水利水电工程多隐患,高密度电法一探究竟
发布时间:2019-11-25

溃坝,也称垮坝,指由于某些原因造成的大坝坝体的全部或局部垮塌并引起上下游灾难的事件。

溃坝的主要原因有:

漫顶

水库泄洪能力不足或超标准洪水引起的漫顶(指洪水漫过大坝坝顶);

质量问题

坝体渗漏、坝体滑坡、坝体质量差、坝基渗漏、坝基滑动或塌陷、岸坡与坝体接头处渗漏、溢洪道与坝体接触处渗漏、溢洪道质量差、涵洞(管)与坝体接合处渗漏、涵洞(管)质量差、生物洞穴;新老接合处渗漏超蓄

管理不当

维护运用不良;溢洪道筑埝不及时拆除无人管理;库区或溢洪道塌方人工扒坝

其他

工程设计布置不当上游垮坝其它

土石坝是世界大坝工程建设中应用最为广泛和发展最快的一种坝型。但土石坝结构复杂,影响溃决时间的因素众多,目前仍然没有有效的土石坝漫顶溃决时间预测手段和方法。

近年来,我国开展了多次原体土石坝溃决试验,获得了原体土石坝溃口发展、洪水演进等重要成果。

 

高密度电法即高密度电阻率法,是水利水电工程隐患探测中重要的物探方法之一。

 

高密度电法虽然受“竖向极限分辨率最多只能探测洞径与埋设之比为1∶10”的限制,但是对于库水位抬升、坝体浸润面抬升、坝体饱和区域“大面积”增大的情况,应用该方法获得的坝体电阻率分布可望反映出坝体渗流场分布情况。

本案例研究借助原体大坝管涌溃决试验,将高密度电法仪应用在试验蓄水过程中,通过电极布设与探测,获取坝体蓄水期的视电阻率场分布与变化;结合水库蓄水期库水位上升、坝体渗流场发展过程资料,分析坝体电阻率场与渗流场之间的关系。

 

01

高密度电法及选用设备

高密度电法是以岩、土导电性的差异为基础,研究人工施加稳定电流场的作用下地下传导电流分布规律的一种电探方法。

本试验选用日本OYO公司生产的McOHM Profiler 4i高密度电法仪。该设备是具有4通道同时测量能力的高性能电法仪。

Profiler 4i高密度电法仪

Profiler 8i高密度电法仪

Profiler 8i是OYO公司在McOHM Profiler 4i高密度电法仪基础上推出的最新一代高密度电法仪。

McOHM Profiler 8i是一款8通道数字化高密度电法探测仪器。在McOHM Profiler 4i的基础上进行了全方位改进,仪器性能大幅提升。McOHM Profiler 8i是日本OYO公司首台加入IoT物联网兼容模块的高密度电法探测仪器,可配合云系统使用云分析服务,是未来电法探测自动化、智能化、高效化、信息化的先驱,引领最新的高密度电法发展方向。

McOHM Profiler 8i使用最新的高分辨率A/D转换技术,配有高度整合的接收装置,结合具有电极开关功能的Scanner-32 ,可以进行有效的二维电阻率勘探,采用配置10.1英寸高亮度液晶显示器和USB端口的平板电脑作为控制面板,具有高清晰度和便于操作的优点,体积小、重量轻、可外接USB 存储器。仪器控制器可显示电流波形、电位波形和衰减曲线。

性能指标

  • 使用Windows 10 Pro 64位 操作系统,操作性能强;

  • 电极排列多样,可选POLE-POLE,POLE-DIPOLE,DIPOLE-DIPOLE,WENNER-2D,STAGGERD-2D和ELTRAN- 2D等;

  • 8通道同步测量,提高测量效率; 

  • 可外接Scanner-32,电极数量可扩充到192个;

  • 配置Power Booster,输出电流最大可达1A;

  • 借助控制工具和内置时钟自动测量;

  • 利用衰减曲线实现数据质量现场控制等功能

 

该电法仪采用RES2DINV二维电阻率快速反演软件进行数据处理。

流程包括

  • 数据文件编辑,通过人工观察辨识,删除异常值;

  • 数据反演,通过实测值与反演视电阻率值之间的均方根误差统计计算,形成二维反演单元模型;

  • 视电阻率二维成像处理,成像显示两部分内容,一部分为原始视电阻率剖面图,另一部分是反演后的视电阻率剖面图。测量数据的反演,以平滑约束最小二乘为基础、以拟牛顿反演为准则的最小二乘法实现。经过若干次迭代,均方误差一般不大于10% 的反演结果即为地下岩土介质视电阻率分布的二维剖面图

 

02

溃坝实验设计与电极布置

试验水库大坝为粘性均质土坝,最大坝高达9.7m,坝顶长120m、宽3m。溃坝试验发生在原溃口位置填筑的新坝体,其尺寸结构试验坝溃口顶部长度17.6 m、底部长度4.8 m,顶部宽3m、底部宽38.4m。

在新坝坝顶轴距-0.5m处布置探测纵断面,布设32个电极,电极间距1.0m,总长度为31m( 覆盖两侧老坝体各6m) ,采用单极—单极模式测量。

在水库大坝蓄水期分别选择典型日期进行探测,共计探测4次,时间分别为4月22日(蓄水前)、5月4日(库水位42.20m,约1/3坝高)、5月12日(库水位44.50m,约4/5坝高)和5月21日(库水位45.60m,满库)。

 

03

探测成果分析

采用RES2DINV快速二维电阻率反演软件进行高密度电法仪数据处理,首先人工辨识删除异常值,形成二维反演单元模型,设置数据迭代均方差为5%(小于10%) ,反演获得的视电阻率二维成像。

4月22日(蓄水前)

5月4日(库水位42.20m,约1/3坝高)

5月12日(库水位44.50m,约4/5坝高)

5月21日(库水位45.60m,满库)

根据新坝体中心断面布置的渗压计观测资料,绘制5月4日、5月12日和5月21日典型时刻坝体浸润线及饱和土层分布场

典型时刻坝体浸润线及饱和土层分布场

根据高密度电法探测的基本原理,大坝土体含水量高、导电性强,其视电阻率相应就小( 图4中灰色区域) ,因此,可把视电阻率相对较小区域扩展过程理解为大坝土体含水量逐渐增大的表现。

从上述坝体电阻率分布与浸润线分布来看:

  1. 电阻率分布图呈现左右对称分布,从中间到两侧电阻率逐渐减小。其中,两侧各存在蓝色集中区域,反应出两端新旧坝体结合处含水量相对较高。

  2. 随着库水位升高,坝体浸润线随之抬升,大坝土体含水量区域扩大。相应坝体电阻率蓝色区域分布亦逐渐扩大,呈现出从两侧向中间发展的趋势,并最终连片。

  3. 在5月21日电阻率图谱中显示,低电阻率区域布满整个探测断面,这与库水位已基本到坝顶、大坝土体大面积饱和相对应

由此分析认为,高密度电法仪获得的坝体电阻率发展过程与大坝浸润面发展过程是一致的,一定程度上可以用坝体视电阻率分布反应坝体渗流场变化情况。

 

总 结

 

本实验将高密度电法仪应用于溃坝试验中,获得了水库蓄水过程中坝体视电阻率分布变化过程,并与渗流场发展过程对比分析,获得了较为理想的成果。

1

随着库水位升高,坝体浸润线随之抬升,大坝土体含水量区域扩大,相应坝体低电阻率区域分布亦逐渐扩大,并最终连片。

2

高密度电法仪获得的坝体电阻率发展过程与大坝浸润面发展过程是一致的,一定程度上可以用坝体视电阻率分布反应坝体渗流场变化情况。


高密度电法仪的实际应用中还应注意:

(1) 根据实际情况,电极间距布置可以疏密结合;

(2) 探测反演图像解析时,应紧密结合工程实际情况、渗流观测资料进行综合分析,相互印证。
 

参考文献:《高密度电法仪在溃坝试验中的应用研究》,谷艳昌、王宏巍、王宏等,水利水电技术,第46卷,2015年第3期
 

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