基于電成像技術(shù)的水位動態(tài)監(jiān)測方法試驗研究

譚 磊，江曉益，向 孟

(1.浙江省水利河口研究院，浙江杭州310020；2.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江杭州310020；3.浙江省水利防災減災重點實驗室，浙江杭州310020)

水庫大壩統(tǒng)籌防洪、發(fā)電、供水、灌溉等多重復合型功能，關(guān)乎人民生命財產(chǎn)安全，是保障經(jīng)濟發(fā)展的必然選擇。隨著水庫使用年限的增長，大壩性態(tài)發(fā)生重大的改變，從而導致土石壩存在系列的薄弱環(huán)節(jié)，其中滲漏隱患已成為影響工程效益有效發(fā)揮的主要病癥[1]。工程實踐及理論分析可知，大壩隱患的發(fā)生、發(fā)展都處于動態(tài)演化中，明確大壩滲流性態(tài)的特征是預測壩體發(fā)展態(tài)勢和安全評價的保障和前提，而采用合理的監(jiān)測手段已成為數(shù)據(jù)科學化收錄的關(guān)鍵性難題[2-3]。

滲流監(jiān)測通常是在關(guān)鍵特征斷面上布設水位傳感器獲取該地層的離散化信號，粗略地勾畫出堤壩浸潤線的大致位置，但時空上的延遲和稀疏的數(shù)據(jù)量達不到大壩現(xiàn)代化監(jiān)測的要求[4]。近年來，隨著地球物理理論不斷豐富和技術(shù)的發(fā)展，具有無損﹑及時﹑快捷﹑精細地獲取水壩任意斷面海量數(shù)據(jù)優(yōu)勢的測試技術(shù)被廣泛應用于大壩隱患查找中來。其中，淺層地震法、瞬態(tài)瑞雷波法、瞬變電磁法、探地雷達法、高密度電法、流場法、溫度場法、自然電位法等綜合檢測手段在壩體填筑不良﹑堤壩滲漏﹑接觸帶薄弱﹑繞壩滲流﹑浸潤線判定﹑基巖面勘察等[5-9]多方面探測應用中取得了諸多可喜的成果，為水庫的勘察﹑設計﹑施工﹑維護提供了重要的參考依據(jù)?；诖髩坞[患是不斷累積的結(jié)果，并且大壩內(nèi)隱患體積較小，巖土介質(zhì)之間的物性差異性較小且測試手段的局限性，導致單次探測還不能精確鎖定靶區(qū)，開展監(jiān)測大壩內(nèi)部物理場的動態(tài)變化有助于提高可靠度[10-11]。本文采用電成像技術(shù)，利用水位地電場的數(shù)值仿真模擬和物理模型試驗等技術(shù)手段，探尋一種或多種最佳優(yōu)化觀測系統(tǒng)，以期實現(xiàn)對壩體靜態(tài)水位特征信息及時有效的連續(xù)大斷面監(jiān)測[12]。

1 電成像技術(shù)測試的基本原理

1.1 電成像水位監(jiān)測原理

電成像技術(shù)是基于人工供電系統(tǒng)向地下加載一定的電壓，利用形成的穩(wěn)恒電流場作為信息的載體，把豐富地時空變化的地電數(shù)據(jù)信息經(jīng)過加工、整合、集成和表達出來，進而推斷出地下介質(zhì)的分布和組合關(guān)系，服務于工程、水文、環(huán)境、礦產(chǎn)等領域。電成像同傳統(tǒng)的電剖面法和電測深法相比改進了測試過程中的供采電極自由組合，引進單片機電子元件智能化的控制轉(zhuǎn)換開關(guān)實現(xiàn)了電流、電位數(shù)據(jù)的測量方式，電測儀根據(jù)需要選擇性地拾取多類排列方式的電阻率數(shù)據(jù)體。同時，陣列式測量加大了對地電信息獲取的力度，融合層析成像技術(shù)更為真實、直觀地呈現(xiàn)出地電斷面的分布和變化規(guī)律，具有密集量測、效率高、信息豐富等優(yōu)勢。

電阻率是表征巖土體導電能力強弱的參量，土石壩在修筑的過程中施工工藝和筑壩材料基本相同，而土石顆粒間的孔隙水飽和度成為影響電阻率變化的主控因素，這為電成像技術(shù)在大壩水位的探測提供物性基礎，也保證了壩體地電場分布的漸變性和規(guī)律性。大壩壩體的滲流場位于浸潤線以下，當浸潤線較低時，土石體含水率較低，從而導致水位以上電阻率值較大；而當大壩內(nèi)部水位不斷的增高，電阻率值不斷地降低，相對低阻區(qū)域也不斷的擴大。由此可見，大壩垂向上具有電性分帶性，基于土石體含水量的不同，自上而下電阻率值表現(xiàn)為由高到低直至保持基本穩(wěn)定的值，在高低阻分界面即為大壩干燥土體與飽和土的分界層。因此，為掌控土石壩水位動態(tài)的變化過程，采用多頻次電成像探測技術(shù)用于大壩滲流場變化的監(jiān)測，改進后的監(jiān)測技術(shù)可有效低跟蹤異常信息，突出異常的變化特征，從而達到常態(tài)化監(jiān)測的效果。

1.2 成像測試的正反演計算

一般地，在假設大壩屬于半空間模型的基礎之上，并利用解析法計算電場的分布規(guī)律，人工施加的穩(wěn)定電流場滿足偏微分方程：

-2Iδ(x-x0)(y-y0)(z-z0)

(1)

式中，ρ為介質(zhì)電阻率；U為空間任意點電位；I為激發(fā)電流；δ為狄拉克函數(shù)；(x，y，z)為觀測點空間坐標；(x0，y0，z0)為激發(fā)電源空間坐標。地電斷面區(qū)域內(nèi)無源，即拉普拉斯方程Δ2U=0。

在二維電成像求解場的分布時，假設電阻率值在y方向上保持不變，即把求解三維偏微分方程的問題轉(zhuǎn)化成若干λ定值的方程求解，根據(jù)變化電位V(λ，x，z)的結(jié)果，從而獲得電位值，具體求解過程見參考文獻[13]。

(2)

采用解析法可精確獲得地下電場的分布，但求解的過程相當?shù)膹碗s，尤其對于復雜的地電模型顯得異常繁瑣。其實，實際應用中也未必需要求出電場分布的真實解，而針對復雜不規(guī)則地電模式大多數(shù)采用數(shù)值模擬的計算手段，求解二維點電源電場分布最常使用是限元法等[14]。數(shù)值模擬具有快速、方便、適應于復雜地下斷面構(gòu)建模型優(yōu)勢，是研究正反演效果論證不可或缺的工具。

電阻率反演計算中為達到理想的重建模型圖像，對模型正演計算值與實測電阻率值進行不斷地擬合修正，即歸結(jié)于求解目標函數(shù)的極值[15]：

S(m)=(dobs-g(m))TWd(dobs-g(m))

(3)

式中，m為電阻率參數(shù)矩陣；Wd為權(quán)系數(shù)矩陣；dobs為實測電阻率值；g(m)為模型電阻率值。

由于海量數(shù)據(jù)體不利于反演數(shù)據(jù)的收斂，造成相鄰單元間電阻率值突變的現(xiàn)象，并且加之反演參數(shù)較復雜，故在模型重構(gòu)過程中需多次修改模型參數(shù)m，其表達式為：

(JTWdJ+λI)Δm=JTWd(dobs-g(m))

(4)

式中，J為Jacobi矩陣；λ為阻尼因子。

2 觀測系統(tǒng)的模擬選擇

為了比較不同觀測系統(tǒng)檢測水位位置的響應效果，通過利用有限元電法軟件平臺構(gòu)建水位地電模型，并根據(jù)反演成果進一步選取最佳水位監(jiān)測系統(tǒng)。

電成像的測試系統(tǒng)主要有地面觀測、單孔觀測、跨孔觀測、π型觀測、T型觀測、Γ型觀測等方式。為此在配套軟件上構(gòu)建不同觀測系統(tǒng)下的地電模型，如圖1所示。結(jié)合前人研究成果[16-17]，用100 Ω·m模擬沙土電阻率，河水電阻率為1 Ω·m，水深0.12 m，電極數(shù)目及電極間距根據(jù)測試系統(tǒng)需要靈活布置。

圖1 地電模型及其相應反演的圖像

圖1所示，不同測試方式的反演斷面中電性的分布特征總體上與預設的地電模型吻合，證實了電成像系統(tǒng)檢測水位的可行性。圖1a是電成像最基本的觀測方式，64道電極全部布置地面，相鄰電極間隔0.03 m，經(jīng)模型重構(gòu)得到0.26 m深的電阻率圖像，圖中呈水平向的條帶狀界限與預設模型基本吻合，但探測深度較淺。從圖1b中可以看出，垂向上布置32道電極，電極間距為0.01 m，采用單孔觀測方式。反演計算后最大電阻率僅為17 Ω·m，反演圖像上在0.12 m處顯示明顯的分界域都出現(xiàn)以測線為中心向外側(cè)發(fā)散，似“裙狀”的向各自一側(cè)彎曲，有效的顯示出水位的深度。圖1c、1d分別是跨孔和π型觀測方式，兩者是在單孔和地面測試方式基礎上的組合，跨孔型系統(tǒng)鉆孔間距0.3 m，電極間距0.02 m，而π型包含了電極跨孔排列布置和表層0.01 m的觀測系統(tǒng)。從圖1c、1d可以看出，二者具有較高的探測精度和深度，并展示出的水位位置更清晰，只是跨孔方式上部為虛假高阻異常區(qū)域。通過改變孔的位置，可以形成圖1e、1f兩套觀測系統(tǒng)，分別在地面和孔中各布置32道電極，電極間距都為0.01 m，反演圖像顯示出T型觀測方式更為準確的反映出水位的延展，電阻率分界面收斂；Γ型觀測系統(tǒng)是在T型上改變了孔中電極系的位置，電阻率差異明顯界面位于深0.075 m，相比模型預設值偏高。

綜上，不同的觀測系統(tǒng)具有各自的特點，考慮監(jiān)測的主體為大壩，高精度、高分辨率以及抗破壞等需求，建議大壩水位監(jiān)測采用跨孔型和單孔型監(jiān)測系統(tǒng)。

圖3 單型視電阻率比值斷面

3 試驗模擬與效果分析

3.1 模型設計與實現(xiàn)

圖2 試驗模型及監(jiān)測系統(tǒng)

依據(jù)上述模擬成果基礎之上，室內(nèi)模型試驗設計了單孔和跨孔型兩種觀測系統(tǒng)。室內(nèi)選用了具有高強度的有機玻璃作為模型水槽材料，外觀可見模型水槽為透明的圓柱狀，模型箱內(nèi)部高100 cm，外徑為55 cm，有效內(nèi)徑長50 cm，試驗采用均質(zhì)沙土模擬大壩填筑材料，分別從不同的位置進行注水，從而模擬電阻率對大壩內(nèi)部水位變化的響應試驗。為降低電極激化電位的干擾，試驗采用長度1.5 cm的碳棒作為供電和測量電極，并且所有電極按照電極間距3 cm有序的固定在長1.1 m的木板上來模擬電極系。試驗過程中，利用直徑為4 cm的PVC管向水槽底部注液體，模擬壩基滲漏現(xiàn)象；而跨孔型系統(tǒng)中，Ⅰ、Ⅱ木板分別位于水槽中心線兩側(cè)，分別距離中線為7 cm和15 cm，PVC管位于Ⅰ側(cè)且出水口距水槽底部高40 cm。整個試驗中，利用直徑2 cm的PVC管模擬測壓管，并采用梅花形方式每隔1 cm設置直徑1 cm的孔，測壓管整體采用土工布包裹。圖2為兩種觀測系統(tǒng)布置示意。

試驗開始前先對模型進行背景值測試。首先快速向PVC管內(nèi)注入5%的鹽水溶液直至孔口，然后靜止半小時后，開始采集電阻率數(shù)據(jù)，并利用水位計測量測壓管內(nèi)的水位。如此循環(huán)，直至水位升到水槽頂部。

3.2 試驗數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)處理采用電成像專用軟件，經(jīng)解編處理、整合轉(zhuǎn)化、成像顯示等系列步驟。以沙土在靜止干燥下的值(0 h)為參照基準，其后各時刻數(shù)值與之作比值，從而獲得不同測試時刻的電阻率動態(tài)變化量圖像。不同時刻視電阻率值的相對變化系數(shù)記作：

η=ρs(tn)/ρs(t0)

(5)

式中，η為電阻率變化系數(shù)；ρs(tn)為tn時刻視電阻率值；ρs(t0)為t0時刻背景視電阻率值。

單孔型電阻率監(jiān)測圖譜如圖3所示，不同時刻隨溶液注入量增加，視電阻率比值也發(fā)生改變。其中，色譜圖像有冷色到暖色表示比值的由小到大，L方向是表示距測線系統(tǒng)的垂向?qū)挾龋瓜蛏媳硎灸Ｐ偷纳疃?。圖像上顯示出，溶液水位不斷地升高，視電阻率比值云圖呈暈狀不斷的抬升，模型內(nèi)介質(zhì)導電性明顯增強。注入溶液不斷的擴散是導致電阻率降低的驅(qū)動因子，利用低阻暈的前端可識別出水位的位置，取相對變化系數(shù)0.2為判斷基準。統(tǒng)計監(jiān)測水位與測量值如表1所示，水位的高低二者差異性不同，低水位時差異性較大，而當水位不斷的升高，差異性在逐漸縮小。二者綜合性誤差平均值2.79%位誤差范圍內(nèi)，表明電阻率比值可有效判讀出水位且能反映出滲流過程。

圖4 跨孔型電阻率比值斷面

如圖4所示，跨孔型測試成果采用Ⅰ，Ⅱ兩條測線綜合分析，從而追蹤孔間及注水孔附近的滲流場流動特征。由圖4a可知，電阻率比值在深度上0.2～0.45 m段，橫向上0～0.2 m段明顯降低，而Ⅱ測線反映出的電阻率變化系數(shù)基本穩(wěn)定，與時刻溶液主要集中在注水孔附近未擴散開來有關(guān)；當溶液量不斷的增多，在圖4b可見水槽底部整體上電阻率都大幅度降低，表現(xiàn)為由近及遠電阻率降低程度在變?nèi)酰餮刈⑺紫蛲獠粩嗟陌l(fā)散且垂向上的運動速率大于縱向浸潤擴散速率；當水溶液在橫向上擴散一定程度上，電阻率降低趨勢呈向水槽口整體抬升，如圖4d中模型0.7 m以下部位全部充滿水溶液；隨后， e、f、g階段的視電阻率降低區(qū)域在不斷的增多。

表1 監(jiān)測水位值與測量值之間的關(guān)系

4 結(jié) 論

(1)通過構(gòu)建水庫壩體水位地電模型，數(shù)值模擬結(jié)合反應多種觀測方式對介質(zhì)體內(nèi)水位都有較好的響應效果，表明電成像技術(shù)檢測水位的有效性；結(jié)合水庫現(xiàn)場特點，得出單孔和跨孔性觀測方式更為適合水位的長期動態(tài)監(jiān)測。

(2)針對室內(nèi)監(jiān)測試驗電阻率變化特征，采用比值參數(shù)處理技術(shù)反應出電阻率值的微小變化，清晰描述出水位滲流時空擴散的動態(tài)過程；相比傳統(tǒng)方法，監(jiān)測部位由單點向區(qū)域面化提升，實時表達出壩基、壩體水位的全程化滲流態(tài)勢。

(3)電成像技術(shù)監(jiān)測對水位動態(tài)變化的監(jiān)測具有重要意義，應用前景具有一定優(yōu)勢，后續(xù)研究中還需深入分析復雜壩體結(jié)構(gòu)條件下的地電場響應特征以及現(xiàn)場實測資料的解譯，不斷豐富此項技術(shù)的應用領域。