自然電場概率成像方法在堤壩滲漏檢測中的應用

顧廟元

摘 要：本文研究了二維情況下自然電場概率成像方法，對堤壩滲漏形成的自然電場的機理和特點進行系統分析，抽象出了一個合理電學模型。對一個實際資料進行了概率成像處理，對比GPR、地震映像法剖面，證實了自然電場概率成像方法在堤壩滲漏檢測中的可行性。

關鍵詞：堤壩滲漏；自然電場（SP）；概率成像；防滲墻

中圖分類號：TV64 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2018）9-0058-02

堤壩和防滲墻的滲漏是水利工程的重大安全隱患，滲漏檢測已成為一個亟待解決的技術問題。利用自然電場檢測堤壩的滲漏隱患，解釋推斷出集中滲漏帶的寬度、埋深、走向以及滲流的時空動態，為工程除險加固提供可靠的技術資料，將具有重大的社會意義。目前，自然電場法的解譯方法主要為基于自電曲線形態的定性解釋方法。鄭燦堂[1]依據全國各地進行的數十座水利工程的原位測試資料，將滲流在自電曲線上的反映歸結為窄幅異常、寬幅異常、寬幅雙峰異常、多峰異常和塔式異常五種基本形態。定性解釋方法的應用效果主要依賴于工作人員的經驗。

1997年，Patella[2]提出了一種自然電場異常解釋的新方法——概率成像法。它利用測量的地面電場與電場掃描函數進行歸一化的互相關運算，通過定義電荷在測量區域中分布的概率密度， 確定電荷的分布。楊磊[3]等通過連續監測野外試驗場的自然電位場，獲取連續的自然電位平面圖，直接獲知了土壤水分在平面上的主要入滲區域，同時借助自然電位成像方法，揭示了土壤中水分運移的主要通道，并探測出兩個地下孔洞的位置。

根據堤壩滲漏的電場特征以及自然電位沿堤壩測量的特點，提出了二維線電荷模型概率成像方法，并將其成功應用到某堤壩滲漏檢測項目中。

1堤壩滲漏形成的自然電場分析

土壩的壩體和壩基都具有一定的透水性，滲漏現象是不可避免的。將能夠引起土體滲透破壞或滲漏量過大影響水利工程的，稱為異常滲漏。異常滲漏是堤壩的重大安全隱患，它往往會逐漸發展，形成對壩體或壩基的破壞，嚴重的能夠導致垮壩決堤。

常見的自然電場有兩類：一類是區域性，其分布特征與地質構造的起伏有關；另一類是局部區域的電流場，它往往和金屬礦床的賦存或地下水的運動有關。與堤壩滲漏形成的自然電場異常主要為過濾電場（如圖1）。巖土顆粒的晶格在其表面表現出有過剩的離子價鍵，它將吸引溶液中的異性離子，并使其附著在自身的表面。擴散區溶液的正離子受孔壁離子層的吸引較弱。因此，溶液能平行于孔壁自由流動，而把正離子帶走。從而水流的上游側負離子較多，而在水流下游側正離子較多，形成過濾電場。

依據過濾電場的形成機理，將集中滲漏通道抽象為這樣一個電學模型（如圖2）：在滲漏入口聚集較多的負電荷，形成一個負電荷體；沿著滲流通道聚集了一定量的負電荷，可近似看作一個線電荷；在滲流通道的出口處則聚集較多正電荷，形成一個正電荷體。

2自然電場概率成像方法

建立直角坐標系，x、y軸沿水平方向，z軸指向地下。地面上沿x 方向的電場可表示為：

是第q個電荷的強度， 是電荷的坐標。

引入三維電場掃描函數如下（SDS函數） ：

定義電荷概率成像函數（COP函數） 如下：

SDS 函數可看成是一個位于，強度為1 的正電荷形成的電場，而COP 函數是一個歸一化的互相關積分，其絕對值不大于1。它的值分布僅與電場函數有關，即與地下電荷的分布有關。因此，可以用的分布規律來描述地下電荷的分布。顯然，的正值是受正電荷集中的影響，而負值是受負電荷集中的影響。畫出的等值線圖，可將極值處解釋為電荷最有可能出現的地方。

依據滲漏帶通道中的電荷條帶狀分布特征，推導出線電荷模型的概率成像方法。線電荷在地面上產生的沿x 方向的電場可表示為：

引入對應掃描函數可以推導出概率成像函數：

其中。

3實例效果分析

工區位于湖北省荊州市公安縣的荊南官支河左岸，堤壩為松散土壩，沿堤壩已修建防滲墻，但汛期時局部地段仍有滲漏現象。由地質鉆孔資料可知該堤壩的地質概況：最上部為厚約9米人工堆積黃色沙壤土層，往下為厚約1.5～2米自然淤積黑色淤泥層，最下部為黑色淤積粘土層。自然淤積黑色淤泥層與黑色淤積粘土層局部夾有厚約0.3～0.5米的自然淤積黑色粉砂透水層。這層透水的粉砂層為堤壩滲漏的主要部位。按照設計要求，防滲墻至少嵌入不透水層1.5米，以達到防滲止漏的目的。堤壩垂直防滲施工是在具有合理孔距的成排鉆孔中，注入漿液使各孔中灌漿體相互搭接形成一道類似帷幕的混凝土防滲墻，以此截斷滲流，從而達到防滲堵漏的目的。防滲墻施工中質量缺陷會使得防滲墻在橫向上、縱向上出現不連續或者防滲墻未達到設計深度。在汛期地下水位上升時，這些質量隱患會使地下水流場在防滲墻兩側產生更大的水力坡降，使得防滲墻的薄弱部位更容易發生滲漏問題。在這種情況下防滲墻施工不僅沒有達到防滲止漏的作用，反而產生新的隱患。

本次自然電場法采用重慶奔騰數控所研制的WDDS-8型多功能直流數字電測儀。沿堤壩布置自然電位測量測線，測量范圍9300～9540m。一對測量電極（M及N）用導線和儀器相連，構成測量回路。測量電極為Pbcl固體不極化電極，測量導線為普通銅芯線，采樣間隔為2m。測量時將N極埋置在遠離滲漏區且電場穩定的正常場區內，M極沿測線或測網逐點移動，進行電位測量。一般是在已發現了滲流逸出點，但滲漏通道及入滲點的確切位置不知道的情況下，用自然電場法探測滲漏通道的空間位置，并判定其滲漏強度的。因此，可先從已知的滲流逸出點附近開始，平行堤壩軸線布設測線，測線間距可靈活掌握，以能夠連續追索到異常點為目的。

自然電位概率成像剖面（圖3）上出現一系列正負相間的異常，這些負值異常點很有可能與滲漏通道有關。自然電位概率成像剖面與地震映像法剖面、GPR剖面具有較高的相關性。概率成像結果的分辨率并不高，尤其是縱向分辨率，其往往成豎條帶狀分布。

堤壩滲漏的形成機理較為復雜，不同的檢測方法檢驗的只是其某一個方面的特征。自然電位異常直接與滲漏帶相關，而地震映像、GPR剖面顯示的是防滲墻的質量缺陷。滲漏通道常與防滲墻質量缺陷直接相關，透水層處的防滲墻質量缺陷通常會造成規模的異常滲漏。

4結論與建議

本文將對自然電場概率成像方法進行系統研究，分析了堤壩滲漏產生的自然電場的特征。在此基礎上將自然電場概率成像方法應用到堤壩滲漏檢測中。通過對比實測地震映像和GPR剖面，證實了自然電場概率成像方法在堤壩滲漏檢測中的可行性。

滲漏形成的自然電場隨時間的變化趨勢本身包含著滲漏形成、變化的重要信息。因此發展自然電位多道實時采集技術，實時監測堤壩滲漏狀況是未來的發展方向。

參考文獻：

[1]鄭燦堂.應用自然電場法檢測土壩滲漏隱患的技術[J]. 地球物理學進展， 2005，20（03）：854-858.

[2]Patella D. Introduction to ground surface self‐potential tomography[J]. Geophysical Prospecting， 1997， 45（04）： 653-681.

[3]楊磊，周啟友.基于自然電位方法的土壤水分入滲過程監測[J]. 水文地質工程地質， 2012，39（03）：1-5.