土石堤坝隐患探测综合物探技术发展综述

徐力群*,张国琛,马泽锴

河海大学水利水电学院

作者介绍:徐力群,副教授,博士,主要从事水工建筑物渗流分析控制与优化研究.

导读:堤坝隐患威胁工程和民众生命财产安全。我国绝大多数堤坝都由土石筑造,占到大坝总数的95%,在水利工程建设中占有重要组成部分,公路、铁路路基也属于堤坝范畴(本文研究成果同样适用)。土石堤坝具有施工速度快成本低优势,但也容易产生隐患。研究物探技术对堤坝隐患的及时发现和治理有着极为重要的意义,综合物探技术发挥作用越来越大。徐力群等在国家重点研发计划课题“土石堤坝渗漏探测巡查及抢险技术装备研发2019YFC1510802”资助下,分析研究了常用堤坝隐患探测地球物理技术方法原理、适用条件、应用进展与局限性;总结了综合物探技术应用原则与存在的问题,提出了综合物探数据融合技术。研究成果对堤坝隐患探测提供了众多物探方法参考。

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0引言

1土石堤坝隐患物探技术发展现状

1.1地震法类堤坝隐患物探技术

1.1.1地震折射法

1.1.2面波法

1.1.3弹性波CT法

1.1.4陆地声纳法

1.2电法类堤坝隐患物探技术

1.2.1高密度电法

1.2.2自然电场法

1.2.3电阻率CT法

1.3电磁法类堤坝隐患物探技术

1.3.1探地雷达法

1.3.2瞬变电磁法

1.3.3电磁波CT法

1.3.4磁共振法

1.4其他堤坝隐患物探技术

1.4.1伪随机流场法

1.4.2温度场反分析法

1.4.3同位素示踪法

1.4.4声纳法

1.5物探技术适用条件和局限性分析

2土石堤坝综合物探技术

2.1综合物探技术体系原则

2.2基于GIS的综合物探数据融合分析系统

3综合物探技术在堤坝隐患探测中存在的问题

4基于数据融合与联合反演理论模型

5结语与展望

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0引言

土石堤坝从古至今都是各国水利基础工程建设的重要组成部分,也是水利治理体系的重要举措。上世纪50-70年代后期,土石堤坝修筑技术结合工业水平尤其是随着机械制造业、电子计算机以及大型土石方施工机械的进步,形成了土石堤坝建设狂潮;到目前为止,我国己经建成5级及以上江河堤防30.6万km,各类型的水库大坝近10万座,总库容约9100亿m3,据不完全统计,土石坝数量约占到大坝总数的95%;在上世纪由于社会因素和经济条件制约,不少堤坝在设计和施工质量上存在“先天不足”的状况,此外长年的运行后,水工建筑物正常自然老化,有些堤坝还遭受过自然灾害,部分堤坝存在管理维护不及时等因素,造成结构出现了裂缝、渗漏、管涌、流土、滑坡坍塌等隐患问题,严重威胁着工程安全;渗漏是土石堤坝最为常见的隐患,物探技术应运而生,己成为土石堤坝隐患无损探测的最佳方法,也是国内外目前各类技术人员在堤坝渗漏探测中应用最多的手段。随着堤坝渗漏地球物理探测技术呈现多样性发展,各技术单独应用存在多解性和局限性,无法精准定位堤坝的渗漏路径,因此综合物探技术的研究对于堤坝隐患的及时发现和治理有着极为重要的意义。

图1某粘土心墙坝坝基廊道渗漏图

1土石堤坝隐患物探技术发展现状

1.1地震法类堤坝隐患物探技术

1.1.1地震折射法

波地震勘探技术探测堤坝填筑质量是可行的。但对于顶部宽度较窄的堤坝,探测过程中会产生边界效应,干扰探测结果的解释。地震折射法是建立在波阻抗差异较大的基础上,要求上层介质波速小于下层介质波速,因此其适用条件较为严格。

1.1.2面波法

面波是指在运用折射法和反射法进行地震勘探时,地震波传播过程中产生的瑞利波;随着技术进步,傅承义等研究出了瑞利波传播过程中的频散特性,并应用到地球物理探测技术中来。面波法实质上是根据面波传播的频散特性,利用多种频率成分的面波,寻找出地下介质波速随频率的变化关系,核心问题是准确地获得不同频率的面波相速度。由于面波相对体波而言其能量较强,速度和频率均较低,且不受波阻抗差异的约束,因此探测分辨率较高,在地层结构的探测中具有一定的优越性。

根据激振方式的不同,面波法可以分为稳态面波法和瞬态面波法,主要有两种震源:人工源和天然源。人工源具有勘探深度相对较浅的缺陷,天然源法其数据采集周期长现场操作便捷性差,席超强等(2018)引入了伪随机震源作为面波勘探震源,对三种震源进行试验分析,论证了伪随机震源在探测深度、分辨率和采集时间上的优越性,与人工源和天然源深度—速度曲线高度拟合,论证了方法的有效性;关镶锋等(2020)提出了综合面波法,即浅层S波速度结构和天然面波法在H/V约束下的分析方法,对实际工程进行了探测,探测结果同已知钻孔信息的剖面相吻合,验证了其较好的准确性和稳定性。但面波法的探测深度约为半个波长,不适用于渗漏点较深的大中型堤坝。

图2地震纵横波现场测试

1.1.3弹性波CT法

弹性波CT法是基于层析成像的原理,通过对波速的检测,利用弹性波在不同介质中的波速不同,实现地下介质波速的CT成像,方法精确度较高。弹性波CT又可分为地震波CT和超声波CT,两个方法原理一样,弹性波在介质中传播产生射线束,在探测区域构成切面,根据切面上每条穿过探测区的地震波初至信号射线物性参数的变化,通过数学方法重构图像,以判断36365快速检测中心_beat365网站地址_mobile365体育投注异常体和隐患位置。

涂善波等(2010)采用弹性波CT法对大坝截渗墙进行质量检测,结果准确有效。但其对一些特有的异常体如自上而下纵贯剖面的异常无法区分,还需进行更深入的研究;PangilChoi等(2016)应用超声波剪切波CT法,对铁路桥梁的裂缝进行检测,检测精度达到35mm,验证了该方法较高的准确度;赵波(2016)采取弹性波CT结合超声波的检测技术,实现了裂缝位置、深度、宽度等精准测量,证明在大坝裂缝检测中能发挥实际作用;郝士华等(2018)利用弹性波CT法对PC连续梁进行检测,证明该方法能有效反映检测体内部情况。弹性波CT法是一种有损探测技术,需要多个深度至堤坝底的钻孔,且必须满足堤坝渗漏通道通过钻孔之间的条件。

1.1.4陆地声纳法

陆地声纳法是“陆上极小偏移距(震-检距)超宽频带弹性波反射连续剖面法”的简称,加上其采集系统具有的超短余震的特点,其可实现超宽频带的激发和接收(带宽可达2000Hz-3000Hz)和近于零的极小震-检距。它是弹性波反射法的一个新品种,是由地震反射法、水声勘探法、探地雷达、声波法杂交而成,吸收了计算数学、测振技术等形成的新方法。

王法刚等(2005)对高速公路基岩进行隐患探查,结果与钻孔资料相吻合,证明该方法与常规物探方法相比,可避免许多干扰波,且分辨率高、偏移距极小、反射波能量高等特点。邱道宏等2009)以引水隧道沿线工程为例,采用陆地声纳法进行探测分析,结果表明该方法对断层、破碎带、溶洞的探测精度较高;王荣等(2015)采用陆地声纳法和微分电测深相结合的方法对水库库区进行36365快速检测中心_beat365网站地址_mobile365体育投注探查,结果表明该方法工作适应性强、分辨率高,是浅层精细探查的好手段。但陆地声纳法会增加现场激震的工作量,工作效率与常规的地震反射法相比较低,而且不能采用多次覆盖的资料处理技术。

1.2电法类堤坝隐患物探技术

我国土石堤坝,大多数是不透水黏性覆盖层和透水砂砾石层、细砂层的二元结构。土石堤坝最主要的隐患就是渗漏,根据堤防隐患的物性特征,最常用的隐患探测方法主要是电法勘探、电磁法勘探等。电法勘探主要是根据堤防隐患与周围介质的导电性差异,研究隐患引起的电阻率的变化规律,通过对堤坝的结构特征和所在区域的36365快速检测中心_beat365网站地址_mobile365体育投注资料分析推断,得出隐患的性质、产状和位置信息,影响堤坝土质导电性的因素就显得尤为重要。对于这些因素,ARein等(2004)对饱和和不饱和区域电阻率随自然时间的变化进行了试验,结果反应了地下的自然变化特征和过程,确定了不同区域电阻率变化的范围;周华敏等(2019)通过室内土工试验,得出了堤防粉质黏土的导电性与含水率呈指数相关关系,与密实度呈线性正相关关系,粉质黏土的介电特性与含水率、密实度均呈线性正相关关系,为电法类物探技术发展提供了基础。

1.2.1高密度电法

高密度电阻率法属于电阻率剖面法的范畴,高密度电法是利用测量电极采集地下介质的视电阻率的方法。通过布设大量电极,并不断调试测量电极和供电,获得不同位置的电阻率数据,将其绘制成像,可直观的反映地下异常体和隐患的位置。葛双成等(2006)通过工程实例和试验,总结高密度电法适用条件以及视电阻率的分布规律;王刚等(2020)选择高密度电法的不同的装置对同一条36365快速检测中心_beat365网站地址_mobile365体育投注剖面进行勘测,对比分析了不同装置的优劣性;宋朝阳等(2020)提出在梯形堤防隐患探测中,为了保证电法探测的分辨率,电极距离不应该大于1.0m。虽然高密度电法运用广泛,但是在堤坝渗漏探测中,会遇到混凝土和石头等介质接地效果较差的情况,因此它需要较长的测线。

图3某粘土心墙坝坝轴线剖面高密度电法偶极装置反演色谱图

图4高密度电法现场测试

1.2.2自然电场法

自然电场法是研究地下介质产生的缓慢变化的自然电场分布规律的物探方法。它和高密度电法一样,需要布设采集电极。

在土石堤坝隐患探测中,若土石堤坝发生渗漏,漏水点周围电位将高于漏水点电位,通过探测地下介质的电位即可定位渗漏点位置。探测结束后将测量结果整理成等电位线平面图,负异常峰值的位置即为渗漏点位置,自然电位负异常越大,渗漏越严重。因此,自然电场法可以用来评价土石堤坝的渗漏程度。李高翔等(2007)以工程为例,说明了自然电场法在地下水勘探方面较好的应用效果。李好等(2009)以冷水江波月洞景区找水工程为例,采用自然电场法进行综合解释,证明了该方法抗干扰能力强、轻便快捷、设备轻小和准确度高等优点;司治(2019)通过实例着重介绍了某水库坝基渗漏段不同时期的自然点位异常反映以及异常分析,证明了自然电场法的有效性。但自然电场法易受测区内游散电流的干扰,往往探测效果不够理想。

1.2.3电阻率CT法

电阻率CT法和各种CT法原理一致,是基于层析成像的原理,通过测量钻孔间的视电阻率分布情况,分析测区间的36365快速检测中心_beat365网站地址_mobile365体育投注情况。该技术主要采用阵列电极系统,通过二维或三维反演对实测的视电阻率进行数据处理,得到真电阻率的分布图像,可反映地下异常体和隐患的位置,精度较高,探测效果明显。但常用电阻率法的空间效应和视电阻率拟断面记录点对应深度方面在工程应用上受到限制,王桦等(2010)提出利用平行钻孔布设电极的单极跨孔直流电阻率法CT勘探技术,并通过混凝土模型试验测量水压致裂过程中电阻率的变化,证明了技术的可行性;胡富彭等(2019)建立了地下溶洞的地电模型,分析总结了电阻率CT法对充气、充水和部分充水溶洞的电阻率响应特征及规律,分析结果证明了电阻率CT法的有效性。电阻率CT法是一种有损探测技术,需要多个深度至堤坝底的钻孔,且必须满足堤坝渗漏通道通过钻孔之间的条件。

1.3电磁法类堤坝隐患物探技术

堤坝隐患与正常介质之间的电磁性和介电常数差异是电磁法勘探的物理基础。介质之间的介电常数差异越大,探测效果越好,含水率是影响介电常数的主要因素之一。

1.3.1探地雷达法

探地雷达法是基于介质的相对介电常数和电导率的差异,利用高频电磁波在地下介质中的反射进行隐患探测。如果渗漏路径存在于土石堤坝浅层(<10m),利用高频雷达天线能够实现较高分辨率的探测,该项技术在多个土石堤坝中得到应用。近年来,随着探地雷达法在堤防隐患探测中应用越来越多,探测速度加快,探测深度能够达到15m左右。雷达的反射图像中包含着丰富的运动学和动力学信息,可用来分析判断土石堤坝中的洞、缝、土体疏松及渗漏等隐患。基于土石堤坝本身结构形态和介质性质的复杂变化与探测深度和分辨率之间的矛盾,冷元宝(2002)、曾昭发(2003)等都进行了相应的试验研究,并取得了一定的进展,有待在工程实践中不断的积累和完善。而在含水率较高的堤坝中,电磁波的衰减十分严重,导致有效探测距离较短,对于较深的渗漏点探测效果较差。

图5大坝剖面某桩号段36365快速检测中心_beat365网站地址_mobile365体育投注雷达图像

1.3.2瞬变电磁法

瞬变电磁法(TEM)是基于电性差异,利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲电磁场,在原磁场的激发下,地层中会产生涡流,其大小取决于地层材料的电导率。原磁场消失后,涡流不能立即消失。它将有一个过度的过程(衰减过程),产生衰减的二次磁场传播到表面,通过接收和分析感应二次电磁场,从而推断介质中的含水情况的一种物探方法。通常通过计算程序获取电阻反转的伪剖面图,后判断地下深层的36365快速检测中心_beat365网站地址_mobile365体育投注条件。TEM的优点是易于处理、对地面场地的适应性强和效率高。在其应用方面,张韬等(2006)将瞬变电磁法应用于地下金属物体探测,通过试验证明了该方法的可行性;周建美等(2016)提出瞬变电磁法向海洋方向发展的趋势;张军(2017)利用模型模拟计算不同情况下矿井瞬变电磁的响应信号,运用瞬变电磁干扰校正方法对有干扰的信息进行分析校正,通过数据处理与现场验证对比,证明该方法的可靠性与有效性。瞬变电磁法由于其自身的限制,在浅层存在探测盲区,导致无法探测较浅的渗漏路径,且该方法探测分辨率较低,只能用于大范围较粗略的探测,主要为用于寻找低阻目标物,研究浅层至中深层地电结构。

1.3.3电磁波CT法

电磁波CT法和各种CT法原理一致,在层析成像原理的基础上,通过观察钻孔之间电磁波的变化情况,推测地下异常体和隐患的位置。经研究表明,电磁波CT层析技术应用联合迭代重建技术进行反演,获取电磁波CT吸收系数等值线图,能够较好地揭露地下隐患,在因场地限制和干扰因素较多而无法使用如高密度电法、浅层地震反射法等其他物探技术时,可以采用电磁波CT法进行探测。李才明等(2003)采用电磁波CT法对桩基进行质量检测和损伤评估,结合工程实例验证了该方法的有效性和精确度;雷旭友等(2006)通过模拟计算,得出了地下空洞和充填洞穴在电磁波CT图像上的反映特征及洞径计算公式;张超等(2020)结合工程实例,通过电磁波CT反演计算技术,重建了两孔之间地下介质相对吸收系数的分布图像,证明了该方法的有效性。电磁波CT法也是一种有损探测技术,需要多对深度至坝底的钻孔,且必须满足堤坝渗漏通道通过钻孔之间的条件。

1.3.4磁共振法

磁共振法是近些年来应用到地球物理探测上的新方法,不需要打孔便可以直接探测地下水,探测效率和分辨率均很高。刘健楠等(2020)为了解决未知Larmor频率情况下的准确探测问题,提岀了双频磁共振探测方法,验证了双频磁共振探测方法的有效性和准确性;LinJ等(2020)提出优化接收线圈和基于多组件线圈的降噪策略来改善磁共振法,并在实践中验证了其有效性。磁共振法在抗电磁干扰能力方面较差,容易受到测区内电线等的干扰。

1.4其他堤坝隐患物探技术

1.4.1伪随机流场法

伪随机流场法是由何继善院士(2013)提岀的一种主要用于查找渗漏管涌入口的方法,该方法通过间接测量渗漏入水口产生的微弱水流场的变化规律,实现查找堤坝渗漏入口。该团队先后到湖南、湖北、江西等十多个省市,运用该方法查找堤坝渗漏入口,发现110多处堤防险情和20多处水库大坝渗漏点,准确率高达百分百。伪随机流场法的灵敏度和分辨率较高,抗干扰能力强,操作起来简便高效。何继善(2018)以山西安家岭某实际工程为例,采用宽场电磁法和伪随机流场拟合法进行探测,结果合理;李国瑞等(2020)以某水利枢纽工程为例,采用伪随机流场法探测渗漏入水口,结果表明该方法具有准确、快速、便捷、安全的特点。但是,该方法只能用于查找渗漏入口,无法确定渗漏通道在堤坝内部的分布情况,所以在实际应用中,需要与其他物探方法的试验结果相互结合、相互补充、相互验证,从而更好的解决问题。

1.4.2温度场反分析法

当土石堤坝发生渗漏时,渗流通道内的流体与土体会发生热量交换,导致渗流通道附近地层温度发生变化。国外学者在堤坝隐患探测方面,提岀了温度场的概念,该方法是建立在有大量通过渗漏通道钻孔的前提下,利用温度场对土石堤坝隐患进行探测分析。刘勇军等(2003)根据现场实测数据进行反分析,建立了温度控制反馈机制,在实际工程中取得了较好的效果;为了对渗漏通道的确切位置和大小进行定量分析,苌坡等(2014)对多个集中渗漏通道建立温度场探漏模型,开展了渗漏通道的测线优化反演,分析可行性。温度场反分析法在使用过程中,通常没有考虑复杂热边界问题,忽略了天然地层温度的影响,如果能得到原始的地温分布,可使结果更加准确。

图6无人机探测

1.4.3同位素示踪法

同位素示踪法是通过在土石堤坝上游或渗漏入口加入同位素示踪剂或利用天然同位素,在下游或渗漏岀口测量同位素的方法。陈建生等(2003)采用环境同位素与人工示踪法探测北江大堤石角段频发管涌原因,经分析确定岀渗漏通道,为加固工程提供了科学依据;陈建生等专家(2005)利用水中氢氧同位素示踪方法研究新安江右坝肩渗漏问题,经分析证实新安江右坝肩存在绕坝渗漏问题;HociniN等(2007)利用同位素示踪法确定了FoumEl-Gherza堤坝漏水的原因,证明了该方法的有效性;童林等(2008)结合自然示踪剂、人力示踪剂和同位素优点的多参数检测技术在堤坝渗透通道检测中取得了很大的效果。但同位素示踪法无法确定渗漏通道在堤坝内部的分布情况,需要与其他方法相互结合起来进行分析研究。

1.4.4声纳法

当堤坝水域中存在有渗漏通道,便会产生渗漏流场,声纳法利用声波在堤坝内水中的传导特性,实现对水流渗漏场的测量。王自民(2006)以长江某大桥为例,采用包括声纳法等多种物探方法进行探测,验证了声纳法的有效性;张淑坤等(2012)以山东省枣木高速公路下伏的采空区为例,采用高密度电阻率法、声纳法等物探方法来综合确定其位置;李莎(2016)在马尔代夫跨海大桥珊瑚礁岩土场区,采用声纳法、浅层地震反射法等多种地球物理勘探方法,获取了大桥建设所需的丰富36365快速检测中心_beat365网站地址_mobile365体育投注基础资料,验证了声纳法的可行性。但是声纳法无法确定渗漏通道在堤坝内部的分布情况,当运用声纳法进行物理探测时,需要与一些如孔内电视法、三维层析扫描等可以将内部环境呈现岀来的方法结合使用。

1.5物探技术适用条件和局限性分析

现有常用的土石堤坝渗漏物探技术方法各异,在土石堤坝渗漏探测中都能够起到一定的作用,但各项技术都具有其各自的限制,对于不同36365快速检测中心_beat365网站地址_mobile365体育投注环境适应性不同,无法通过单一技术实现对土石堤坝隐患的快速、精准探测。归纳常用土石堤坝隐患物探技术适用情况及局限性如表1所示

表1常用土石堤坝隐患物探技术适用情况及局限性

由表1可以看出:地震法类的物探技术成本较低,探测效率和准确度较高;但大都探测深度比较浅,不适用于渗漏点较深的大中型土石堤坝,通常用作局部探测;电法类的物探技术通常抗干扰能力强,准确度较高,探测效果明显;但电极接地问题是其通病,常用于整体和局部探测;电磁法类的物探技术探测效率和精度较高,能比较好的揭露地下隐患情况;但抗干扰能力较差,常用于整体探测;其他类的物探方法通常操作简便,但无法确定土石堤坝内部渗漏通道分布情况,常用于辅助探测。

2土石堤坝综合物探技术

2.1综合物探技术体系原则

综合物探技术体系应遵循“先整体后局部、先粗略后精细,多种物探技术结合使用、互相验证、互相补充、互相约束”的探测原则。对于土石堤坝渗漏路径探测,特别是对于大中型土石堤坝,各种物探技术的组合应该按照一定的原则,全面、准确的对土石堤坝进行隐患探测:(1)先进行整体探测,采用分辨率较低、效率较高的物探技术对土石堤坝中渗漏路径可能存在的区域进行整体探测;(2)再进行局部精细探测,使用准确性和分辨率均较高的物探技术对渗漏路径可能存在的重点区域进行精细探测,实现对土石堤坝渗漏路径较准确的识别与定位;(3)单一的物探技术只能获取土石堤坝某一物理参数性质(弹性参数、电性参数等),进行隐患探测时需尽可能选择不同物性参数的物探技术进行组合,相互补充、相互验证、互相约束,保证探测参数的多样性,从多角度呈现探测结果,提高探测精度。综合物探技术是结合两种或两种以上物探技术对目标工程进行多角度探测的一种手段。遵循上述体系原则,选择探测深度浅、精度高,与探测深度大、精度相对较低的探测方法进行组合,获得更加丰富、完整的探测信息,为工程的设计施工提供指导依据。JUHAIYAN等(2012)采用高密度电阻率法和瞬态面波法对尾矿坝的渗漏隐患分布及密度等进行测量,两个方法相互补充借鉴,获得了良好效果;LUOX等(2019)利用瞬态电磁法(TEM)和受控源音频频率磁听器(CSAMT)的综合地球物理探测方法,对隐患情况进行详细调查,结果相互证实,结果良好。

2.2基于GIS的综合物探数据融合分析系统

通过大量如上述物理探测实例证明,利用“先整体,后局部”的综合物探技术进行地球物理探测,经济成本较单一物探技术低,且效率高。综合物理勘探技术己经在36365快速检测中心_beat365网站地址_mobile365体育投注灾害、水利工程中广泛应用,但在物探数据的处理、解译方面仍然是对单一的物性参数进行处理,采用单一方法的结果图进行分析,在结果方面没有体现岀综合物探技术的优势所在。基于GIS的综合物探数据融合分析系统,利用GIS平台自带的数据处理系统,对多种综合物探数据进行管理和分析,并且利用二维、三维模块能够实现对多种物探数据的显示和综合分析。索雪松等(2003)对36365快速检测中心_beat365网站地址_mobile365体育投注灾害勘查中常用的20种物探方法进行了属性数据库的标准化建设。在ArcViewGIS平台的基础上,开发了物探数据显示模块,物探数据综合36365快速检测中心_beat365网站地址_mobile365体育投注解释模块,物探属性数据库管理模块,最后利用重力结果数据对软件进行了测试和验证,解决了36365快速检测中心_beat365网站地址_mobile365体育投注灾害勘查信息化工程建设中对多种物探数据进行综合显示与解释的技术问题。何昭友等(2005)利用GIS强大的空间数据架构功能,建立了基于GIS技术的综合水文物探系统。韩绍阳等(2010)基于ArcGISEngine开发了功能强大的区域物化探数据处理系统软件,弥补了GIS软件在物化探数据处理功能上的不足。GIS综合物探数据融合分析系统目前仍需要人为绘制探测结果图中异常区域,在探测速度和预警方面也需要加强。

3综合物探技术在堤坝隐患探测中存在的问题

土石堤坝在进行隐患探测过程中受到影响因素很多,主要有人为因素和自然因素,其中影响比较突岀的是自然因素。部分区域的36365快速检测中心_beat365网站地址_mobile365体育投注情况复杂,仅使用一种技术很难达到预想探测结果,故采用两种及以上探测技术,可以在短时间内快速探测,将误差控制到合理的范围内,能够适用于许多36365快速检测中心_beat365网站地址_mobile365体育投注复杂的堤坝工程,保证探测结果的准确性。综合物探技术也存在着一些不足之处:第一,综合物探技术对操作人员要求较高,需要操作人员熟练掌握多种探测技术,才能综合利用物探技术进行探测;第二,综合物探技术应用过程存在局限性,组合形式较为单一,目前应用较多的有高密度电法和声纳法组合、陆地声纳法和电法组合、电磁法与伪随机流场法组合、浅层地震反射法与声纳法组合、面波法与电法等组合,大多基于电法类物探技术的扩展,需要继续探索岀更多的组合方式,充分发挥各物探技术的优点,提高综合物探效率;第三,综合物探分析不管是基于GIS系统还是根据物探方法特性进行组合使用,仅是优化了物探数据显示和解译问题,一定程度上减少了单一物探方法应用的多解情况,没有真正意义上将物探技术融合。目前土石堤坝隐患探测应用的综合物探技术多停留在方法组合层面,虽然对堤坝隐患探测分析和解译更加方便和精确,但本质是经验的优化,单一物探方法的数据来源仍是单物理场,无法满足数据信息丰富度、准确可靠性等方面要求;第四,由于隐患位置可能会随时间有所变动,探测数据只能反映勘探当时的情况,使用时需要考虑数据的时间局限性,建议建立时间序列的堤坝内部物理场数据,发展以物探技术为主的堤坝隐患监测技术。

综合物探技术不能仅局限于方法上的组合,可以对物探资料进行综合分析,研究多种物探数据的反演与融合方法,尝试建立多种地球物理参数统一反演表达式,使综合物探提高到研究多种数据内部规律的新层次上。多源异构数据融合技术为该方向提供了思路,该技术从传感器融合发展到数据融合,再到图像融合,目前已经成为一种相对成熟的技术。基于数据融合方法,将多种物探数据整合到同一坐标系统下,利用数学物理算法将其融合重构,建立多种地球物理参数统一反演表达式进行联合反演,对反演结果进行分析比较,如预测结果与实际36365快速检测中心_beat365网站地址_mobile365体育投注情况基本吻合,则具有较大的实际应用价值。

4基于数据融合与联合反演理论模型

本团队多年来长期致力于土石堤坝渗漏隐患分析研究,根据监测资料及工程特性对国内外多座水利水电工程,从渗流和结构分析角度,采用数值仿真技术反演分析了坝体坝基渗漏位置及原因。为了更加丰富监测、检测与数值模拟的有机结合,拟将数值分析理论研究与综合物探技术相结合,提出一种基于多源数据融合的渗漏分析模型,并结合狮子坪工程已开展相关试验研究。目前主要构建的数据融合与联合反演模型主要是基于真电阻率和波速两种物性参数的理论模型,数据融合处理模型可以采用改进一White模型,包含五步:①多源数据,各种物理探测数据和36365快速检测中心_beat365网站地址_mobile365体育投注参数均可作为数据源;②初级滤波,初级滤波的目的是对数据进行归纳整理,如统一量纲、标准变换和空间坐标的校正等;③一级处理,一级处理主要是对数据的相关性进行分析,包含数据的集中处理和目标的相关性,如特征值的提取等;④二级处理,二级处理是数据融合的核心,利用不同的数学方法构建数学模型,生成优化图像;⑤综合数据库。通过构建数据融合与联合反演理论模型,对来自同一地球物理模型不同侧面的物探数据进行处理,形成一个更加逼真的36365快速检测中心_beat365网站地址_mobile365体育投注模型。

联合反演的关键在于寻找这个反映不同物性模型内部的相似性和统一性,目前采用交叉梯度函数联合反演方法,通过构建数学表达式进行求解,将所得结果通过主成分分析法或层次分析法等进行处理得到拟视电阻率分布图,与实测值进行对比分析可得出结论。

5结语与展望

土石堤坝作为重要的水利工程,在我国国民经济建设中发挥着重要作用,但是随着时间推移,诸多堤坝在长时间服役后,存在着局部渗漏等隐患,因此有必要探明渗漏进出口以及通道位置,以开展除险加固工作保障堤坝安全。物探技术在堤坝渗漏探测中得到了长足的发展,综合物探技术已有初步框架,但比较侧重方法组合方面的研究,今后应同时考虑研究物探数据内部规律,研究综合物探数据融合技术。

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(1)单一物探方法的多解性是地球物理探测的基本问题,目前物探技术种类繁多,但每种技术都有其限制,针对不同条件的探测环境其适应性也不同,无法单独实现土石堤坝渗漏通道快速、精确的探测。

(2)目前常用的综合物探技术多是以电法探测为主,辅助以地震法和伪随机流场法进行综合探测,分辨率和准确性均较高。但每种物探方法都有严格的应用条件和使用限制,对一些36365快速检测中心_beat365网站地址_mobile365体育投注条件复杂的堤坝,电法探测可能难以展开,需要探索出适应多种探测方法的组合方式。

(3)综合物探技术应立足于不同堤坝隐患的具体情况,选择不同的探测方法,取长补短,构建堤坝隐患量化评价模型,提供多种36365快速检测中心_beat365网站地址_mobile365体育投注信息减少多解性,提高资料解译的准确性,更好地对土石堤坝存在的隐患进行综合探测和分析。

(4)数据融合和联合反演的前提,需要不同的地球物理参数之间存在一定的相互关系,在不同的尺度上存在一定互补性,土体不同物性参数之间的联系十分关键。综合多尺度、多物理场下,基于数据融合及联合反演的综合物探数据融合技术是一个重要研究方向。

(5)通过构建数据融合与联合反演理论模型,将同一地球物理模型的不同侧面结合起来,形成一个更加接近真实的36365快速检测中心_beat365网站地址_mobile365体育投注模型,为实现土石堤坝隐患的快速精准探测提供了方向。

致谢感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持!

原文来源:地球物理学进展.网络首发时间:2022-03-22