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博士畢業論文:含隱患土石堤壩三維電場特征分析及成像識別技術研究

  • 發布日期:2018-02-06
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第一章 緒論
 
1.1 問題的提出及研究意義
我國河流湖泊眾多,水資源豐富,但同時洪水災害問題也多。為了加大對水利資源的開發和對洪水災害的防治,截至 2015 年我國修建了大中型水庫 97988座,水庫總庫容 8581 億立方米,已建成五級以上江河堤防 29.14 萬公里[1]。而這些水利設施大多數修建于上世紀 50 年代,由于當時的修筑技術的不成熟和年久失修,導致堤壩工程中出現了各種隱患,嚴重威脅著人民群眾的生命和財產安全。國家為此下撥大量的水利建設基金用于水庫病險的診斷、評價和加固。2015 年在建病險水庫除險加固工程 2622 座,截至 2015 年年底,累計完成投資 239.5 億元,項目投資完成率 77.0%。當年在建小型病險水庫除險加固工程 2413 處。在“十二五”期間,全國水利總投資預計達 1.8 萬億元。2011 年水利部開始實施新一輪《全國重點小型病險水庫除險加固規劃》工作,同時實施《全國大中型病險水閘除險加固規劃》工作。按照規劃,“十二五”期間全國需完成 5000 多條中小河流重點河段治理,涉及項目 8000 多個,治理河長 6 萬多公里,并全面完成 5400 座重點小(1)型水庫、1.59 萬座重點小(2)型水庫、2.5 萬座一般小(2)型水庫的除險加固[2]。同時未來十年,水利行業固定資產投資總規模將達 4 萬億,平均每年 4000億左右的投資規模。這一系列措施對國民經濟的正常運行和保證國家可持續發展起到了重要作用,也充分發揮了這些水利設施防洪、灌溉、發電等綜合效益。由上可見國家對水利工程除險加固的重視。而土石堤壩因為其填筑材料費用低,施工簡單,所以在實際水利工程中被大量采用。因此對土石堤壩的除險加固屬于水利工程防護的重要環節。土石堤壩隱患分類主要包括各種裂縫、洞穴、松軟層等類型,這些隱患的存在,容易使堤壩發生滲透,產生滲漏通道,嚴重時可造成潰壩。所以在土石堤壩除險加固過程中,探明這些隱患的空間位置和分布范圍,對整個治理過程起著事半功倍的作用[3] [4]。在堤壩隱患探測中,由于堤壩隱患發育的不確定性及隱蔽性,堤壩隱患探測難度非常大,傳統的探測方法有人工探視和地質鉆探。人工探視費時費力,探測效果差。地質鉆探不僅費用高而且主要有一下兩個方面問題,一方面鉆孔的布設存在一定的盲目性,局部堤壩隱患地段可能會被忽略;另一方面,發現堤壩隱患的地段,也很難探明其規模、形態及分布規律。為了達到快速、有效、經濟的目的,高密度電阻率法作為一種新型的無損探測方法脫穎而出[5]。它是一種陣列式勘探方法,通過向地下通電和測量不同位置的電位,利用地下介質與目標體電阻率的差異,來反映目標體空間形態[6]。二維高密度電阻率成像技術在堤壩隱患探測中,還存在一些問題:當測線沒有布置在隱患體上時,則地下的目標體就不能被反映出來,這給現場測試帶來了難度,特別是錯綜復雜的滲漏路徑,檢測難度就更大了;利用幾個二維斷面同時在一個界面打開,形成準三維圖像,和通過三維反演得到的真三維圖像,在精度上也有差別。所以進行三維電阻率成像技術在隱患土石堤壩診斷上的研究,對于推動水利工程隱患診斷與檢測技術的進步具有重要的理論意義和現實意義。本文依托國家自然科學基金項目“基于三維波電場耦合全息成像的堤壩隱患診斷技術研究”(51279219),開展了含隱患土石堤壩的三維電場分布特征和三維電阻率反演成像的研究,為土石堤壩隱患的識別打下基礎,為進一步的治理提供有效依據。
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1.2 土石堤壩隱患診斷技術研究現狀和發展動態
堤壩隱患是影響堤壩安全的關鍵因素,滲漏是危害土石堤壩安全的主要隱患之一,據不完全統計,我國由于土壩發生滲漏引起的潰壩事故約占全部垮壩事故的 30%以上[7]。為了確定隱患在土石堤壩中分布位置,找到壩體上滲漏發生的源頭和滲漏的溢出點,估算隱患體影響范圍,及時判斷壩體滲漏發生的嚴重性,同時為了讓水利工程安全高效地發揮作用,近年來我國開展了一系列先進的土石堤壩隱患的診斷技術的研究,其中主要的方法有示蹤法、地震法和高密度電阻率法等。示蹤法:陳建生等(2000)[8]對堤防滲流管涌發生后產生集中滲漏通道的機理進行了深入的分析探討,得到了管涌含沙量與流速的關系,并對管涌滲漏探測的天然示蹤與同位素示蹤法進行了論述,證明了示蹤法使用的可靠性。王新建等(2005)[9]利用天然示蹤法,分析了某貯灰場土壩垂向和水平溫度特征,以及電導水平分布特征,通過建立滲漏探測虛擬熱源法模型,確定了該土壩滲漏通道的位置、范圍和滲漏強度。樊哲超等(2006)[10]詳細論述了示蹤法與滲透流速的相關性,同時證明利用穩定同位素與水化學作為特征指標研究堤防滲漏的有效性。段珣(2014)[11]將溫度作為地下水滲流的天然示蹤劑,它會引起地層溫度分布產生異常現象,據此異常變化判斷地層滲流情況。地震法:吳長盛(2001)[12]利用地震反射波法、多點瞬態面波法和高密度電法,對北大港水庫堤壩隱患進行了探測,準確地確定了堤壩隱患所在位置。王書增等(2005)[13]采用面波法探測堤壩管涵、土洞、白蟻巢穴、土體疏松帶、滑坡體等隱患,成功評價壩體質量。葛雙成等(2006)[14]綜合使用瑞雷波法、探地雷達法和高密度電法,探測了多個水庫堤壩隱患,查明了滲漏原因。趙明階等(2016)[15]采用有限元數值模擬方法分析了含隱患土石堤壩三維波場特征,結果表明隱患體位置與堤壩表面接收到的波場信息有密切的相關性,并通過物理模型試驗驗證了這一結果。
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第二章 土石堤壩三維電場模擬的基本方法
 
2.1 引言
電阻率法是一種地球物理勘探方法,在堤壩、地質災害、找礦、城市地下管線規劃等方面發揮著獨特的優勢。已知地電模型和場源分布,求解電場的分布規律,稱為電法勘探的正演問題。正演計算是由已知電源分布和實測電阻率值,通過將研究對象網格化,求取各個節點電位的過程,正演結果是反演計算與解釋的基礎。本章基于電法正演原理,研究了土石堤壩三維電場模擬的方法。
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2.2 電阻率法的基本原理
電阻率法是以地下介質存在導電性差異為前提條件,通過觀測和研究人工建立的地下穩定電流場分布規律,達到解決地質問題的目的。比較常用的電阻率測量裝置有溫納α裝置、溫納β裝置、溫納γ裝置、二極裝置、偶極裝置、施倫貝格裝置。各種測量排列方式及裝置系數計算公式如圖 2.4所示。每種測量裝置由于敏感度分布不同,所以測量范圍不一致,從而每種測量裝置的成像分辨率不同。溫納裝置具有較好垂直分辨率,偶極裝置具有較好的水平分辨率,施倫貝格裝置具有較好的水平和垂直分辨率,但都比前者要低,二極裝置水平調查范圍最大,測量深度最深,但是它的分辨率最低。在測量中應該結合地形限制、測量要求和各種測量裝置的特點,選擇合適的測量裝置[60]。
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第三章 含隱患土石堤壩三維電場模擬與特征分析........19
3.1 引言 .... 19
3.2 無隱患土石堤壩的三維電場模擬 ............ 19
3.2.1 土石堤壩三維電場模擬概化模型 ............. 19
3.2.2 無隱患土石堤壩三維電場分布特征 ......... 20
3.2.3 無隱患堤壩壩頂電勢差變化規律 ............. 22
3.3 不同隱患土石堤壩的三維電場特征分析 ........... 23
3.4 電源條件對土石堤壩三維電場特征的影響分析 ......... 30
3.5 本章小結 ....... 38
第四章 土石堤壩隱患的三維電阻率成像識別方法........40
4.1 引言 .... 40
4.2 三維電阻率成像反演算法 ............ 40
4.3 含水平隱患土石堤壩三維電阻率成像反演 ...... 42
4.4 含垂向隱患土石堤壩三維電阻率反演分析 ...... 49
4.5 本章小結 ....... 61
第五章 含隱患土石堤壩三維電阻率成像識別的模型試驗.......63
5.1 引言 .... 63
5.2 含隱患土石堤壩三維模型設計 .... 63
5.3 堤壩模型電阻率測試 .......... 68
5.4 堤壩電阻率成像與隱患識別 ......... 70
5.5 本章小結 ....... 74
 
第五章 含隱患土石堤壩三維電阻率成像識別的模型試驗
 
5.1 引言
通過電場數值模擬和反演數值模擬,可知含隱患土石堤壩的電場和電阻率變化有明顯的相關性,不同的隱患對應不同電場和電阻率變化規律。為了進一步驗證電場數值模擬和反演數值模擬的結果,通過制作土石堤壩物理模型,進行了電阻率采集試驗,對現場采集到的數據進行分析和反演計算,分別驗證電場數值模擬和反演數值模擬的可靠性。土石壩模型壩頂長 10.7m,壩頂寬 4m,壩底長 8.8m,壩底寬 10.5m,高 2.3m。壩體采用泥巖破碎土填筑,上游坡率 1:1.5,下游坡率 2.3:3,底板下面鋪碎石層,上面鋪水泥石粉,磚砌圍墻與地板連接良好,墻內抹砂漿,確保底板圍墻均不漏水。模型橫斷面圖和平面圖如 5.1 所示。填筑時,控制每層土填筑厚度在 30-40cm 之間,采用打夯機均勻夯實。為了保證壓實度達到要求,分別在填筑厚度到達 40cm、1m、2m 時,在壩軸線上三處地方采用灌水法,測定相應土的質量和體積,然后將土樣帶回實驗室,烘干后測定干質量,算出干密度,由前面已知的最大干密度,最后算出壓實度均滿足要求.
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結論
 
土石堤壩在長期運行管理中,常常會出現各種隱患,不僅影響其正常使用,而且極易造成潰壩等安全事故。因此,如何快速、經濟、有效地探測到這些隱患,對病險土石堤壩的治理就顯得尤為重要。本文依托國家自然科學基金(51279219),采用理論分析、數值模擬、模型試驗和現場測試等研究方法,對含隱患土石堤壩三維電場特征和成像識別方法進行了研究 ,重點分析了不同隱患類型土石堤壩電場分布特征,以及電源條件變化對土石堤壩電場分布特征的影響,得到了對應的電場變化規律,基于正演電場模擬結果,通過反演成像分析了隱患三維電阻率成像特征,從而得到土石堤壩隱患三維電阻率成像的識別方法,結合模型試驗和工程應用,提出了收集數據、信號處理、分析數據和電阻率成像的方法,驗證了其可靠性和可行性,為實際工程設計,提供合理、科學的依據和參考。主要研究結論如下:
(1) 通過建立土石堤壩三維有限差分數值模型,對比分析了無隱患和含隱患土石堤壩電場分布特征,得到了含不同隱患類型土石堤壩三維電場分布規律,可以總結為,低阻隱患由于對電流有吸引作用,導致在壩體內部靠近低阻隱患四周電場強度得到增加,電場方向會發生偏轉指向低阻隱患,形成電場異常區,且電場異常區所在位置與隱患所在位置大致相同;高阻隱患由于對電流有排斥作用,導致在壩體內部靠近高阻隱患四周電場強度會減小,電場方向會發生偏轉偏離高阻隱患,形成電場異常區,且電場異常區所在位置與隱患所在位置有大致相同。
(2) 基于含隱患土石堤壩的三維電場模擬結果,分析了不同電源條件下土石堤壩三維電場分布特征,結果表明不同電源條件下土石堤壩三維電場分布特征,與含隱患土石堤壩三維電場分布規律一致。對比分析電源條件改變對土石堤壩三維電場特征的影響,結果表明單個電源條件下含隱患土石堤壩的電場變化范圍較大,導致對應壩頂的電場變化范圍較大,在實際測量中有利于發現隱患大致范圍,不利于探測隱患的尺寸大小。異性電源條件下含隱患土石堤壩的電場變化區較小,導致對應壩頂的電場變化范圍較小,測量中不利于發現隱患所在位置,有利于探測隱患尺寸大小。
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