高密度電阻率法在堤防隱患探測中的應用

1、高密度電阻率法在堤防隱患探測中的應用,學生姓名： 張曉周學 院： 地球探測科學與技術學院專 業(yè)： 勘查技術與工程班 級： 230606學 號： 62060614指導教師： 李宏卿 副教授,論文結構,,我國是個水患頻發(fā)的國家，堤防安全與人民生活息息相關，這就需要我們能找到一個非常有效的方法來對堤防隱患進行評估。土壩作為治理黃土高原水土流失、改善生態(tài)環(huán)境、減少入黃泥沙的關

2、鍵性措施受到了社會廣泛關注,且在水土保持工作中土壩是溝壑治理的主要措施之一，所以本文以土壩為堤防的代表研究對象具有較為普遍的價值。物探方法可以在不破壞大壩的情況下，較為準確的反映出各種隱患，其中高密度電阻率法因其高密度電法具有小點距、數(shù)據(jù)采集密度大、施工效率高和分辨率高的特點在我看來是較為優(yōu)選方法。,研究背景,研究意義,如果大壩失事,下游猝不及防,致使人民生命財產(chǎn)和經(jīng)濟文化遭受重大損失。通過調(diào)查分析土壩各種隱患的物性特征，并以此來檢查出

3、隱患位置、程度并加以修補,防止或減少各種安全事故的發(fā)生有著極為重要的意義。而本文是在自建模型基礎之上進行研究，通過模型模擬各種隱患的形式以及其在正反演圖像上的表現(xiàn)進行分析，并與所建模型比對驗證精確程度，從而為野外施工提供可靠支持。,高密度電阻率法系統(tǒng)及特點,高密度電阻率法系統(tǒng)高密度電阻率法是根據(jù)水文工程及環(huán)境地質(zhì)調(diào)查的實際需要而研制的一種電探系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)的采集和資料處理兩部分?，F(xiàn)場測量時，只需將全部電極布設在一定間隔的

4、測點上，然后用多芯電纜將其連接到程控式多路電極轉換開關上，電極轉換開關是一種由微片機控制的電極自動轉換裝置，它可以根據(jù)需要自動進行電極裝置形式、電極距及測點的轉換。測量信號通過電極轉換開關送入微機工程電測儀，并將測量結果依次存入隨機存儲器后，將數(shù)據(jù)回放到微機上便可按給定程序對原始資料進行處理。高密度電阻率法與常規(guī)電法相比，具有成本低、效率高，反映信息豐富、直觀，資料解釋方便等特點，也因而使得電法勘探能力顯著提高。,高密度電阻率法系統(tǒng)及特

5、點,高密度電阻率法相對傳統(tǒng)電法的特點 高密度電阻率法采用直流激發(fā)源，抗人為噪聲干擾，對勘探現(xiàn)場無破壞作用。相對其它物探技術，在城市人口居住區(qū)或工業(yè)區(qū)周圍的探測具有明顯優(yōu)勢。它相對于常規(guī)電阻率法具有如下優(yōu)點： (1)電極布設一次完成，測量過程中無須更換電極，這不僅減少了因電極設置引起的干擾和故障，減小了測量誤差，而且大大提高了工作效率，為野外數(shù)據(jù)的快速采集和自動測量打下了基礎。 (2)能有效的進行多種電極排列方式的測

6、定與組合掃描測量，提供數(shù)據(jù)量大、信息多，因而可獲得豐富的關于地電斷面結構特征的地質(zhì)信息。 (3)野外數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)了自動化或半自動化，不僅采集速度快，而且避免了由于手工操作帶來的誤差和錯誤，減輕了勞動強度。并且觀測精度高，分辨率高，探測的深度也很靈活。(4)可以對資料進行預處理并顯示剖面曲線形態(tài)，脫機處理后還可自動繪制和打印各種成果圖件。,第一章土壩知識及相關堤防研究,第一章土壩知識及相關堤防研究,我國土壩概況 我國

7、土壩堤防修筑年代久遠，有的土壩堤防從宋代起已經(jīng)開始修筑，至今已有800多年歷史。堤身經(jīng)歷次填筑，土料就地取材，填土不勻，結構復雜，常有樹根、秫秸等物埋入堤內(nèi)，天長地久，腐爛成隱患。此外，我國堤防絕大多數(shù)由人工填筑，有的經(jīng)人工夯實，有的甚至未經(jīng)夯實，堤身密實度低，普遍存在缺陷，病害種類繁多。而目前我國有大壩86000多座，其中大部分是上世紀50~60年代修建的中小型土壩。從2007年開始，三年時間，國家投入巨資，對6240座病險壩進行除險

8、加固，消除病害，保證大壩安全運行。對于病險壩內(nèi)部存在的裂縫、松散區(qū)、不均勻區(qū)、滲漏通道等各種隱患，只有采用專用儀器設備才能探測清楚。為除險加固工程設計提供可靠依據(jù)而土壩作為治理黃土高原水土流失、改善生態(tài)環(huán)境、減少入黃泥沙的關鍵性措施受到了社會廣泛關注,且在水土保持工作中土壩是溝壑治理的主要措施之一。,第一章 土壩知識及相關堤防研究,土壩的結構及防護土壩結構土壩堤防修筑前未作基礎處理，基礎薄弱。土壩堤防基礎一般為二

9、元結構，即上層為幾米到十幾米厚不透水的覆蓋層，主體為粘土；下層為十幾米到幾十米厚透水的沙礫石層和細沙層原始沖積層。土壩堤防建在覆蓋層上，二者成為一體，像是一座擋水墻浮在透水的沙礫石上。一般土壩大體分為均勻土壩，有粘土墻心土壩，以及有迎水面防滲層土壩。而這幾種土壩還可以增加排水設施，土壩的斷面形式主要決定于地質(zhì)情況與壩旁用作筑壩材料的土料。,圖1均質(zhì)土壩,圖2壩心有防滲墻的土壩,圖3有排水棱體土壩,圖4有防滲層土壩,第一章 土壩知識及相關

10、堤防研究,土壩隱患、險情及預防,堤防隱患（缺陷）分類 由于堤防修筑質(zhì)量差、堤身高度不夠、經(jīng)多年水力沖刷帶走細顆粒土、基礎塌陷造成不均勻沉降和生物侵害等原因，造成堤防存在多種缺陷，或稱為隱患。有的隱患存在于堤身內(nèi)，也有的存在于覆蓋層和淺層基礎內(nèi)。當這些隱患發(fā)展嚴重時，遇高洪水位，堤防發(fā)生滲漏。通俗地講，歸納起來，堤防的隱患有3類：（1）洞：蟻穴、鼠洞、爛樹根、塌陷產(chǎn)生的空洞以及淺層基礎內(nèi)細顆粒土被沖走形成的孔洞等；（2）縫：縱縫、

11、橫縫、斜縫、隱蔽縫、開口縫等；（3）松：密實度低（孔隙率大）或填料為沙土等。,第一章 土壩知識及相關堤防研究,土壩隱患、險情及預防,堤防出險的表現(xiàn)形式 由于不同堤段存在的隱患類型不同，高洪水位時，堤防出險有多種表現(xiàn)形式：（1）漫頂（2）管涌（3）散浸（4）滑坡（5）崩岸（6）裂縫：基礎不均勻沉降、滑坡等原因使堤身產(chǎn)生裂縫。（7）塌陷,第一章 土壩知識及相關堤防研究,土壩隱患、險情及預防,土壩隱患、險情評估與防治 壩體隱患

12、探測的方法可分為破損法和無損法。破損法包括人工破損探測包括坑探、槽探、井探和鉆探等。及同位素探測包括利用壩體已有的測斜管,投入放射性示蹤劑,以核探測技術進行觀測。但這種方法破壞土壩原來結構，而且費時費力。近十幾年來,無損探測方法，計有：瞬變電磁法、頻率域電磁法、高密度電法、探地雷達、表面波法、淺層反射地震法、放射性同位素法等。而本文就以高密度電阻率法為例來研究一下無損法探測在土壩堤防中的評估應用。,第一章 土壩知識及相關堤防研究,土壩隱

13、患、險情及預防,,險情防治：管涌：1)反濾圍井 2）養(yǎng)水盆3）濾水壓浸臺而對于散浸、滑坡、崩岸都只能加固土壩體，來防止發(fā)生。對于裂縫可以有兩種辦法（1）沿裂縫向下挖壕,一面挖土,一面尋找裂縫,直至裂縫挖盡為止。壕的寬度以便于施工為原則,一般壕底寬度有0.8～1.0m即可。壕兩側要有一定坡度,并且坡面要整齊,以利結合。（2）灌漿法:灌漿法就是用泥漿填灌裂縫。灌漿法的優(yōu)點是:①堵塞質(zhì)量好,由上到下灌漿密實;②比較省工;③與原土可以

14、密切結合。,第二章 高密度電阻率法理論及野外工作,第二章 高密度電阻率法理論及野外工作,高密度電阻率法理論高密度電阻率法工作原理 高密度電阻率法與常規(guī)直流電法一樣，是以探測地下目標體與圍巖之間的導電性差異為基礎的一種地球物理勘探方法。當人工向地下加載直流電流時，在地表利用相應儀器觀測其電場分布，通過研究這種人工施加電場的分布規(guī)律來達到解決地質(zhì)問題的目的。因此我們就要研究在施加電場的作用下，地層中傳導電流

15、的分布規(guī)律。,第二章 高密度電阻率法理論及野外工作,野外工作,野外工作準備階段1.確定適宜的布線條件2.分析探測對象3.收集相關資料4.確定觀測裝置及電極極距5.確定探查深度和測線長度6.電極布設7.場區(qū)地形和人工構造物的影響,圖5 野外施工測線布置示意圖,第二章 高密度電阻率法理論及野外工作,野外工作,野外接地電阻測試階段 進行數(shù)據(jù)采集前，必須先檢測接地電阻，確保各電極接地電阻準確無誤后，再進行各種裝置的測

16、量實驗。根據(jù)野外實踐經(jīng)驗，本文把野外電阻測試階段遇到的問題：（1）接地電阻檢測過程中，如發(fā)現(xiàn)某電極電阻大于100 KΩ·m，系統(tǒng)會自動停止檢測，重新進行合理布設。（2）在接地電阻檢測過程中，如發(fā)現(xiàn)接地電阻全部為零，表明電極短路。（3）在接地電阻檢測過程中，電阻值固定不變。原因是電極轉換開關上的MN與主機上的MN接線柱接反（4）在野外檢測接地電阻時，我們需要時刻觀察各電極電阻情況，如發(fā)現(xiàn)電阻過大或過小。,第三章 土壩模型正反

17、演及解釋,第三章 土壩模型正反演及解釋,建模,隱患較復雜的土壩模型0代表表面較干黃粘土層 1代表裂隙中空氣 2代表土壩主體粘土 3代表壩基部，砂、石、土沉積物 4代表裂隙塌陷中充水,圖6 隱患較復雜的土壩模型圖,第三章 土壩模型正反演及解釋,跑極,溫納—斯倫貝模式介于溫納和斯隆貝爾之間，這種模式跑極方式實現(xiàn)與斯倫貝謝相同，即M,N極間隔不變A，B極像兩邊極距增大，類似于電測深，從而形成矩形測圖，但隨著測量深度加深，測量電流也隨

18、之減小，進而影響測量精度，我們利用溫納方式加大電極距來加大測量電流，再重復上邊測量，而形成總體倒梯形測兩端面這就是溫納—斯倫貝謝模式。它適用于固定斷面掃描測量，測量端面為倒梯形，其電極排列如圖7:,圖7 溫納--斯隆貝爾裝置電極排列,第三章 土壩模型正反演及解釋,跑極,溫納模式的電極排列規(guī)律是：A,M,N,B(其中A,B是供電電極,M,N是測量電極)，AM=MN=NB為一個電極間距A,M,B,N逐點同時向右移動，得到第一條剖面線，隨著間

19、隔系數(shù)n由n（最小）逐漸增大道n（最大），四個電極間的間距也均勻拉開。該裝置適用于固定斷面掃描測量，其特點是測量斷面為倒梯形，電極排列如圖8:,圖8 溫納裝置電極排列,第三章 土壩模型正反演及解釋,跑極,偶極—偶極模式裝置適用于固定斷面掃描測量，測量時，AB=BM=MN為一個電極距，A,B,M,N逐點同時向右移動，得到第一條剖面線；接著AB=MN不變使BM=2MN，A,B,M,N逐點同時向右移動，得到另一條剖面線；再令BM=3MN這樣不

20、斷掃描測量下去，最多可使BM=6MN得到倒梯形斷面，其電極排列如圖9:,圖9 偶極--偶極裝置電極排,圖10 隱患較復雜的土壩模型正演視電阻率圖,第三章 土壩模型正反演及解釋,RES2DINV反演,,在原理上，二維或者三維反演與一維反演是一樣的。都是通過模型參數(shù)化，計算相應的模型響應，擬合觀測結果，并基于擬合情況校正模型參數(shù)，直到滿足一定迭代終止條件。本文所用為圓滑最小二乘法首先假設反演的視電阻率模型是由許多電阻率值為常數(shù)的矩形塊組成如

21、圖，通過迭代非線性最優(yōu)化方法確定每一小塊的電阻率值本文利用平滑限定條件下的最小二乘法，所求出的電阻率值(模型參數(shù))與實際測量的視電阻率值將非常接近。,圖11模塊單元式電阻率層點排布圖,第三章 土壩模型正反演及解釋,RES2DINV反演,由上圖可知測線長為150m，單位電極距為3m，探測深度約為11.5m在27m—30m之間有一豎直方向極高阻異常，由0.2m向下延伸到約4.5m。但由于其頂部電阻率較中心小，故可推測其沒有貫穿到表面，推測為

22、大的裂縫，或是塌陷空洞。在99m—102m之間又有一豎直方向異常，向下延伸到約7m。其上部為高阻異常且高阻中心在表面，可推測其裂縫已經(jīng)貫穿到表面，此裂縫下部為低阻異常，其阻值約為10Ω·m，低于土壩主體黃粘土電阻率，懷疑裂隙充水。在57m—66m之間深度在8.5m以下有一低阻異常阻值約為10Ω·m，其貫穿到下層原始砂、石、土層，但由于探測深度限制不知其向下延伸深度。此異常略呈圓形。由于其所在位置為土壤粘合度較小層位，

23、故懷疑其可能是管涌通道。,圖12隱患較復雜的土壩模型正演視電阻率圖,第三章 土壩模型正反演及解釋,RES2DINV反演,圖13沒有任何隱患的均質(zhì)土壩體模型圖,圖14沒有任何隱患的均質(zhì)土壩體模型正演視電阻率圖,圖15沒有任何隱患的均質(zhì)土壩體模型反演電阻率圖,第三章 土壩模型正反演及解釋,RES2DINV反演,圖16表面存在裂隙且并不深的均質(zhì)土壩體模型圖,,圖17表面存在裂隙且并不深的均質(zhì)土壩體模型正演視電阻率圖,圖18表面存在裂隙且并不深

24、的均質(zhì)土壩體模型反演電阻率圖,總 結,本文以模型作為正反演基礎，經(jīng)反演得出三模型的電阻率勘測相應，對于第一個模型，反演圖像分三層，各層深度分別為1m，9.5m，9.5以下，實際模型各層深度分別為0.8m，10m，10m—15m基本吻合，各層電阻率，反演圖分別為35Ω·m，24Ω·m，115Ω·m。模型分別為40Ω·m，25Ω·m，120Ω·m也基本符合。而在各裝置對此模

25、型反映效果上溫納—斯倫貝謝模式最好，因為其有著很好的橫向和縱向分辨率，對低阻圈閉又較好，而土壩主體電阻率較低。適合用來分層。 其高阻異常所在位置與模型完全一致，向下延伸深度反演分別約為2.m，1m。模型分別為1.8m，0.8m也基本符合。在各裝置比較重溫納模式對此模型異常效果反應最好，因為溫納模式有較好的縱向分辨率對這樣較小異常有較好反應效果。對于第三個模型，同于前兩個模型，土壩主體與模型有很好吻合，對于異常阻

26、值模型高阻為大于560Ω·m低阻約為10Ω·m，低阻吻合，高阻雖然相去甚遠，但考慮其被較低阻包圍也可以忽略。異常所在測線位置完全吻合，其深度分別約為0.2m—4.5m，7m，8.5m以下。實際模型中分別是0.25m—4.5m，6.5m，10m以下基本吻合。本模型是選用偶極—偶極裝置效果最好，這種模式水平方向的分辨率較好?？紤]到探測深度較淺，需加大電極距影響精度。 但由于時間倉促，以及本人技術