英国巴特利大坝渗流应对措施研究

[美国] .科夫德 等

英国巴特利大坝渗流应对措施研究

[美国]V.科夫德 等

Willowstick方法论，由磁电阻率法发展而来，能快速识别地图与模型优先渗流路径。以英国巴特利大坝为例，利用该方法在大坝的上下游均布置电极。上游电极布置在水库中，下游电极通常布置在渗流区，利用测得的数据进行反演算，以此预测电流通过地下研究区的三维分布状况，以追踪到优先的渗流路径，并对具体的渗流问题作出合理解释。对研究方法及案例的研究过程进行了简单介绍。

大坝渗流；渗流处理；巴特利大坝；英国

1 概 述

Willowstick方法论，由爱德华兹(Edwards)和纳博特(Nabighian)的磁电阻率法发展而来，是专门为优先选择渗流路径和最高传输率的区域而设计。这是一种能快速识别地图和模型优先渗流路径的方法,就像血管造影一样，能使医务人员“看见”人体内血液流动的路径。该方法能够快速地作出2D或3D渗流路径地图和模型。

通过建立一个在地下水中具有鲜明标识的电路追踪，就能使该方法得以运用；通过测量标识过的磁场，揭示地下电流的分布和流动情况。处理所测得的数据并将其与来自一个理论上均匀的地球模型而预测的磁场相对比，突出“均匀”模型的偏差。最后生成二维图形和三维模型，并结合利用其他一些水文数据，即可提供清晰的优先渗流路径。

2 研究方法

研究一座渗漏的大坝，是利用布置在大坝上、下游的电极来进行的。在上游，通常会将电极布置在水库中，而在下游，电极则通常被布置在渗流区、观测井以及渗流采集系统，比如坝趾排水层，以便于监测到水流渗入坝体。将连接电极的线路布置在研究区周围的一个大型回路中,以使线路中电流流动所产生的互相干扰最小。

由于磁场的测量值只能在地球表面获得，这对于确定优先电流深度测量来说是一种挑战。因此,对数据进行反演算(通过数学模型)，来预测电流在通过地下研究区的三维中的分布情况。反演算模型也被称为电流分布(ECD)模型。

3 巴特利大坝案例研究

在案例中，有2条优先渗流路径。塞温特伦特自来水(SevernTrentWater)公司在渗漏区域内或其附近钻了4个孔,依次为BH1、BH2、BH3和BH4。在BH1、BH2和BH4孔中深度大约为20m处，钻井液消失在厚6m的裂缝性砂岩层中。钻井液在下游排水系统中出现的时间约为10min。但是在BH3孔中，钻井液并没有消失，这是由钻孔钻取距离可以说明的渗漏路径最远的地方。对业主来说，下游钻井液的出现使他们坚信自己的研究结果。就大多数土石坝而言，较成功地设计是，所用的填筑材料能防止渗流路径的发展。然而，由于裂缝、断层、风化层以及其他渗透性区在施工过程中不易显现，因此要预测基础渗流就会相当困难。

在这个例子中，在没有开展地球物理勘探的情况下，不可能对大坝下的优先渗流路径进行比较全面的描述。

该方法在许多方面不同于传统的电阻率和其他的电磁(EM)方法。首先，它利用水的含量是提高地下土壤和岩石电导率的主要因素。其次，直接激励一个地下导电介质，电流可以更有效地"照亮"影响较少的上覆土料的负担。该方法测量是利用由电流追踪模式所产生的磁场，这样有助于表征优先的地下路径；因此，它不需要像传统的电阻率一般直接接触或电偶测量 。因为该方法是在低频率下操作，测量导体直接通电即可产生磁场，对于用其来描述地下标志性水深具有潜力。

像EM和电阻率法一样，该方法更强调导电和电阻区，以及其在最佳环境下的水饱和程度变化(在干区和高度饱和区之间)中所起的作用。

然而，该方法同样也适用于一个完全饱和的环境。当电传导主要发生在一个开放的孔隙饱和矩阵中时，电气和液压电导率之间存在着正关联，即水力传导率在高电导率区可以得到追踪。当电传导主要发生在孔的表面，比如在潮湿的粘土中，正相关就可能消失，事实上可以成为一种负相关。

在每一种环境中，该方法可提供突出的、变化显著的有效孔隙度边缘区域一些有价值的信息，从而揭示该区域是地下优先流动与不流动的地方。

为了更好地说明这一点，可以考虑以河流中一块巨石周围的水流为例。即使巨石本身不能直接被观察到，但它周围水流的模式和方向仍然能够展现它的形状和位置。

一个体积的电流密度可以用许多相同的方式表现。如果认为情况相反，在由一个较大的导电体来吸引电流流过其本身时，模拟的会更像是深层排水的急流，这样才会将水流的流向引向自己。从水流表面的异常梯度就会发现渗漏的位置，就像是一个导电体电流密度的增加会显示它的位置一样。

4 结 论

针对Willowstick研究方法，塞温特伦特自来水公司大坝和水库运营负责人伊恩·霍普(IanHope)表示，巴特利水库下面出现渗漏的时间很长，应当试图找到其渗漏路径以设法减少渗漏或者止住渗漏。对此，曾经委托专业机构进行调查，并通过采用阿特金斯(Atkins)一种Willowstick研究方法，确定了可能会有2条渗流路径的精确位置。经过专家对检测方案的审议和批准，依据钻取4个孔进行研究的结果，来检验渗流路径的位置，并在试验压力灌浆之后立即钻井。

事实证明,通过Willowstick研究，可以非常准确地追踪到渗流路径，因而完全可以将该方法推荐到类似的应用领域。

总之，该方法结合其他样品或者测试数据的正确应用，通常会获得更好的成本效益，而且能够精确地表征渗流。该方法被视为一种可以开展探索性工作的手段，比如钻井作业，并可以对具体的渗流问题作出合理解释。

(黄丽瑾 许 俊 编译)

2015-01-07

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