高密度電阻率法對水庫大壩探傷應用實踐分析

馮 露,鮑 陽,孔楠楠,李 艷

(1.安徽省建筑工程質量監督檢測站有限公司,安徽 合肥 230000;2.安徽省(水利部淮河水利委員會)水利科學研究院,安徽 合肥 230000)

0 引言

近年來,地方政府部門出臺了許多措施,著力突出了推進智慧水利建設和打造數字孿生流域的重大意義,并努力提高數字化、網絡化和智能化程度。從利好政策上來看,智慧水利作為國家數字化強國戰略的重要部分,在帶動傳統水利行業發展、保障民生方面具有廣闊的發展前景。

智慧水利在水利工程質量控制方面的應用也有著廣闊的應用前景,水利工程往往涉及民生安全,代表著國家治理能力的重要方面,對于已建成的工程,如何進行質量管理與控制成為學者及管理單位需要高度重視的問題。高密度電阻率法利用計算機數字模擬技術通過對被測斷面進行高密度布點,從而對地電斷面進行實時測量,判定土體及巖層的地質賦存情況,為工程質量控制提供依據。該方法在地質勘查等領域已經有較多應用,取得了較好的應用效果,但在水庫大壩的探傷中應用較少,本文以高密度電阻率法在某應急水庫探傷中的應用為例,闡述該方法在水利工程中的實踐與應用。

1 高密度電阻率法概述

1.1 基本原理

不同斷面的巖層或土體由于所受構成元素以及存在狀態等的不同,表現出不同的電阻率數值,而高密度電阻率法即是利用不同的電阻率數值,通過將一根根接地電極將直流電導入至地下,從而建立穩定的電流電場,用以觀測某個物體與被測點在垂直方向或水平方向上的電阻率變化,進而了解土體或巖層的分布特點級規律。該方法通過對被測斷面進行高密度布點,了解地下穩定電流場的分布情況及規律,基于被測介質的導電性差異從而對斷面進行測量,該方法能清晰展示斷面構造的水平及縱向變化,從而為探傷提供詳實的依據(見圖1)。

圖1 電阻率法圖示

電流測線方法簡單,如圖二點一負一所示。A、B兩點為供電電極,M、N兩點則為測量電極,在AB供電點測量出供電電流I與MN之間的電位差V,電阻率按式(1)表示:

(1)

式中:ρ為巖層的電阻率,m;V為測量電極間的電位差,mV;I為供電回路的電流強度,mA;K為裝置系數,其計算公式見式(2)。

(2)

1.2 高密度電法裝置

高密度電阻率法是一種陣列式的探測方法,在進行作業數據采集時,將幾十數百根電極均勻布置于被測斷面,通過控制電機控制器和工程電測儀對整個測試面進行數據采集,得到測量視電阻率、正演視電阻率和反演視電阻率三種斷面圖[3]。最后,結合地勘等其他綜合物探資料進行分析, 以判定壩體潛在的隱患。顯然,高密度電阻率探測方法的應用和開發,使得方法探測的自動化水平大大提高[4]。

本次野外采集主要采用溫納裝置、偶極排列(beta)裝置,供電電壓為 288 V,電極距為 1 m,最大隔離系數為15 層。該裝置電極排列如圖2。

圖2 溫納裝置測量方式示意圖

該壩體的設計截面為倒梯形截面。在野外采集中,將AM=MN=NB設置成一個電極間隙,然后將A、B、M、N同時向右位移,就獲得了第一條剖面曲線;接下來再將AM、MN、NB增加一個電極間隙,同時將四點再次向右平移得到被測倒梯形斷面得到第二條剖面線。該裝置電極排列如圖3。

1.3 儀器設備

此次高密度電法檢測所采用的是由成都奔騰云南機械職業技術學院電氣工程專業研究所開發和制造的WGMD負九超大密度電法設備。本系統主要采用WDA-1、1A等超級數字直流電法儀作為測控主機,既可以選用WDZJ-4多路高壓電極變流器、集中式最大壓力導線、電極,進行集中式二維高密度電阻率測試;也可以選用分布式高密度電阻率的激電導線、電極,進行分布式二、三維空間高密度電阻比測試、分布式二維高密度激電測試。

WDA-1、1A主機采用RS232串行口的WDZJ-4多路高壓電極變流器,并按照工作電極排列的規定將A、B、M、N極和電極1～60中的高壓電極進行連接從而實現了配電和檢測功能,具體見圖4。

圖4 高密度電阻率檢測裝置野外安裝的情況示意圖

2 某應急水庫中的檢測應用

2.1 工程概況

某型應急水電站建于一九九六年,正常庫容為60萬 m3,屬零點五地上型的避咸蓄淡重視程度水庫,一般庫底高程2.0 m,最高蓄水位高程9.0 m,水庫壩頂防浪墻高程為10.03 m。水庫建成至今已近30 a,未對其運行狀況進行過檢查。本次采用高密度電法對水庫進行堤身淘空、墊層散失及岸坡滲漏情況進行堤身綜合檢測探查。

該應急水庫原為通過抽取墅溝河水,間接取用長江原水。2017年通過新建陳行原水入庫管至該應急水庫,使該應急水庫常用原水水源由墅溝河水改為陳行原水,確保嘉定地區的自來水供水安全。新建該應急水庫入庫管作為原水廠應急水庫與陳行水庫之間的連通管,實現了原水廠應急水庫與陳行水庫之間的聯動,在日常的原水供應中,通過陳行水庫與原水廠應急水庫之間的調配,原水廠應急水庫作為應急備用水庫,可以大大提高嘉定區原水供應的可靠性。

原水廠應急水庫60萬 m3的庫容,可以成為陳行水庫的外延庫容,增加了陳行水庫避咸蓄淡的原水儲備能力,提高陳行原水系統的整體抗咸潮保證率。該應急水庫堤身現狀如圖5所示。

本次檢測重點是通過有損檢測與無損監測相結合的方式檢測堤體的安全隱患程度和分布狀態。對堤體淺層的可能出現水質安全隱患的地方進行挖坑檢查。對堤身深層局部可能存在質量安全隱患的部位,可采用高密度電阻率法、地質雷達法、瑞雷面波法等地質物探的方法進行綜合檢測。本次計劃采用地質雷達法對大堤進行全面掃描,在發現異常的區域采用高密度電法及瑞雷面波法進行復查,判斷異常區域滲漏情況。此外,還需對運行管理過程中發現的可疑區域進行重點檢查。

2.2 數據收集

本次電法工作裝置類型均為溫納裝置,電極總數為60個,電極間距為2 m。共布置3 條測線,其中,第1條測線位于北側堤身,第2條測線位于西側堤身,第3條測線位于東側堤身。各測線電阻率剖面圖見圖6～圖8。

圖6 北側江堤剖面圖

圖7 西側江堤剖面圖

圖8 東側江堤剖面圖

2.3 檢測成果

本次電法工作布置的三條測線各測線電阻率在剖面圖上分布較均勻,物性分層明顯,下部土體呈現高阻,土層密實,未見較為明顯異常。其中測線1局部地表層電阻率相對較低,存在低阻體,建議加強觀察。

3 結語

高密度電阻率法探傷是無損檢測在水利工程中綜合運用、發揮綜合效益的具體體現,該類無損檢測方法具有工作效率高、收集信息直觀豐富、數據可靠詳實等特點,大大提高了無損檢測的智慧化、自動化水平,在基于“互聯網+智慧水利”的新業態發展下,水利工程質量檢測技術水平必將得以長效的發展與提高。