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工程物探從堤防隱患探測到堤防隱患監(jiān)測的思考

文檔作者：謝向文郭玉松馬愛玉文檔來源：黃河水利委員會勘測規(guī)劃設(shè)計研究院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年08月13日
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從堤防隱患探測到堤防隱患監(jiān)測的思考
謝向文郭玉松馬愛玉
黃河水利委員會勘測規(guī)劃設(shè)計研究院,河南鄭州450003)
摘要:本文通過從堤防隱患探測中所得到的啟示,結(jié)合汛期防洪搶險的實際情況,提出
了對將來堤防隱思監(jiān)測的地球物理參數(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;監(jiān)測
1前言
1998年洪水后,國家防總在湖南益陽組織了大規(guī)模的“堤防隱患探測儀器和技術(shù)
比測”。從此,堤防隱患探測在全國的大江大河堤防治理中轟轟烈烈地開展起米水利
部在制定“988”科技計劃時,又將堤防隱患和險情探測儀器開發(fā)列人科技攻關(guān)項目
該項目研制成功后,使得堤防隱患探測技術(shù)設(shè)備達到了一個新高度。目前,隱患探測工
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新措施。
堤防隱患探測只是在非汛期檢查堤防工程質(zhì)量時作用明顯,而真正在汛期防洪搶險
中,無論是在探測速度還是在預(yù)警方面都作用不大,只能是在險情出現(xiàn)后,進一步確定
一下隱患造成險情發(fā)生的部位及通道,而不能提前預(yù)報險情出現(xiàn)的時間、地點及可能出
現(xiàn)的概率。這是探測所不能解決的問題。因此,堤防隱患監(jiān)測工作的重要性日益顯
現(xiàn)出來。
2堤防隱患探測中引起
的思考
2.1正常場的背景問題
在堤防隱患探測中常常會遇到一
些背景較為復(fù)雜的測段,由于堤身均
勻性極差,隱患相對發(fā)育,各種干擾
和異常相互疊加,致使背景波動起伏
圖1堤防隱患探測電阻率實測剖面圖
作者簡介謝向文(1966-),男,山縣人,高級工程師,主要從事工程物探研究與應(yīng)用工作。
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從堤防隱患探測到堤防隱患監(jiān)測的思考
較大,正常場無法準(zhǔn)確確定,會造成異常幅度的判定偏差,減低了隱患探測的準(zhǔn)確率
(見圖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的背景假設(shè)為均勻穩(wěn)定
的,但在實際工作中,這種簡單的背景是少數(shù),多數(shù)背景都“不干凈”,有干擾,會發(fā)
生畸變和扭曲。此時正常場的幅值就難以定準(zhǔn),通常會用各種濾波或加權(quán)平均等數(shù)值分
析處理來確定。這樣以來還會壓低異常幅度,但也很難確保不會發(fā)生偏差。由此看來,
復(fù)雜的背景是一種客觀存在,要在某一時刻將有效異常提取出來是很困難的,應(yīng)該在不
同時刻重復(fù)觀測異常的變化,由此確定隱患的存在與否。也就是將隱患的探測改
為監(jiān)測。
2.2電阻率圖像與水位變化的關(guān)聯(lián)度問題
在低水位情況下進行堤防隱患探測時,由于黃河大堤長期不靠水,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
來隱患的高阻異常轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥璁惓?
(見圖2、圖3)。
圖2非汛期臨河隱患探測電阻率圖像
圖2是1996年7月平水期所測
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
險情時的測試結(jié)果。由此可以看出-15
在水情發(fā)生變化時,堤防隱患在電
404550556065707580859095100
阻率圖像中出現(xiàn)性質(zhì)反轉(zhuǎn),由原來圖3汛期高水位下背河隱患探測電阻率圖像
的高阻異常變?yōu)榈妥璁惓?其變化
過程與水位上漲過程有非常好的關(guān)聯(lián)度。據(jù)此可以在汛期進行堤防隱患和險情監(jiān)測。前
幾年,中國地質(zhì)大學(xué)王傳雷老師也用高密度電法監(jiān)測管涌發(fā)生、發(fā)展的試驗,其電阻率
變化過程和水位變化過程有著極好關(guān)聯(lián)度。
2.3堤防隱患探測成果的使用問題
黃河下游堤防隱患探測工作已開展了3年多,探測堤防長度約800km,測出隱患幾
千處,然而河務(wù)部門對堤防隱患探測提交的成果認為沒法使用。由于經(jīng)費和財力有限,
不可能所有存在隱患的堤防馬上全部進行加固處理,只能是逐步實現(xiàn)。那么先處理哪些
隱患?常言說“千里金堤潰于蟻穴”,因此不能僅僅按隱患的大小來分類,他們需要
隱患探測回答哪些隱患在汛期最有可能出險,由此來安排工程加固處理的先后次序。然
而隱患探測只能回答工程質(zhì)量問題,無法回答堤防工程在汛期的抗洪能力,更別說隱患
是否會出險。那么要回答堤防隱患在汛期水情變化時是否將造成險情,只能是對堤防隱
患監(jiān)控起來。況且在進行堤防隱患探測過程中,發(fā)現(xiàn)即使頭年探測出的隱患進行了壓力
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工程物探論文集
灌漿加固,第二年探測時隱患異常仍然存在;還有第一年探測為正常的好堤,第二年再
測時又出現(xiàn)了隱患。說明堤防隱患是一種動態(tài)的工作質(zhì)量問題,靠一次探測解決所有的
隱患問題是不現(xiàn)實的。進行堤防監(jiān)測才是解決這種工程動態(tài)質(zhì)量問題的根本。
3汛期防洪搶險對物探的要求
在汛期防洪搶險時,急需了解的是哪里有險情,險情發(fā)生的時間和位置?對于物探
來講,是如何在汛期快速查找可能發(fā)生險情的隱患,以及險情發(fā)生后如何快速查出造成
險情的隱患部位和通道。然而,就目前各種堤防隱患探測方法的速度,基本不能滿足防
洪搶險的需要。
在汛期高水位情況下,堤防上散布著各種搶險車輛、人員和防汛物資。此時,開展
堤防隱患探測的剖面測線布設(shè)受阻。另外,汛期再來探測隱患,每天能夠探測的工作量
也不能滿足要求。即使發(fā)現(xiàn)局部滲漏也是首先進行搶險壓護,不可能先探測再搶護。
汛期一切險情都是水情水位變化的結(jié)果。所以,汛期的各項工作必須緊緊圍繞水情
變化來開展。比如當(dāng)水位抬高時堤內(nèi)浸潤線的位置變化,是否在背堤坡面會出現(xiàn)溢出
點?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,以便為防洪搶險爭
取更多的時間。
總之,汛期河務(wù)部門希望物探能夠在不影響防洪搶險施工的情況下,快速、準(zhǔn)確地
探出浸潤線的變化,找到集中滲漏通道的部位,盡快發(fā)現(xiàn)隱患可能引起的險情等。
4未來進行堤防隱患監(jiān)測的地球物理參數(shù)
在未來的堤防隱患監(jiān)測中,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)計觀測這些參數(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,地下水位也
會隨之抬高降低,土堤內(nèi)部浸潤線也會發(fā)生變化,由于土堤內(nèi)部筑堤材料和密實度不
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)測堤
防工程地下電阻率變化,可以觀測堤內(nèi)浸潤線的變化,及早發(fā)現(xiàn)溢出點,預(yù)測堤內(nèi)集中
滲漏通道的形成,預(yù)報管涌發(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,即使很少的水流滲透
也會導(dǎo)致土體溫度與滲漏水溫相適應(yīng),它將引起原來土體溫度場的局部發(fā)生變化。因
此,溫度參數(shù)也是土體內(nèi)滲漏監(jiān)測非常靈敏的一個指標(biāo)。以前堤壩溫度測量是在壩或土
堤內(nèi)打人一些中空豎管,把幾個溫度傳感器成串裝人管中進行溫度測量。這只能進行點
測,覆蓋范圍有限,容易對滲漏通道漏檢。最新發(fā)展的分布式光纖溫度測量系統(tǒng)可以很
好地解決這一問題。
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從堤防隱患探測到堤防隱患監(jiān)測的思考
光纖溫度測量技術(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,其基本測量原理在于光纖內(nèi)傳輸?shù)墓庠诠饫w沿程各點存在后向散射,這一
后向散射信號特性部分依賴于散射位置光纖的溫度。分布式光纖溫度測量系統(tǒng)可以精確
實施光纖沿程各點的溫度測量,而且光纜鋪設(shè)成本較低。堤防和壩體內(nèi)的溫度場測量可
以成為工程運行狀態(tài)評估的有效手段,特別是對滲漏通道的監(jiān)測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:對于碾壓密實的堤防結(jié)構(gòu)來講,由于粘土層密實均勻不存在寬
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,粘土層的密實結(jié)構(gòu)被破壞,并含有顆粒較大物質(zhì)如中粗砂時,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,我們通過觀測堤防的IP效應(yīng)的
強弱和衰減快慢,即極化率和衰減度的大小變化,就可以監(jiān)測堤防滲漏的部位、規(guī)模形
態(tài)和強弱。
4.4電導(dǎo)率
汛期河水主要來自大氣降水,其礦化度很低,河水的電導(dǎo)率也非常低。而地下水的
形成是降水通過垂向滲透緩慢滲入到含水層中,在長期的運移過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間有關(guān),
停留時間越長,其電導(dǎo)率值也越高。當(dāng)?shù)谭来嬖趶姷耐杆ǖ罆r,地下水受到外江水的
補給越強烈,其礦化度越低。通過監(jiān)測堤身和堤基內(nèi)地下水的電導(dǎo)率變化及分布情況
便可以觀測到堤防中的強透水部位。
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孔內(nèi)分別投放,在臨背河上下游
各觀測孔中分別測試,采用單孔稀釋法測定水平滲透流速和峰峰法測定井中地下水的垂
向流速,由此確定河水與地下水的補給、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,堤身內(nèi)外兩側(cè)水壓差較大,河水通過透水的砂層時摩擦?xí)a(chǎn)
生振動,在堤基處埋設(shè)鋼管,放入拾音器即可拾取其振動音頻,通過分析其音頻的變化
可以對管涌進行預(yù)警預(yù)報。
4.7測斜
利用角加速度計測斜的原理,將重點堤防工程的水下根石和護岸設(shè)施監(jiān)控起來,布
設(shè)成網(wǎng)狀的“姿態(tài)加速度監(jiān)測系統(tǒng)”,可以將水下岸邊的地形坡度測量出來,當(dāng)汛期洪
峰經(jīng)過時,沖刷河岸,部分根石走失,形成蹦岸滑踏,此時在“姿態(tài)加速度監(jiān)測系統(tǒng)”
中能夠迅速測出水下三維地形,根據(jù)實時監(jiān)測的水下三維地形變化,預(yù)報根石走失和蹦
岸發(fā)生的險情。
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工程物探論文集
5監(jiān)測設(shè)備應(yīng)有的基本功能
根據(jù)觀測參數(shù)設(shè)計監(jiān)測方法和儀器設(shè)備,各種監(jiān)測儀器應(yīng)組成一個聯(lián)合作業(yè)的系
統(tǒng),該監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具備如下的基本功能:
(1)能夠進行長剖面監(jiān)測:因為堤防工程長度較大,裂縫、孔洞等隱患的實際尺
寸很小,如果采用一些短剖面或點測,就會漏掉隱患和險情,起不到監(jiān)測監(jiān)控的作用。
分布式光纖溫度測量系統(tǒng)、高密度電阻率測量系統(tǒng)和高密度激電測量系統(tǒng)都可以進行長
剖面監(jiān)測,能夠控制幾千米的堤防。
(2)快速實時監(jiān)測功能:汛期的所有工作都必須得快速完成,每項測試都得快速
進行。否則,就起不到預(yù)測預(yù)報的作用。溫度、音頻和電導(dǎo)率等參數(shù)可以做到快速實時
監(jiān)測。
(3)網(wǎng)絡(luò)通訊功能:對于幾百千米的堤防工程,需要監(jiān)測的堤段很多,從上游到
下游汛期的水位變化,各堤段監(jiān)測的資料都要向防辦傳送。因此,監(jiān)測系統(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)自動化處理功能:各參數(shù)采集完成后,系統(tǒng)應(yīng)能自動處理各種數(shù)據(jù),對
多參數(shù)進行綜合分析,根據(jù)各監(jiān)測參數(shù)的變化趨勢進行出險分析預(yù)報。這個過程只能是
計算機自動處理,完全靠人工分析判斷是不行的。
(5)險情分析預(yù)報功能:監(jiān)測系統(tǒng)最終是要提交堤防出險預(yù)報結(jié)果,對防洪搶險
起指導(dǎo)作用。如果只是收集汛期各參數(shù)的變化過程,那就失去了監(jiān)測的意義。監(jiān)測的目
的就是要進行預(yù)報。監(jiān)測系統(tǒng)最終必須能夠?qū)﹄U情作出何時、何處會出現(xiàn)的預(yù)報。
(6)應(yīng)有與防洪數(shù)據(jù)庫或防汛搶險地理信息系統(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,要求堤防隱患檢測系統(tǒng)的資料應(yīng)納入其中的防洪數(shù)據(jù)庫和防汛搶險地
理信息系統(tǒng),以便對所有資料的存檔調(diào)用。
6結(jié)束語
汛期防洪搶險工作都是緊密圍繞水情變化開展的。因此,堤防隱患的監(jiān)測必須選擇
那些與水關(guān)系密切的地球物理參數(shù),設(shè)計合理適當(dāng)?shù)挠^測方法,研制多參數(shù)聯(lián)合作業(yè)的
儀器設(shè)備,在堤防工程的險工險點和水工建筑部位布設(shè)監(jiān)測斷面,分析各參數(shù)的變化趨
勢,預(yù)測預(yù)報堤防出險機率。通過深入研究地球物理技術(shù)在堤防隱患監(jiān)測中可以發(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工作得來的思路,并沒有多少
實際研究試驗工作,目的是引出堤防隱患監(jiān)測的思路,難免存在謬誤,敬請大家批
評指正。
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