Willowstick技術(shù)在繪制地下滲流三維圖中的應(yīng)用

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(韓國水資源研究所，韓國 大田 34045)

1 研究背景

對于水中結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計及安全管理而言，確定地下滲流的滲徑對保障工程運行的安全性和有效性十分關(guān)鍵。在大多數(shù)需要保證防水性的地質(zhì)工程環(huán)境中，必須確定地下滲流滲徑。特別是對于老舊的填筑壩來說，確定防滲層或壩基防滲墻的不透水性是重中之重[1-2]。若未能準確測定滲透率，則無法發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部侵蝕和管涌等危險跡象，從而造成嚴重的安全隱患[3-4]。一般來說，滲透率的急劇增大意味著堤壩可能出現(xiàn)了內(nèi)部侵蝕。滲透率的減小或無法測得可能意味著某些滲徑已被堵塞或滲水正流到其他地方。

為了探明壩體或壩基中對滲流敏感的部位，必明尋找合適的勘測方法。然而，現(xiàn)有技術(shù)幾乎都無法繪制三維地下滲徑圖。目前，行業(yè)內(nèi)普遍使用二維或三維電阻率勘測法識別滲徑，但需要耗費大量人力和時間。

本文研究中，在韓國的DB壩和YD壩上建立了兩處試驗基地，并保證其水庫蓄水量充足。研究采用了新開發(fā)的磁測電阻率勘測法(MMR)，也被稱為“Willowstick勘測法”。鑒于飽和地層或濕潤地層可作為優(yōu)良的地下電導體，該方法利用標記電流為滲流通電，以追蹤主滲徑。電流沿著水庫外的水飽和區(qū)從壩體或滲水收集墻的中間、下方及周圍穿過。通過確定主電流流路，可確定水庫水流滲入壩體或壩基的位置。該技術(shù)已應(yīng)用于存在滲漏問題的水工結(jié)構(gòu)中，但并不常用。

本文介紹了Willowstick勘測法的原理、應(yīng)用步驟以及試驗壩的滲流特征和存在的問題，同時對該方法的程序和應(yīng)用結(jié)果進行了分析說明。在YD壩址處進行磁測電阻率勘測之后，與詳細巖土工程勘察找出的滲流路徑對比，對結(jié)果進行了驗證。

2 原理與方法

2.1 原 理

水壩地下主滲徑的勘測是工程地質(zhì)或水文地質(zhì)學中的常見問題。大多數(shù)情況下地下水能提高土壤的電導率。

Willowstick勘測法是利用高靈敏度磁技術(shù)勘測主滲徑的快速有效方法[5]。磁場測量無需與地面接觸，不產(chǎn)生電流?？睖y包括確定關(guān)鍵電量輸入點，由此處直接向地下水輸電。當電極使產(chǎn)生的電流沿著延伸的導電目標或者沿著預(yù)期的滲流方向移動時，輸入電效果更好。電極棒和電路位置確定之后，生成低頻電流以產(chǎn)生地下電流(非感應(yīng)電流)，從而可產(chǎn)生相應(yīng)的磁場(非感應(yīng)磁場)。這種靜磁響應(yīng)包含了地下電阻率結(jié)構(gòu)相關(guān)的信息，能夠反映巖性變化、含水量和水礦化度等。

圖1 電極布置橫截面示意

2.2 過程和方法

為保證Willowstick勘測法最有效，需要特別注意電極棒的布置和線路的鋪設(shè)。通過接觸地下水的鉆孔與目標直接連接，并沿著預(yù)期的水流流動方向布置電極棒。該方法采用380Hz的AC信號以充分利用高靈敏度的磁測量技術(shù)[5]，同時避免產(chǎn)生50 Hz或60 Hz的諧波信號。

電路鋪設(shè)完成之后，施加1～2 A的弱電流，接下來幾小時或幾天內(nèi)，通過地面數(shù)百或數(shù)千個測點進行磁測量。然后將測量數(shù)據(jù)與理論預(yù)測的靜磁場進行比較。通過建模和反演程序[6]獲取信息，以確定地下電流密度的分布和集中區(qū)域范圍，并繪制出主滲徑地圖并生成三維模型。

3 Willowstick勘測法在DB壩中的應(yīng)用

3.1 DB壩

DB壩由一個主壩和幾座分開的小壩組成。主壩最大壩高約60 m，長約450 m，壩基的帷幕灌漿延伸至基巖中。水庫泄流由旁路管道和位于右壩肩附近的溢洪道控制。大壩可能存在滲漏問題。

3.2 勘測方法

勘測的目的是確定主滲徑并說明其特征，以深入了解壩體中和壩基下方的滲流模式，從而評估、監(jiān)測并修復(fù)滲流產(chǎn)生區(qū)域。圖1為勘測所使用的電極布置橫截面示意圖。鑒于大壩長度接近450 m，提出了2種勘測布置方案。

3.3 數(shù)據(jù)壓縮、篩選和質(zhì)量控制

在收集磁場數(shù)據(jù)后，按照合適的篩選和質(zhì)量控制標準，將數(shù)據(jù)進行壓縮、歸一化，為建模和數(shù)據(jù)解讀作準備。

圖2顯示了水壩左半部分采用的電極布置情況。

圖2 水壩左半部分電極布置

3.4 數(shù)據(jù)處理

當用標記電流向研究區(qū)通電時，觀察并記錄磁場數(shù)據(jù)，但不能直接對觀測數(shù)據(jù)進行解讀。為了確定地下研究區(qū)內(nèi)電導率偏大或偏小的區(qū)域，假設(shè)地下導電環(huán)境均勻，建立模型以預(yù)測給定電路和電極位置下測點磁場響應(yīng)。

利用預(yù)測的磁場圖與觀測所得磁場圖對比，得到響應(yīng)比率圖，顯示出電流異常的區(qū)域(即大于或小于預(yù)測值區(qū)域)，從而可消除偏離數(shù)據(jù)集的電流。

由于僅測量地面(主滲徑上方)磁場而未對滲徑下方或旁邊的磁場進行測量，所以在未建模的情況下，難以確定和識別主電流的準確位置或深度。因此，通過反演算法對響應(yīng)比率數(shù)據(jù)進行處理分析。該方法也可科學預(yù)測地下研究區(qū)域內(nèi)三維空間的電流分布。反演結(jié)果被稱為電流分布或ECD模型。 除ECD模型之外，還創(chuàng)建了一個現(xiàn)場三維模型，以顯示與ECD模型剖面相關(guān)的現(xiàn)場特征。

3.5 勘測結(jié)果

模型預(yù)測的滲徑在穿過灌漿帷幕下方后迅速流向表面(見圖3)，水壩下游滲徑比上游更加明顯。壩上游滲徑位于水庫水體下方，很容易被水體掩蓋。

4 Willowstick勘測法在YD壩中的應(yīng)用

4.1 YD壩

YD壩是一座混凝土面板堆石壩(CFRD)，高70 m，長498 m，于1999年建成[7]。壩下游設(shè)有滲流測量室，以便對水壩的安全進行管理。測量室下部設(shè)有擋水墻，用于收集水壩和基巖的滲流。然而，在滲流測量室內(nèi)可測量的水位達到適當水平之前，滲流定量測量幾乎不可能。在大壩運行期間，有必要對滲量進行測量，但由于泄漏原因不明和滲漏路徑模糊，很難采用合適的措施。

為了確定、繪制和模擬穿過滲水收集墻下方或周圍的主要路徑，采用了Willowstick勘測法以及現(xiàn)有的三維電阻率法為YD壩址進行了勘測。之后，通過巖土工程勘探結(jié)果驗證了方法的適用性。

4.2 勘測配置和布局

圖3 滲流徑的現(xiàn)場三維圖

圖4 電極配置的勘測布局

圖5 地質(zhì)斷裂與滲徑節(jié)點標記

圖4顯示了勘探中的電極配置和勘測布局。如圖所示，研究區(qū)域主要針對壩下游面和滲水收集墻。紅色符號表示測點，以10 m×10 m網(wǎng)格形式布設(shè)。為實施質(zhì)量控制，許多測點被多次使用。在整個勘測區(qū)域內(nèi)，電路連續(xù)性、磁場強度和信噪比均較強。對每個測點的位置和高度進行記錄，作為現(xiàn)場勘測工作的一部分，這對質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)處理、建模和解譯至關(guān)重要。

4.3 勘測結(jié)果

此次勘測確定了2條滲透路徑，一條主要路徑和一條可能的次要路徑，兩條路徑均從滲水收集墻下方經(jīng)過。

圖5顯示了電流分布(ECD)模型的水平剖面，取自滲水收集墻(高程約為199 m)底部的下方。ECD模型用多種顏色進行了標示，假定地下區(qū)域電流密度均勻分布，白色表示實際電流密度與假定密度相等的區(qū)域；藍色到紫色表示電流密度小于假定密度的區(qū)域；綠色表示電流密度大于假定密度的區(qū)域。黃色路徑為滲水收集墻下方的主要滲透路徑。標記節(jié)點A至I的深藍色線表示地質(zhì)脆弱帶(例如原河道下方的小裂縫或古河道)，也說明滲透主要集中在墻壁下方，有滲水在墻下流動。標記節(jié)點1和2的橙色實線表示收集墻下方有一條明顯的次要滲徑。根據(jù)磁場的強度和滲徑勘測的綜合結(jié)果，滲徑可分為主滲徑和次滲徑，表明繞過滲水收集墻主要滲徑的滲水量要大于次要路徑。

圖6 鉆孔位置

5 驗 證

為驗證Willowstick勘測法在YD水壩壩址的應(yīng)用結(jié)果，進行了鉆孔和取樣試驗，見圖6。

鉆孔情況表明，地層分為上層的顆粒填充層、找平混凝土和風化軟基巖。Willowstick勘測法預(yù)測BH-1和BH-2之間存在1條主要滲徑，為1條強滲流斷裂帶，而BH-4、BH-5和BH-7鉆孔結(jié)果呈現(xiàn)出相對較好的節(jié)理巖體狀態(tài)。根據(jù)鉆孔和取樣，BH-1清楚地顯示出在高程194.9～185.8 m處存在1條滲透性斷裂帶，這與Willowstick法勘測的主滲徑非常吻合。而且，BH-3(預(yù)測為次級滲徑)采樣心墻顯示出1條高度斷裂帶。

綜上驗證結(jié)果表明，Willowstick勘測法可以有效繪制出斷裂帶等地質(zhì)薄弱層造成的地下主滲徑三維圖。

6 結(jié) 語

本研究中，將新開發(fā)的Willowstick勘測法應(yīng)用于DB壩和YD壩的勘測中，并繪制了地下滲徑。當標記電流在適當?shù)碾姌O(位于收集墻上游和下游)間流動時，由于水流流動區(qū)是導電性更強的區(qū)域(即最大傳輸孔隙率區(qū)域)，因此這種區(qū)域電流集中。隨后對電流響應(yīng)磁場特征進行測量并建模，以確定主滲徑模式，并分析滲透發(fā)生位置和原因。

對于DB壩，電流傾向于從小壩左壩肩下方的水庫流出，并穿過高程147 m處的壩下方。電流在壩頂下方約71 m處的大壩帷幕灌漿下方流動。在穿過帷幕灌漿下方后，電流由左壩肩斜接點(壩體和山坡連接處)一半距離的區(qū)域向上涌出。調(diào)查結(jié)果表明，未發(fā)現(xiàn)其他通過壩體或壩基的主滲徑。

Willowstick勘測法在YD壩中的應(yīng)用表明，該方法可確定通過集水擋土墻底部的主要和次要滲徑，并給出三維滲徑的中心線坐標。鉆孔取樣驗證結(jié)果表明，靠近預(yù)期滲徑區(qū)域基礎(chǔ)巖體存在地質(zhì)薄弱斷裂帶，其位置和近似深度與Willowstick勘測法的結(jié)果完全吻合。該勘測法能夠有效地表示地下滲徑的特征。

因繪制地下滲的技術(shù)非常有限，新開發(fā)的Willowstick勘測法有助于解決水工結(jié)構(gòu)的相關(guān)滲透問題。與現(xiàn)有的電場測量不同，該技術(shù)在直接向水流通電后對磁場進行測量，可提高結(jié)果可靠性。

Willowstick法勘探結(jié)果有助于對滲水收集墻下方的滲透問題作出合理的處理決策。