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工程物探从堤防隐患探测到堤防隐患监测的思考

文档作者：谢向文郭玉松马爱玉文档来源：黄河水利委员会勘测规划设计研究院		点击数：	更新时间： 2021年08月13日
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从堤防隐患探测到堤防隐患监测的思考
谢向文郭玉松马爱玉
黄河水利委员会勘测规划设计研究院,河南郑州450003)
摘要:本文通过从堤防隐患探测中所得到的启示,结合汛期防洪抢险的实际情况,提出
了对将来堤防隐思监测的地球物理参数的选择、方法和设备的思考
关键词:堤防隐患;地球物理;探测;监测
1前言
1998年洪水后,国家防总在湖南益阳组织了大规模的“堤防隐患探测仪器和技术
比测”。从此,堤防隐患探测在全国的大江大河堤防治理中轰轰烈烈地开展起米水利
部在制定“988”科技计划时,又将堤防隐患和险情探测仪器开发列人科技攻关项目
该项目研制成功后,使得堤防隐患探测技术设备达到了一个新高度。目前,隐患探测工
作正逐步规范化、标准化,已成为堤防工程加固管理的一项新措施。
堤防隐患探测只是在非汛期检查堤防工程质量时作用明显,而真正在汛期防洪抢险
中,无论是在探测速度还是在预警方面都作用不大,只能是在险情出现后,进一步确定
一下隐患造成险情发生的部位及通道,而不能提前预报险情出现的时间、地点及可能出
现的概率。这是探测所不能解决的问题。因此,堤防隐患监测工作的重要性日益显
现出来。
2堤防隐患探测中引起
的思考
2.1正常场的背景问题
在堤防隐患探测中常常会遇到一
些背景较为复杂的测段,由于堤身均
匀性极差,隐患相对发育,各种干扰
和异常相互叠加,致使背景波动起伏
图1堤防隐患探测电阻率实测剖面图
作者简介谢向文(1966-),男,山县人,高级工程师,主要从事工程物探研究与应用工作。
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从堤防隐患探测到堤防隐患监测的思考
较大,正常场无法准确确定,会造成异常幅度的判定偏差,减低了隐患探测的准确率
(见图1)。
我们将堤防隐患作为异常,首先要了解正常的背景,然后才能根据异常相对于正常
背景的幅度确定该异常是否为有效异常。所有理论都是将正常场的背景假设为均匀稳定
的,但在实际工作中,这种简单的背景是少数,多数背景都“不干净”,有干扰,会发
生畸变和扭曲。此时正常场的幅值就难以定准,通常会用各种滤波或加权平均等数值分
析处理来确定。这样以来还会压低异常幅度,但也很难确保不会发生偏差。由此看来,
复杂的背景是一种客观存在,要在某一时刻将有效异常提取出来是很困难的,应该在不
同时刻重复观测异常的变化,由此确定隐患的存在与否。也就是将隐患的探测改
为监测。
2.2电阻率图像与水位变化的关联度问题
在低水位情况下进行堤防隐患探测时,由于黄河大堤长期不靠水,裂缝、松散体和
孔洞等隐患在电阻率剖面中都是表-5
70
现为高阻异常形态。进入汛期特别-10
60
是在高水位下,由于河水上涨堤身15
50
40
电阻率降低,同时堤身内部渗透速-20
30
度不同,含水量发生变化,致使原3540550556065707580859020
来隐患的高阻异常转变为低阻异常
(见图2、图3)。
图2非汛期临河隐患探测电阻率图像
图2是1996年7月平水期所测
结果。图3是2001年8月东平湖连
续遭受暴雨袭击水位超警戒线出现-10
险情时的测试结果。由此可以看出-15
在水情发生变化时,堤防隐患在电
404550556065707580859095100
阻率图像中出现性质反转,由原来图3汛期高水位下背河隐患探测电阻率图像
的高阻异常变为低阻异常,其变化
过程与水位上涨过程有非常好的关联度。据此可以在汛期进行堤防隐患和险情监测。前
几年,中国地质大学王传雷老师也用高密度电法监测管涌发生、发展的试验,其电阻率
变化过程和水位变化过程有着极好关联度。
2.3堤防隐患探测成果的使用问题
黄河下游堤防隐患探测工作已开展了3年多,探测堤防长度约800km,测出隐患几
千处,然而河务部门对堤防隐患探测提交的成果认为没法使用。由于经费和财力有限,
不可能所有存在隐患的堤防马上全部进行加固处理,只能是逐步实现。那么先处理哪些
隐患?常言说“千里金堤溃于蚁穴”,因此不能仅仅按隐患的大小来分类,他们需要
隐患探测回答哪些隐患在汛期最有可能出险,由此来安排工程加固处理的先后次序。然
而隐患探测只能回答工程质量问题,无法回答堤防工程在汛期的抗洪能力,更别说隐患
是否会出险。那么要回答堤防隐患在汛期水情变化时是否将造成险情,只能是对堤防隐
患监控起来。况且在进行堤防隐患探测过程中,发现即使头年探测出的隐患进行了压力
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工程物探论文集
灌浆加固,第二年探测时隐患异常仍然存在;还有第一年探测为正常的好堤,第二年再
测时又出现了隐患。说明堤防隐患是一种动态的工作质量问题,靠一次探测解决所有的
隐患问题是不现实的。进行堤防监测才是解决这种工程动态质量问题的根本。
3汛期防洪抢险对物探的要求
在汛期防洪抢险时,急需了解的是哪里有险情,险情发生的时间和位置?对于物探
来讲,是如何在汛期快速查找可能发生险情的隐患,以及险情发生后如何快速查出造成
险情的隐患部位和通道。然而,就目前各种堤防隐患探测方法的速度,基本不能满足防
洪抢险的需要。
在汛期高水位情况下,堤防上散布着各种抢险车辆、人员和防汛物资。此时,开展
堤防隐患探测的剖面测线布设受阻。另外,汛期再来探测隐患,每天能够探测的工作量
也不能满足要求。即使发现局部渗漏也是首先进行抢险压护,不可能先探测再抢护。
汛期一切险情都是水情水位变化的结果。所以,汛期的各项工作必须紧紧围绕水情
变化来开展。比如当水位抬高时堤内浸润线的位置变化,是否在背堤坡面会出现溢出
点?堤身内部是否存在集中渗漏通道?等等。这些都需要尽早了解,以便为防洪抢险争
取更多的时间。
总之,汛期河务部门希望物探能够在不影响防洪抢险施工的情况下,快速、准确地
探出浸润线的变化,找到集中渗漏通道的部位,尽快发现隐患可能引起的险情等。
4未来进行堤防隐患监测的地球物理参数
在未来的堤防隐患监测中,必须考虑那些与水情变化有着密切关系的地球物理参
数。设计观测这些参数变化的方法和仪器。
4.1电阻率
电阻率是与水关系最为密切的地球物理参数。当汛期河水涨落变化时,地下水位也
会随之抬高降低,土堤内部浸润线也会发生变化,由于土堤内部筑堤材料和密实度不
同,造成土堤内部含水量和地下水渗透速度不同,反映在电阻率上的变化就是电阻率值
降低,而且降低的速度有快有慢,使得电阻率剖面图像随着水情的变化而变化。监测堤
防工程地下电阻率变化,可以观测堤内浸润线的变化,及早发现溢出点,预测堤内集中
渗漏通道的形成,预报管涌发生的可能。
4.2温度
堤身土体具有较低的热传导特性,当堤身或堤基存在渗漏时,即使很少的水流渗透
也会导致土体温度与渗漏水温相适应,它将引起原来土体温度场的局部发生变化。因
此,温度参数也是土体内渗漏监测非常灵敏的一个指标。以前堤坝温度测量是在坝或土
堤内打人一些中空竖管,把几个温度传感器成串装人管中进行温度测量。这只能进行点
测,覆盖范围有限,容易对渗漏通道漏检。最新发展的分布式光纤温度测量系统可以很
好地解决这一问题。
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光纤温度测量技术于1981年 Southampton由大学首先提出。自此以后,该方法得到
了持续发展,其基本测量原理在于光纤内传输的光在光纤沿程各点存在后向散射,这一
后向散射信号特性部分依赖于散射位置光纤的温度。分布式光纤温度测量系统可以精确
实施光纤沿程各点的温度测量,而且光缆铺设成本较低。堤防和坝体内的温度场测量可
以成为工程运行状态评估的有效手段,特别是对渗漏通道的监测更具有特别重要意义。
4.3极化率和减度
众所周知,离子溶液一固体电解质产生I效应的3个条件是:第一有带电的粘土
颗粒;第二有宽窄交替的空隙;第三空隙水中含有离子。大量的研究成果表明IP效应
产生的“极化电位”的大小和衰减的快慢与含水量、颗粒度、空隙结构大小、粘土含
量等因素有关。其特点:对于碾压密实的堤防结构来讲,由于粘土层密实均匀不存在宽
窄孔隙的交替,其IP效应不大,极化率和衰减度都很低;当堤防中存在松散层或隐患
时,粘土层的密实结构被破坏,并含有颗粒较大物质如中粗砂时,存在大小孔隙的差
异,其IP效应增大,极化率和衰减度都将提高。因此,我们通过观测堤防的IP效应的
强弱和衰减快慢,即极化率和衰减度的大小变化,就可以监测堤防渗漏的部位、规模形
态和强弱。
4.4电导率
汛期河水主要来自大气降水,其矿化度很低,河水的电导率也非常低。而地下水的
形成是降水通过垂向渗透缓慢渗入到含水层中,在长期的运移过程中地下水与地层中的
矿物质发生物理化学反应,如溶解、蒸发、浓缩等作用,使地下水的矿化度不断提高,
从而使地下水具有较高的电导率。电导率值的大小与地下水在地层中的停留时间有关,
停留时间越长,其电导率值也越高。当堤防存在强的透水通道时,地下水受到外江水的
补给越强烈,其矿化度越低。通过监测堤身和堤基内地下水的电导率变化及分布情况
便可以观测到堤防中的强透水部位。
4.5同位素
用13作为示踪剂,在堤防工程临河上下游的观测孔内分别投放,在临背河上下游
各观测孔中分别测试,采用单孔稀释法测定水平渗透流速和峰峰法测定井中地下水的垂
向流速,由此确定河水与地下水的补给、渗透关系、各地层的渗透流速和流向,从而发
现管涌形成的集中渗漏通道。
4.6音频
由渗漏发展成管涌时,堤身内外两侧水压差较大,河水通过透水的砂层时摩擦会产
生振动,在堤基处埋设钢管,放入拾音器即可拾取其振动音频,通过分析其音频的变化
可以对管涌进行预警预报。
4.7测斜
利用角加速度计测斜的原理,将重点堤防工程的水下根石和护岸设施监控起来,布
设成网状的“姿态加速度监测系统”,可以将水下岸边的地形坡度测量出来,当汛期洪
峰经过时,冲刷河岸,部分根石走失,形成蹦岸滑踏,此时在“姿态加速度监测系统”
中能够迅速测出水下三维地形,根据实时监测的水下三维地形变化,预报根石走失和蹦
岸发生的险情。
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工程物探论文集
5监测设备应有的基本功能
根据观测参数设计监测方法和仪器设备,各种监测仪器应组成一个联合作业的系
统,该监测系统应具备如下的基本功能:
(1)能够进行长剖面监测:因为堤防工程长度较大,裂缝、孔洞等隐患的实际尺
寸很小,如果采用一些短剖面或点测,就会漏掉隐患和险情,起不到监测监控的作用。
分布式光纤温度测量系统、高密度电阻率测量系统和高密度激电测量系统都可以进行长
剖面监测,能够控制几千米的堤防。
(2)快速实时监测功能:汛期的所有工作都必须得快速完成,每项测试都得快速
进行。否则,就起不到预测预报的作用。温度、音频和电导率等参数可以做到快速实时
监测。
(3)网络通讯功能:对于几百千米的堤防工程,需要监测的堤段很多,从上游到
下游汛期的水位变化,各堤段监测的资料都要向防办传送。因此,监测系统必须具有网
络通讯功能,这也是数字化防汛和管理的要求。
(4)数据自动化处理功能:各参数采集完成后,系统应能自动处理各种数据,对
多参数进行综合分析,根据各监测参数的变化趋势进行出险分析预报。这个过程只能是
计算机自动处理,完全靠人工分析判断是不行的。
(5)险情分析预报功能:监测系统最终是要提交堤防出险预报结果,对防洪抢险
起指导作用。如果只是收集汛期各参数的变化过程,那就失去了监测的意义。监测的目
的就是要进行预报。监测系统最终必须能够对险情作出何时、何处会出现的预报。
(6)应有与防洪数据库或防汛抢险地理信息系统接口的功能:根据目前现有数字
化防洪管理设施,要求堤防隐患检测系统的资料应纳入其中的防洪数据库和防汛抢险地
理信息系统,以便对所有资料的存档调用。
6结束语
汛期防洪抢险工作都是紧密围绕水情变化开展的。因此,堤防隐患的监测必须选择
那些与水关系密切的地球物理参数,设计合理适当的观测方法,研制多参数联合作业的
仪器设备,在堤防工程的险工险点和水工建筑部位布设监测断面,分析各参数的变化趋
势,预测预报堤防出险机率。通过深入研究地球物理技术在堤防隐患监测中可以发挥
重要作用。
由于笔者技术水平有限,所谈之处皆为堤防隐患探测工作得来的思路,并没有多少
实际研究试验工作,目的是引出堤防隐患监测的思路,难免存在谬误,敬请大家批
评指正。
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