較多，形成過(guò)濾電場(chǎng)。

依據(jù)過(guò)濾電場(chǎng)的形成機(jī)理，將集中滲漏通道抽象為這樣一個(gè)電學(xué)模型（如圖2）：在滲漏入口聚集較多的負(fù)電荷，形成一個(gè)負(fù)電荷體；沿著滲流通道聚集了一定量的負(fù)電荷，可近似看作一個(gè)線電荷；在滲流通道的出口處則聚集較多正電荷，形成一個(gè)正電荷體。

2自然電場(chǎng)概率成像方法

建立直角坐標(biāo)系，x、y軸沿水平方向，z軸指向地下。地面上沿x 方向的電場(chǎng)可表示為：

是第q個(gè)電荷的強(qiáng)度， 是電荷的坐標(biāo)。

引入三維電場(chǎng)掃描函數(shù)如下（SDS函數(shù)） ：

定義電荷概率成像函數(shù)（COP函數(shù)） 如下：

SDS 函數(shù)可看成是一個(gè)位于，強(qiáng)度為1 的正電荷形成的電場(chǎng)，而COP 函數(shù)是一個(gè)歸一化的互相關(guān)積分，其絕對(duì)值不大于1。它的值分布僅與電場(chǎng)函數(shù)有關(guān)，即與地下電荷的分布有關(guān)。因此，可以用的分布規(guī)律來(lái)描述地下電荷的分布。顯然，的正值是受正電荷集中的影響，而負(fù)值是受負(fù)電荷集中的影響。畫(huà)出的等值線圖，可將極值處解釋為電荷最有可能出現(xiàn)的地方。

依據(jù)滲漏帶通道中的電荷條帶狀分布特征，推導(dǎo)出線電荷模型的概率成像方法。線電荷在地面上產(chǎn)生的沿x 方向的電場(chǎng)可表示為：

引入對(duì)應(yīng)掃描函數(shù)可以推導(dǎo)出概率成像函數(shù)：

其中。

3實(shí)例效果分析

工區(qū)位于湖北省荊州市公安縣的荊南官支河左岸，堤壩為松散土壩，沿堤壩已修建防滲墻，但汛期時(shí)局部地段仍有滲漏現(xiàn)象。由地質(zhì)鉆孔資料可知該堤壩的地質(zhì)概況：最上部為厚約9米人工堆積黃色沙壤土層，往下為厚約1.5～2米自然淤積黑色淤泥層，最下部為黑色淤積粘土層。自然淤積黑色淤泥層與黑色淤積粘土層局部夾有厚約0.3～0.5米的自然淤積黑色粉砂透水層。這層透水的粉砂層為堤壩滲漏的主要部位。按照設(shè)計(jì)要求，防滲墻至少嵌入不透水層1.5米，以達(dá)到防滲止漏的目的。堤壩垂直防滲施工是在具有合理孔距的成排鉆孔中，注入漿液使各孔中灌漿體相互搭接形成一道類(lèi)似帷幕的混凝土防滲墻，以此截?cái)酀B流，從而達(dá)到防滲堵漏的目的。防滲墻施工中質(zhì)量缺陷會(huì)使得防滲墻在橫向上、縱向上出現(xiàn)不連續(xù)或者防滲墻未達(dá)到設(shè)計(jì)深度。在汛期地下水位上升時(shí)，這些質(zhì)量隱患會(huì)使地下水流場(chǎng)在防滲墻兩側(cè)產(chǎn)生更大的水力坡降，使得防滲墻的薄弱部位更容易發(fā)生滲漏問(wèn)題。在這種情況下防滲墻施工不僅沒(méi)有達(dá)到防滲止漏的作用，反而產(chǎn)生新的隱患。

本次自然電場(chǎng)法采用重慶奔騰數(shù)控所研制的WDDS-8型多功能直流數(shù)字電測(cè)儀。沿堤壩布置自然電位測(cè)量測(cè)線，測(cè)量范圍9300～9540m。一對(duì)測(cè)量電極（M及N）用導(dǎo)線和儀器相連，構(gòu)成測(cè)量回路。測(cè)量電極為Pbcl固體不極化電極，測(cè)量導(dǎo)線為普通銅芯線，采樣間隔為2m。測(cè)量時(shí)將N極埋置在遠(yuǎn)離滲漏區(qū)且電場(chǎng)穩(wěn)定的正常場(chǎng)區(qū)內(nèi)，M極沿測(cè)線或測(cè)網(wǎng)逐點(diǎn)移動(dòng)，進(jìn)行電位測(cè)量。一般是在已發(fā)現(xiàn)了滲流逸出點(diǎn)，但滲漏通道及入滲點(diǎn)的確切位置不知道的情況下，用自然電場(chǎng)法探測(cè)滲漏通道的空間位置，并判定其滲漏強(qiáng)度的。因此，可先從已知的滲流逸出點(diǎn)附近開(kāi)始，平行堤壩軸線布設(shè)測(cè)線，測(cè)線間距可靈活掌握，以能夠連續(xù)追索到異常點(diǎn)為目的。

自然電位概率成像剖面（圖3）上出現(xiàn)一系列正負(fù)相間的異常，這些負(fù)值異常點(diǎn)很有可能與滲漏通道有關(guān)。自然電位概率成像剖面與地震映像法剖面、GPR剖面具有較高的相關(guān)性。概率成像結(jié)果的分辨率并不高，尤其是縱向分辨率，其往往成豎條帶狀分布。

堤壩滲漏的形成機(jī)理較為復(fù)雜，不同的檢測(cè)方法檢驗(yàn)的只是其某一個(gè)方面的特征。自然電位異常直接與滲漏帶相關(guān)，而地震映像、GPR剖面顯示的是防滲墻的質(zhì)量缺陷。滲漏通道常與防滲墻質(zhì)量缺陷直接相關(guān)，透水層處的防滲墻質(zhì)量缺陷通常會(huì)造成規(guī)模的異常滲漏。

4結(jié)論與建議

本文將對(duì)自然電場(chǎng)概率成像方法進(jìn)行系統(tǒng)研究，分析了堤壩滲漏產(chǎn)生的自然電場(chǎng)的特征。在此基礎(chǔ)上將自然電場(chǎng)概率成像方法應(yīng)用到堤壩滲漏檢測(cè)中。通過(guò)對(duì)比實(shí)測(cè)地震映像和GPR剖面，證實(shí)了自然電場(chǎng)概率成像方法在堤壩滲漏檢測(cè)中的可行性。

滲漏形成的自然電場(chǎng)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)本身包含著滲漏形成、變化的重要信息。因此發(fā)展自然電位多道實(shí)時(shí)采集技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)堤壩滲漏狀況是未來(lái)的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭燦堂.應(yīng)用自然電場(chǎng)法檢測(cè)土壩滲漏隱患的技術(shù)[J]. 地球物理學(xué)進(jìn)展， 2005，20（03）：854-858.

[2]Patella D. Introduction to ground surface self‐potential tomography[J]. Geophysical Prospecting， 1997， 45（04）： 653-681.

[3]楊磊，周啟友.基于自然電位方法的土壤水分入滲過(guò)程監(jiān)測(cè)[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)， 2012，39（03）：1-5.