高密度电阻率法对水库大坝探伤应用实践分析

冯 露,鲍 阳,孔楠楠,李 艳

(1.安徽省建筑工程质量监督检测站有限公司,安徽 合肥 230000;2.安徽省(水利部淮河水利委员会)水利科学研究院,安徽 合肥 230000)

0 引言

近年来,地方政府部门出台了许多措施,着力突出了推进智慧水利建设和打造数字孪生流域的重大意义,并努力提高数字化、网络化和智能化程度。从利好政策上来看,智慧水利作为国家数字化强国战略的重要部分,在带动传统水利行业发展、保障民生方面具有广阔的发展前景。

智慧水利在水利工程质量控制方面的应用也有着广阔的应用前景,水利工程往往涉及民生安全,代表着国家治理能力的重要方面,对于已建成的工程,如何进行质量管理与控制成为学者及管理单位需要高度重视的问题。高密度电阻率法利用计算机数字模拟技术通过对被测断面进行高密度布点,从而对地电断面进行实时测量,判定土体及岩层的地质赋存情况,为工程质量控制提供依据。该方法在地质勘查等领域已经有较多应用,取得了较好的应用效果,但在水库大坝的探伤中应用较少,本文以高密度电阻率法在某应急水库探伤中的应用为例,阐述该方法在水利工程中的实践与应用。

1 高密度电阻率法概述

1.1 基本原理

不同断面的岩层或土体由于所受构成元素以及存在状态等的不同,表现出不同的电阻率数值,而高密度电阻率法即是利用不同的电阻率数值,通过将一根根接地电极将直流电导入至地下,从而建立稳定的电流电场,用以观测某个物体与被测点在垂直方向或水平方向上的电阻率变化,进而了解土体或岩层的分布特点级规律。该方法通过对被测断面进行高密度布点,了解地下稳定电流场的分布情况及规律,基于被测介质的导电性差异从而对断面进行测量,该方法能清晰展示断面构造的水平及纵向变化,从而为探伤提供详实的依据(见图1)。

图1 电阻率法图示

电流测线方法简单,如图二点一负一所示。A、B两点为供电电极,M、N两点则为测量电极,在AB供电点测量出供电电流I与MN之间的电位差V,电阻率按式(1)表示:

(1)

式中:ρ为岩层的电阻率,m;V为测量电极间的电位差,mV;I为供电回路的电流强度,mA;K为装置系数,其计算公式见式(2)。

(2)

1.2 高密度电法装置

高密度电阻率法是一种阵列式的探测方法,在进行作业数据采集时,将几十数百根电极均匀布置于被测断面,通过控制电机控制器和工程电测仪对整个测试面进行数据采集,得到测量视电阻率、正演视电阻率和反演视电阻率三种断面图[3]。最后,结合地勘等其他综合物探资料进行分析, 以判定坝体潜在的隐患。显然,高密度电阻率探测方法的应用和开发,使得方法探测的自动化水平大大提高[4]。

本次野外采集主要采用温纳装置、偶极排列(beta)装置,供电电压为 288 V,电极距为 1 m,最大隔离系数为15 层。该装置电极排列如图2。

图2 温纳装置测量方式示意图

该坝体的设计截面为倒梯形截面。在野外采集中,将AM=MN=NB设置成一个电极间隙,然后将A、B、M、N同时向右位移,就获得了第一条剖面曲线;接下来再将AM、MN、NB增加一个电极间隙,同时将四点再次向右平移得到被测倒梯形断面得到第二条剖面线。该装置电极排列如图3。

1.3 仪器设备

此次高密度电法检测所采用的是由成都奔腾云南机械职业技术学院电气工程专业研究所开发和制造的WGMD负九超大密度电法设备。本系统主要采用WDA-1、1A等超级数字直流电法仪作为测控主机,既可以选用WDZJ-4多路高压电极变流器、集中式最大压力导线、电极,进行集中式二维高密度电阻率测试;也可以选用分布式高密度电阻率的激电导线、电极,进行分布式二、三维空间高密度电阻比测试、分布式二维高密度激电测试。

WDA-1、1A主机采用RS232串行口的WDZJ-4多路高压电极变流器,并按照工作电极排列的规定将A、B、M、N极和电极1～60中的高压电极进行连接从而实现了配电和检测功能,具体见图4。

图4 高密度电阻率检测装置野外安装的情况示意图

2 某应急水库中的检测应用

2.1 工程概况

某型应急水电站建于一九九六年,正常库容为60万 m3,属零点五地上型的避咸蓄淡重视程度水库,一般库底高程2.0 m,最高蓄水位高程9.0 m,水库坝顶防浪墙高程为10.03 m。水库建成至今已近30 a,未对其运行状况进行过检查。本次采用高密度电法对水库进行堤身淘空、垫层散失及岸坡渗漏情况进行堤身综合检测探查。

该应急水库原为通过抽取墅沟河水,间接取用长江原水。2017年通过新建陈行原水入库管至该应急水库,使该应急水库常用原水水源由墅沟河水改为陈行原水,确保嘉定地区的自来水供水安全。新建该应急水库入库管作为原水厂应急水库与陈行水库之间的连通管,实现了原水厂应急水库与陈行水库之间的联动,在日常的原水供应中,通过陈行水库与原水厂应急水库之间的调配,原水厂应急水库作为应急备用水库,可以大大提高嘉定区原水供应的可靠性。

原水厂应急水库60万 m3的库容,可以成为陈行水库的外延库容,增加了陈行水库避咸蓄淡的原水储备能力,提高陈行原水系统的整体抗咸潮保证率。该应急水库堤身现状如图5所示。

本次检测重点是通过有损检测与无损监测相结合的方式检测堤体的安全隐患程度和分布状态。对堤体浅层的可能出现水质安全隐患的地方进行挖坑检查。对堤身深层局部可能存在质量安全隐患的部位,可采用高密度电阻率法、地质雷达法、瑞雷面波法等地质物探的方法进行综合检测。本次计划采用地质雷达法对大堤进行全面扫描,在发现异常的区域采用高密度电法及瑞雷面波法进行复查,判断异常区域渗漏情况。此外,还需对运行管理过程中发现的可疑区域进行重点检查。

2.2 数据收集

本次电法工作装置类型均为温纳装置,电极总数为60个,电极间距为2 m。共布置3 条测线,其中,第1条测线位于北侧堤身,第2条测线位于西侧堤身,第3条测线位于东侧堤身。各测线电阻率剖面图见图6～图8。

图6 北侧江堤剖面图

图7 西侧江堤剖面图

图8 东侧江堤剖面图

2.3 检测成果

本次电法工作布置的三条测线各测线电阻率在剖面图上分布较均匀,物性分层明显,下部土体呈现高阻,土层密实,未见较为明显异常。其中测线1局部地表层电阻率相对较低,存在低阻体,建议加强观察。

3 结语

高密度电阻率法探伤是无损检测在水利工程中综合运用、发挥综合效益的具体体现,该类无损检测方法具有工作效率高、收集信息直观丰富、数据可靠详实等特点,大大提高了无损检测的智慧化、自动化水平,在基于“互联网+智慧水利”的新业态发展下,水利工程质量检测技术水平必将得以长效的发展与提高。