堤坝隐患的天然源面波成像试验研究及应用

潘纪顺, 高东攀, 冷元宝, 李传金 , 吕芝全, 朱四新, 朱 瑞, 赵 详

(1.华北水利水电大学,河南 郑州 450045; 2.黄河水利科学研究院,河南 郑州 450003)

堤坝隐患的天然源面波成像试验研究及应用

潘纪顺1, 高东攀1, 冷元宝2, 李传金1, 吕芝全1, 朱四新1, 朱 瑞1, 赵 详1

(1.华北水利水电大学,河南 郑州 450045; 2.黄河水利科学研究院,河南 郑州 450003)

诸如空洞、软弱层、渗漏、裂缝等病害严重威胁堤坝的安全,因此,堤坝隐患的探测具有重要的现实意义。当前应用到堤坝隐患探测的物理方法主要有直流电法、电磁法、弹性波法、放射性法和流场法等,而这些方法都是有源的,或者向地下供电,或者发射电磁波,或者产生地震波。而天然源面波探测是无源的,它利用地球表面无时不刻存在的微弱震动,从里边提取面波信息,通过对面波频散曲线进一步反演,可以获得地下介质速度结构。通过黄河大堤隐患原型试验和长江大堤的实际探测,表明该技术对探测诸如软弱层等隐患有一定的效果和实际应用价值。

天然源;面波;堤坝隐患;黄河原型试验;长江大堤

古今中外,历朝历代,水利建设都会得到足够的重视。时至今日,中国大中型水库已经超过8万余座,水利堤防工程长度已经超过26万km[1-2],长江三峡水电枢纽工程、黄河小浪底水利水电枢纽工程和南水北调等水利工程举世瞩目。自2011年起,中央财政每年向水利行业投放4 000个亿元资金,且连续投放10年,由此可以预见,水利水电事业将处于一个快速发展时期,数量众多的水利水电工程将应运而生,这必将对中国经济发展和社会安定产生巨大影响。然而,许多堤防工程久经风吹雨打、河流冲刷、年久失修。有的水利工程水患后虽经反复修缮、加固,亦或由于存在施工质量问题而导致存在裂缝、洞穴、松散、软弱层、渗漏层等各类隐患,这些隐患在洪水期间极易形成渗水、管涌、漏洞、散浸、跌窝等险情,严重威胁堤坝的安全。因此,如何有效、快捷地探明这些堤坝的隐患,成为关乎水利堤坝安全的一个科学问题。

新中国建国之初,基本上沿袭清代河务机构的“签堤”方法探测堤坝隐患,即凭借“铁签”入土的快慢难易程度,根据人的直觉来判断。“签堤”方法探测深度浅,对规模小尺度的隐患容易遗漏。20世纪50年代末—80年代初,“锥探”方法在堤坝隐患探测中起主导作用,但是该方法依旧存在速度慢、效率低、易漏掉小尺寸隐患的缺点。然而,伴随中国地球物理探测技术的发展,堤坝隐患探测技术得到了较大发展,并演化成“地球物理探测为主、钻探为辅”的综合探测体系。地球物理探测技术在堤坝隐患探测的应用追索到20世纪50—60年代的山东大学和山东省河务局,两者合作尝试利用钴60放射性探测黄河的堤坝隐患。20世纪70年代,鞍山电子研究所研制了YB-1型暗缝探测仪,取得一定探测效果。80年代,山东省水利科学研究所成功研制了ZDT-1型堤坝隐患探测仪,并于次年获得水利部科技进步二等奖[3]。在90年代中国加大了资金的投入,地球物理探测技术在堤坝隐患探测领域呈现蓬勃发展的趋势。1990年邓习珠等人利用其研制的TTY-1型便携式智能堤坝探测仪成功探测了堤坝中的蚁穴隐患[4]。1992年,“堤防隐患探测技术研究”列入国家“八五”重点科技项目。1993年葛建国等人将浅层反射地震的方法应用到堤坝隐患探测中[5]。1993年刘康和等人将K剖面法成功应用到堤坝隐患探测中[6]。1994年陈绍求等人利用双频激电仪探测堤坝隐患[7]。1998年吴相安等人对地质雷达在堤坝隐患探测中的应用效果进行了研究[8]。1998年“三江洪水”爆发,当年水利部将“堤防隐患和险情探测仪器开发重大科技攻关项目”列入“988”科研计划中。中国水利水电科学研究院研制了SDC-2型堤坝渗漏探测仪器,随后,水利部长江水利委员会对地质雷达的观测系统进行了革新,研制出了“双频多普勒相控阵探地雷达三维扫描成像系统”,水利部黄河水利委员会研制了ZDT-1型智能堤坝隐患探测仪,这些仪器在中国水利工程堤坝隐患探测中都有上乘的表现。2000年,国家自然基金资助了“洪水特性与减灾方法研究”项目。2000年何继善院士发明了利用水流场流向和相对流速来判断堤坝隐患存在与否的“流场法”,该方法能够有效地探测到渗漏、管涌类的隐患[9]。2005年陈建生等利用温度场方法来研究堤坝渗漏通道,取得了一定的效果[10]。所有这些大大促进了中国堤坝隐患探测技术的发展,据统计,目前已经应用地球物理方法探测堤防工程2 000多千米,水库100多座。

综上所述,越来越多的地球物理探测技术被应用到堤坝隐患的探测中,每种方法都有其优缺点。但是,归纳起来发现,当前所有应用到隐患探测的地球物理方法都需要场源,为主动源探测。本文试图另辟蹊径,作为一种尝试,将天然源面波成像技术应用到堤坝隐患探测中,试图给出一种新的探测方法,给出了其在黄河隐患原型实验和长江实际堤坝的探测结果。

1 SPAC法天然源面波成像技术

天然源面波成像技术是从地面观测到的随机噪声,利用相关技术从中提取面波信息,继而对面波频散曲线进行反演得到地下介质的S波速度结构。该方法技术的理论是由著名地震学家Aki于1957年提出的[11],日本学者Okada H.大大发展了这项技术[12],中国许多学者也做了有益的探索[13-19]。当前占主流的SPAC方法要求布设2个同心圆,每个圆周上均匀布设3台观测仪器,圆心上布设1台观测仪器,采用极坐标系,微动信号是位置(r,θ)和时间t的函数,在地球表面存在A(0,0)和B(r,θ)两点,A点为圆心,B点为圆周上一点,其天然源观测信号表述为:

(1)

(2)

A、B两点的空间自相关函数可以定义为:

(3)

圆周上B点和中心点A点观测信号的标准化自相关函数的方位平均值可表示为:

(4)

式中:x=2πfr/c(f),J0(x)是第1类0阶贝赛尔函数;c(f)或c(ω)为波的传播速度;θ是波的入射角度;S(ω,r,θ)是圆心处的观测信号和圆周上某点的观测信号的交叉谱;S0(ω,0,θ)和Sr(ω,r,θ)是圆心处和圆周上某点的信号功率谱;ρ(ω,r)称为空间自相关系数。

2 微动观测仪器设备

本次试验的设备系统由中国地震局地震研究所(武汉)研制,共有8套微动仪,每台仪器由外接电源、GPS时钟、数据采集器和拾振器四部分组成,如图1所示。

(2) 基于层次分析法的主观权重的确定。根据表4的专家打分，最终得出各指标的权重Wc={0.338，0.063，0.210，0.063，0.124，0.081，0.121}。

图1 微动观测仪器组成Fig.1 Composition of micro observation instruments

3 天然源面波成像技术在黄河隐患原型堤坝上的应用

在距离黄河花园口景区以西约3.7 km处的岗李水库建设两道平行的实验堤进行病害设置,主要服务于病害探测实验研究,监测实验研究,堤防除险加固、溃决抢险实验研究。

病害的种类设置主要有:①松软层2处,埋深分别是1 m和3 m,每处长10 m,宽2 m,厚0.5 m,用干沙、石子、秸秆等混合杂物填充。②孔洞,管件规格为外径0.5 m,长2 m,壁厚2 cm以内,在不同位置埋置深度1、2、3、4、5 m。③裂缝,采用高2 m、厚0.05 m的2块绝缘泡沫板模拟,其中与实验堤轴线方向垂直的称为垂直裂缝,与实验堤轴线方向成30°、45°交角的称为倾斜裂缝。

由于堤顶狭窄,无法采用常用的同心圆台阵观测台阵,实际观测采用由两个等边三角形共边组合而成的菱形台阵观测台阵,如图2所示,圆点表示台站,一共有7个台站。圆点上方为台站的编号,分别为S1,S2,…,S7。S5位于观测系统的中心,代表测点的位置。7个台站所处位置的几何关系为:台站S1,S4,S6组成一个等边三角形,其中心处放置观测台站S3;台站S2,S4,S6组成另一个等边三角形,其中心处放置观测台站S7;台站S4和S6连线的中间处放置台站S5;台站S1,S3,S5,S7,S2在一条直线上。由于各测点的场地不同,S5-S4的距离有两种,分别为1 m和1.5 m。

图2 菱形观测台阵Fig.2 Diamond observatory array

图3是7个台站同时记录60 s得到的波形图。图4显示了7 个台站同时记录到的微动信号的功率谱。

3.1 对软弱层的探测试验

模型在桩号65～75 m段距坝顶3 m深度埋设厚度0.5 m的软弱层,在85～95 m段距坝顶1 m深度埋设厚度0.5 m的软弱层。观测试验中心点的位置分别为:66、68、72、74、76、78、80、82、84、86、91、93、95、97、99,也就是说,测点66、68、72、74位于3 m埋深软弱层的上方,测点86、91、93、95位于1 m埋深软弱层的上方,86、91、93测点位于两软弱层的中间位置。从反演图像(图5)可以看出,1 m、3 m埋深的软弱层都能够得到较好的反映。同时从图像反映出来,6 m处有一个界面,为新筑堤坝的底界面,其下11 m附近同样有一个界面,这表明天然源面波成像技术在分层结构的探测应用中有较好的效果。

图3 观测时间为60 s的一段波形图Fig.3 Oscillogram of 60 seconds observation time

图4 7个台站同时记录到的微动信号的功率谱Fig.4 Power spectrum of micro signal by seven stations

图5 软弱层的探测试验反演图像Fig.5 Inversion image of probe test in weak layer

3.2 对孔洞的探测试验

孔洞的探测试验主要针对3 m埋深和1 m埋深的2种类型试验,其中,桩号12 m的测点正好位于3 m 埋深管子的正上方,针对3 m埋深管子,做了观测点中心在9.5 m、11.5 m、12 m、12.5 m的观测试验,其图形见图6-(a)。尽管分辨不好,但是可以明显看出3 m埋深管子形成的高横波速度的团状反映。而对于埋深1 m的管子,其中心点位于观测点5 m的正下方,做了观测点中心在4.5 m、5 m、6.5 m的观测试验,结果见图6-(b)。1 m埋深管子的形态有稍许反映,但是,已经远没有3 m埋深的探测效果好。

图6 孔洞的探测试验图像Fig.6 Probe test image of holes(a).埋深3 m;(b).埋深1 m。

对于垂直裂缝,其位于桩号60 m的正下方,同时在桩号59 m、60 m、60.5 m、61.5 m做了观测,反演后构制的成果图见图7,从图上并未发现裂缝的存在,微动探测分辨不了裂缝隐患。

图7 裂缝的探测试验反演图像Fig.7 Inversion image of probe test of fissure

4 天然源面波成像技术在张家港长江堤坝上的应用

张家港长江大堤朝东圩港段现有堤坝历史上经历多次改造,在做防洪规划设计之前需对当前堤坝的情况做一个详细地了解,勘察单位布设了钻孔,应用地质雷达、高密度电法等物探手段进行了探测,也进行了天然面波探测试验。

实验在晚上进行,天气晴朗,微风。基本上没有干扰,采集的数据质量也比较高。实验台阵布设如图8所示,台阵半径R=3.2 m、r=1.6 m,拾振器使用1档,共进行了8次观测,每次观测30 min左右。

图8 朝东圩港堤段台阵布设Fig.8 Array layout of Chaodong section

实验时数据采集的条件比较好,各个点都得到了结果。对每一个台阵观测到的频散曲线进行反演,得到了8条一维的剪切波速度结构,使用Kriging法进行插值,得到了台阵下方的剪切波速度剖面,如图9所示。

由图9可以看出,长江大堤朝东圩港段在6 m深度存在一明显界面,分析为新旧堤的一个分界面,在浅部浅色部分显示堤坝坝体浅表存在局部不均匀。

4 结论

通过原型堤坝试验和在张家港长江大堤的实际检测,可以得到以下结论:

(1) 微动探测技术在堤坝隐患探测中可以作为一种新的手段来研究,其最大的优点是无需提供物理源,并且探测对堤坝是无损的。

图9 长江大堤探测成果图Fig.9 Detection results figure of Changjiang grand dyke

(2) 原型堤坝隐患的微动探测试验表明,微动技术能够较好地解决软弱层的探测问题,对孔洞的探测也有一定的反映,但是对裂缝的探测却没有效果。

(3) 微动探测技术能够较好地进行堤坝的分层,尤其是对不同时期堤坝的区分有现实意义。

[1] 冷元宝,朱文仲,何剑,等.我国堤坝隐患及渗漏探测技术现状及展望[J].水利水电科技进展,2002,22(2):59-62.

[2] 冷元宝,任建东,王锐,等.堤防隐患与监测技术展望[J].工程地球物理学报,2004,1(1):74-77.

[3] 山东省水利科学研究所.电法探测堤防隐患技术[J].人民黄河,1992(10):59.

[4] 邓习珠,肖明,曹思文.堤坝隐患电法探测技术的应用[J].江西水利科技,1990(2):35-38.

[5] 葛建国,陶建基.浅层地震反射波探测法在堤坝上的应用[J].水利工程管理技术,1993(1):30-32.

[6] 刘康和.应用K剖面法探测堤坝隐患[J].地质与勘探,1993,29(2):40-43.

[7] 陈绍求.双频激电法在堤坝隐患探测中的应用[J].中南矿业学院学报,1994,25(增刊):25-28.

[8] 吴相安,徐兴新,吴晋,等.水利隐患GPR探测方法研究[J].地质与勘探,1998,34(3):47-52.

[9] 何继善.堤防渗漏管涌“流场法”探测技术[J].铜业工程,2000(1):5-8.

[10] 陈建生,董海洲,吴庆林.虚拟热源法研究坝基裂隙岩体渗漏通道[J].岩石力学与工程学报,2005,24(22):4019-4024.

[11] Aki K.Space and time spectra of stationary stochastic waves,with special reference to microtremors[J].Bull.Earthq.Res.Inst.,1957,35:415-456.

[12] Okada H.Theory of efficient array observations of microtremors with special reference to the SPAC method[J].Explor.Geophys.,2006,37:73-85.

[13] 王振东.微动的空间自相关法及其实用技术[J].物探与化探,1986,10(2):123-133.

[14] 冯少孔.微动勘探技术及其在土木工程中的应用[J].岩石力学与工程学报,2003,22(6):1029-1036.

[15] 陶夏新.工程场地条件评定中的地脉动研究[J].地震工程与工程振动,2001,21(4):18-23.

[16] 叶太兰.微动台阵探测技术及其应用研究[J].中国地震,2004,20(1):47-52.

[17] 廖成旺,邓涛,丁炜,等.微动观测台站定位方式研究[J].大地测量与地球动力学,2007,27(6):61-64.

[18] 何正勤,丁志峰,贾辉,等.用微动中的面波信息探测地壳浅部的速度结构[J].地球物理学报,2007,50(2):492-498.

[19] 徐佩芬,李传金,凌甦群,等.利用微动勘察方法探测煤矿陷落柱[J].地球物理学报,2009,52(7):1923-1930.

(责任编辑：于继红)

Natural Source Surface Wave Imaging on the Hidden Trouble of Dikes and Dams

PAN Jishun1, GAO Dongpan1, LENG Yuanbao2, LI Zhuanjin1, LV Zhiquan1, ZHU Sixin1, ZHU Rui1, ZHAO Xiang1

(1.NorthChinaUniversityofWaterConservancyandHydroelectricPower,Zhengzhou,Henan450045; 2.YellowRiverInstituteofHydraulicResearch,Zhengzhou,Henan450003)

The troubles such as caves,weak layer,leakage and cracks threaten the safety of dikes and dams. So it is important to detect the troubles. Nowadays the geophysical method used in detection of the troubles including DC electrical method,electromagnetic method,elastic wave method,radioactive method and flow fluid method. All these methods are active,some need supply electric current,some need eject electromagnetic wave,the other need create seismic wave. However passive surface is passive. The passive surface method gets the surface wave from the microtremor which exists on the earth surface all the time. The subsurface velocity structure will be obtained by inverting the wave dispersive curve. Both Yellow River dam trouble prototype test and the practical detections in the Yangtze River dam prove the passive surface method is effective to detect the weak layer trouble and it has some practical application value.

natural source; surface wave; dikes and dams troubles,Yellow River prototype test; the Yangtze River dam

2016-05-16;改回日期:2016-05-30

国家自然科学基金(41174052);河南省基础与前沿技术研究计划项目(112300410252)。

潘纪顺(1968-),男,教授,博士,地球物理专业,从事工程地球物理勘探、地震数据处理及地球物理反演等的教学与研究。E-mail:jspan123@126.com

TV871

A

1671-1211(2016)03-0306-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.014

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160530.0937.018.html 数字出版日期:2016-05-30 09:37