高密度电阻率法在堤防隐患探测中的应用

1、高密度电阻率法在堤防隐患探测中的应用第1页，共27页，2022年，5月20日，20点14分，星期四论文结构高密度电阻率法在堤防隐患探测中的应用土坝知识及相关堤防研究 高密度电阻率法理论及野外工作 土坝模型正反演及解释 我国土坝概况 土坝的结构及防护 土坝隐患、险情及预防 高密度电阻率法理论 野外工作 土坝结构 土坝维护 堤防隐患（缺陷）分类 堤防出险的表现形式 土坝隐患、险情评估与防治 建模 RES2DMOD正演RES2DINV介绍及反演处理 资料解释与隐患评估高密度电阻率法工作原理 第2页，共27页，2022年，5月20日，20点14分，星期四 我国是个水患频发的国家，堤防安全与人民生活息息

2、相关，这就需要我们能找到一个非常有效的方法来对堤防隐患进行评估。土坝作为治理黄土高原水土流失、改善生态环境、减少入黄泥沙的关键性措施受到了社会广泛关注,且在水土保持工作中土坝是沟壑治理的主要措施之一，所以本文以土坝为堤防的代表研究对象具有较为普遍的价值。物探方法可以在不破坏大坝的情况下，较为准确的反映出各种隐患，其中高密度电阻率法因其高密度电法具有小点距、数据采集密度大、施工效率高和分辨率高的特点在我看来是较为优选方法。研究背景第3页，共27页，2022年，5月20日，20点14分，星期四研究意义 如果大坝失事,下游猝不及防,致使人民生命财产和经济文化遭受重大损失。通过调查分析土坝各种隐患的物

3、性特征，并以此来检查出隐患位置、程度并加以修补,防止或减少各种安全事故的发生有着极为重要的意义。而本文是在自建模型基础之上进行研究，通过模型模拟各种隐患的形式以及其在正反演图像上的表现进行分析，并与所建模型比对验证精确程度，从而为野外施工提供可靠支持。第4页，共27页，2022年，5月20日，20点14分，星期四高密度电阻率法系统及特点高密度电阻率法系统高密度电阻率法是根据水文工程及环境地质调查的实际需要而研制的一种电探系统，该系统包括数据的采集和资料处理两部分。现场测量时，只需将全部电极布设在一定间隔的测点上，然后用多芯电缆将其连接到程控式多路电极转换开关上，电极转换开关是一种由微片机控制的

4、电极自动转换装置，它可以根据需要自动进行电极装置形式、电极距及测点的转换。测量信号通过电极转换开关送入微机工程电测仪，并将测量结果依次存入随机存储器后，将数据回放到微机上便可按给定程序对原始资料进行处理。高密度电阻率法与常规电法相比，具有成本低、效率高，反映信息丰富、直观，资料解释方便等特点，也因而使得电法勘探能力显著提高。第5页，共27页，2022年，5月20日，20点14分，星期四高密度电阻率法系统及特点高密度电阻率法相对传统电法的特点 高密度电阻率法采用直流激发源，抗人为噪声干扰，对勘探现场无破坏作用。相对其它物探技术，在城市人口居住区或工业区周围的探测具有明显优势。它相对于常规电阻率法

5、具有如下优点： (1)电极布设一次完成，测量过程中无须更换电极，这不仅减少了因电极设置引起的干扰和故障，减小了测量误差，而且大大提高了工作效率，为野外数据的快速采集和自动测量打下了基础。 (2)能有效的进行多种电极排列方式的测定与组合扫描测量，提供数据量大、信息多，因而可获得丰富的关于地电断面结构特征的地质信息。 (3)野外数据采集实现了自动化或半自动化，不仅采集速度快，而且避免了由于手工操作带来的误差和错误，减轻了劳动强度。并且观测精度高，分辨率高，探测的深度也很灵活。(4)可以对资料进行预处理并显示剖面曲线形态，脱机处理后还可自动绘制和打印各种成果图件。第6页，共27页，2022年，5月2

6、0日，20点14分，星期四第一章土坝知识及相关堤防研究第7页，共27页，2022年，5月20日，20点14分，星期四第一章土坝知识及相关堤防研究我国土坝概况 我国土坝堤防修筑年代久远，有的土坝堤防从宋代起已经开始修筑，至今已有800多年历史。堤身经历次填筑，土料就地取材，填土不匀，结构复杂，常有树根、秫秸等物埋入堤内，天长地久，腐烂成隐患。此外，我国堤防绝大多数由人工填筑，有的经人工夯实，有的甚至未经夯实，堤身密实度低，普遍存在缺陷，病害种类繁多。而目前我国有大坝86000多座，其中大部分是上世纪5060年代修建的中小型土坝。从2007年开始，三年时间，国家投入巨资，对6240座病险坝进行除险

7、加固，消除病害，保证大坝安全运行。对于病险坝内部存在的裂缝、松散区、不均匀区、渗漏通道等各种隐患，只有采用专用仪器设备才能探测清楚。为除险加固工程设计提供可靠依据而土坝作为治理黄土高原水土流失、改善生态环境、减少入黄泥沙的关键性措施受到了社会广泛关注,且在水土保持工作中土坝是沟壑治理的主要措施之一。第8页，共27页，2022年，5月20日，20点14分，星期四第一章 土坝知识及相关堤防研究土坝的结构及防护土坝结构土坝堤防修筑前未作基础处理，基础薄弱。土坝堤防基础一般为二元结构，即上层为几米到十几米厚不透水的覆盖层，主体为粘土；下层为十几米到几十米厚透水的沙砾石层和细沙层原始冲积层。土坝堤防建在

8、覆盖层上，二者成为一体，像是一座挡水墙浮在透水的沙砾石上。一般土坝大体分为均匀土坝，有粘土墙心土坝，以及有迎水面防渗层土坝。而这几种土坝还可以增加排水设施，土坝的断面形式主要决定于地质情况与坝旁用作筑坝材料的土料。图1均质土坝图2坝心有防渗墙的土坝 图3有排水棱体土坝 图4有防渗层土坝 第9页，共27页，2022年，5月20日，20点14分，星期四第一章 土坝知识及相关堤防研究土坝隐患、险情及预防 堤防隐患（缺陷）分类 由于堤防修筑质量差、堤身高度不够、经多年水力冲刷带走细颗粒土、基础塌陷造成不均匀沉降和生物侵害等原因，造成堤防存在多种缺陷，或称为隐患。有的隐患存在于堤身内，也有的存在于覆盖层

9、和浅层基础内。当这些隐患发展严重时，遇高洪水位，堤防发生渗漏。通俗地讲，归纳起来，堤防的隐患有3类：（1）洞：蚁穴、鼠洞、烂树根、塌陷产生的空洞以及浅层基础内细颗粒土被冲走形成的孔洞等；（2）缝：纵缝、横缝、斜缝、隐蔽缝、开口缝等；（3）松：密实度低（孔隙率大）或填料为沙土等。第10页，共27页，2022年，5月20日，20点14分，星期四第一章 土坝知识及相关堤防研究土坝隐患、险情及预防 堤防出险的表现形式 由于不同堤段存在的隐患类型不同，高洪水位时，堤防出险有多种表现形式：（1）漫顶（2）管涌（3）散浸（4）滑坡（5）崩岸（6）裂缝：基础不均匀沉降、滑坡等原因使堤身产生裂缝。（7）塌陷第1

10、1页，共27页，2022年，5月20日，20点14分，星期四第一章 土坝知识及相关堤防研究土坝隐患、险情及预防 土坝隐患、险情评估与防治 坝体隐患探测的方法可分为破损法和无损法。破损法包括人工破损探测包括坑探、槽探、井探和钻探等。及同位素探测包括利用坝体已有的测斜管,投入放射性示踪剂,以核探测技术进行观测。但这种方法破坏土坝原来结构，而且费时费力。近十几年来,无损探测方法，计有：瞬变电磁法、频率域电磁法、高密度电法、探地雷达、表面波法、浅层反射地震法、放射性同位素法等。而本文就以高密度电阻率法为例来研究一下无损法探测在土坝堤防中的评估应用。第12页，共27页，2022年，5月20日，20点14

11、分，星期四第一章 土坝知识及相关堤防研究土坝隐患、险情及预防 险情防治：管涌：1)反滤围井 2）养水盆3）滤水压浸台而对于散浸、滑坡、崩岸都只能加固土坝体，来防止发生。对于裂缝可以有两种办法（1）沿裂缝向下挖壕,一面挖土,一面寻找裂缝,直至裂缝挖尽为止。壕的宽度以便于施工为原则,一般壕底宽度有0.81.0m即可。壕两侧要有一定坡度,并且坡面要整齐,以利结合。（2）灌浆法:灌浆法就是用泥浆填灌裂缝。灌浆法的优点是:堵塞质量好,由上到下灌浆密实;比较省工;与原土可以密切结合。第13页，共27页，2022年，5月20日，20点14分，星期四第二章 高密度电阻率法理论及野外工作第14页，共27页，20

12、22年，5月20日，20点14分，星期四第二章 高密度电阻率法理论及野外工作高密度电阻率法理论高密度电阻率法工作原理 高密度电阻率法与常规直流电法一样，是以探测地下目标体与围岩之间的导电性差异为基础的一种地球物理勘探方法。当人工向地下加载直流电流时，在地表利用相应仪器观测其电场分布，通过研究这种人工施加电场的分布规律来达到解决地质问题的目的。因此我们就要研究在施加电场的作用下，地层中传导电流的分布规律。第15页，共27页，2022年，5月20日，20点14分，星期四第二章 高密度电阻率法理论及野外工作野外工作野外工作准备阶段1.确定适宜的布线条件2.分析探测对象3.收集相关资料4.确定观测装置

13、及电极极距5.确定探查深度和测线长度6.电极布设7.场区地形和人工构造物的影响图5 野外施工测线布置示意图第16页，共27页，2022年，5月20日，20点14分，星期四第二章 高密度电阻率法理论及野外工作野外工作野外接地电阻测试阶段 进行数据采集前，必须先检测接地电阻，确保各电极接地电阻准确无误后，再进行各种装置的测量实验。根据野外实践经验，本文把野外电阻测试阶段遇到的问题：（1）接地电阻检测过程中，如发现某电极电阻大于100 Km，系统会自动停止检测，重新进行合理布设。（2）在接地电阻检测过程中，如发现接地电阻全部为零，表明电极短路。（3）在接地电阻检测过程中，电阻值固定不变。原因是电极转

14、换开关上的MN与主机上的MN接线柱接反（4）在野外检测接地电阻时，我们需要时刻观察各电极电阻情况，如发现电阻过大或过小。第17页，共27页，2022年，5月20日，20点14分，星期四第三章 土坝模型正反演及解释第18页，共27页，2022年，5月20日，20点14分，星期四第三章 土坝模型正反演及解释建模 隐患较复杂的土坝模型0代表表面较干黄粘土层 1代表裂隙中空气 2代表土坝主体粘土 3代表坝基部，砂、石、土沉积物 4代表裂隙塌陷中充水图6 隐患较复杂的土坝模型图第19页，共27页，2022年，5月20日，20点14分，星期四第三章 土坝模型正反演及解释跑极 温纳斯伦贝模式介于温纳和斯隆贝

15、尔之间，这种模式跑极方式实现与斯伦贝谢相同，即M,N极间隔不变A，B极像两边极距增大，类似于电测深，从而形成矩形测图，但随着测量深度加深，测量电流也随之减小，进而影响测量精度，我们利用温纳方式加大电极距来加大测量电流，再重复上边测量，而形成总体倒梯形测两端面这就是温纳斯伦贝谢模式。它适用于固定断面扫描测量，测量端面为倒梯形，其电极排列如图7:图7 温纳-斯隆贝尔装置电极排列第20页，共27页，2022年，5月20日，20点14分，星期四第三章 土坝模型正反演及解释跑极 温纳模式的电极排列规律是：A,M,N,B(其中A,B是供电电极,M,N是测量电极)，AM=MN=NB为一个电极间距A,M,B,

16、N逐点同时向右移动，得到第一条剖面线，随着间隔系数n由n（最小）逐渐增大道n（最大），四个电极间的间距也均匀拉开。该装置适用于固定断面扫描测量，其特点是测量断面为倒梯形，电极排列如图8:图8 温纳装置电极排列第21页，共27页，2022年，5月20日，20点14分，星期四第三章 土坝模型正反演及解释跑极 偶极偶极模式装置适用于固定断面扫描测量，测量时，AB=BM=MN为一个电极距，A,B,M,N逐点同时向右移动，得到第一条剖面线；接着AB=MN不变使BM=2MN，A,B,M,N逐点同时向右移动，得到另一条剖面线；再令BM=3MN这样不断扫描测量下去，最多可使BM=6MN得到倒梯形断面，其电极排

17、列如图9:图9 偶极-偶极装置电极排图10 隐患较复杂的土坝模型正演视电阻率图第22页，共27页，2022年，5月20日，20点14分，星期四第三章 土坝模型正反演及解释RES2DINV反演 在原理上，二维或者三维反演与一维反演是一样的。都是通过模型参数化，计算相应的模型响应，拟合观测结果，并基于拟合情况校正模型参数，直到满足一定迭代终止条件。本文所用为圆滑最小二乘法首先假设反演的视电阻率模型是由许多电阻率值为常数的矩形块组成如图，通过迭代非线性最优化方法确定每一小块的电阻率值本文利用平滑限定条件下的最小二乘法，所求出的电阻率值(模型参数)与实际测量的视电阻率值将非常接近。图11模块单元式电阻

18、率层点排布图 第23页，共27页，2022年，5月20日，20点14分，星期四第三章 土坝模型正反演及解释RES2DINV反演 由上图可知测线长为150m，单位电极距为3m，探测深度约为11.5m在27m30m之间有一竖直方向极高阻异常，由0.2m向下延伸到约4.5m。但由于其顶部电阻率较中心小，故可推测其没有贯穿到表面，推测为大的裂缝，或是塌陷空洞。在99m102m之间又有一竖直方向异常，向下延伸到约7m。其上部为高阻异常且高阻中心在表面，可推测其裂缝已经贯穿到表面，此裂缝下部为低阻异常，其阻值约为10m，低于土坝主体黄粘土电阻率，怀疑裂隙充水。在57m66m之间深度在8.5m以下有一低阻异

19、常阻值约为10m，其贯穿到下层原始砂、石、土层，但由于探测深度限制不知其向下延伸深度。此异常略呈圆形。由于其所在位置为土壤粘合度较小层位，故怀疑其可能是管涌通道。图12隐患较复杂的土坝模型正演视电阻率图第24页，共27页，2022年，5月20日，20点14分，星期四第三章 土坝模型正反演及解释RES2DINV反演图13没有任何隐患的均质土坝体模型图图14没有任何隐患的均质土坝体模型正演视电阻率图图15没有任何隐患的均质土坝体模型反演电阻率图第25页，共27页，2022年，5月20日，20点14分，星期四第三章 土坝模型正反演及解释RES2DINV反演图16表面存在裂隙且并不深的均质土坝体模型图图17表面存在裂隙且并不深的均质土坝体模型正演视电阻率图图18表面存在裂隙且并不深的均质土坝体模型反演电阻率图第26页，共27页，2022年，5月20日，20点14分，星期四总 结 本文以模型作为正反演基础，经反演得出三模型的电阻率勘测相应，对于第一个模型，反演图像分三层，各层深度分别为1m，