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博士毕业论文:含隐患土石堤坝三维电场特征分析及成像识别技术研究

  • 发布日期:2018-02-06
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第一章 绪论
 
1.1 问题的提出及研究意义
我国河流湖泊众多,水资源丰富,但同时洪水灾害问题也多。为了加大对水利资源的开发和对洪水灾害的防治,截至 2015 年我国修建了大中型水库 97988座,水库总库容 8581 亿立方米,已建成五级以上江河堤防 29.14 万公里[1]。而这些水利设施大多数修建于上世纪 50 年代,由于当时的修筑技术的不成熟和年久失修,导致堤坝工程中出现了各种隐患,严重威胁着人民群众的生命和财产安全。国家为此下拨大量的水利建设基金用于水库病险的诊断、评价和加固。2015 年在建病险水库除险加固工程 2622 座,截至 2015 年年底,累计完成投资 239.5 亿元,项目投资完成率 77.0%。当年在建小型病险水库除险加固工程 2413 处。在“十二五”期间,全国水利总投资预计达 1.8 万亿元。2011 年水利部开始实施新一轮《全国重点小型病险水库除险加固规划》工作,同时实施《全国大中型病险水闸除险加固规划》工作。按照规划,“十二五”期间全国需完成 5000 多条中小河流重点河段治理,涉及项目 8000 多个,治理河长 6 万多公里,并全面完成 5400 座重点小(1)型水库、1.59 万座重点小(2)型水库、2.5 万座一般小(2)型水库的除险加固[2]。同时未来十年,水利行业固定资产投资总规模将达 4 万亿,平均每年 4000亿左右的投资规模。这一系列措施对国民经济的正常运行和保证国家可持续发展起到了重要作用,也充分发挥了这些水利设施防洪、灌溉、发电等综合效益。由上可见国家对水利工程除险加固的重视。而土石堤坝因为其填筑材料费用低,施工简单,所以在实际水利工程中被大量采用。因此对土石堤坝的除险加固属于水利工程防护的重要环节。土石堤坝隐患分类主要包括各种裂缝、洞穴、松软层等类型,这些隐患的存在,容易使堤坝发生渗透,产生渗漏通道,严重时可造成溃坝。所以在土石堤坝除险加固过程中,探明这些隐患的空间位置和分布范围,对整个治理过程起着事半功倍的作用[3] [4]。在堤坝隐患探测中,由于堤坝隐患发育的不确定性及隐蔽性,堤坝隐患探测难度非常大,传统的探测方法有人工探视和地质钻探。人工探视费时费力,探测效果差。地质钻探不仅费用高而且主要有一下两个方面问题,一方面钻孔的布设存在一定的盲目性,局部堤坝隐患地段可能会被忽略;另一方面,发现堤坝隐患的地段,也很难探明其规模、形态及分布规律。为了达到快速、有效、经济的目的,高密度电阻率法作为一种新型的无损探测方法脱颖而出[5]。它是一种阵列式勘探方法,通过向地下通电和测量不同位置的电位,利用地下介质与目标体电阻率的差异,来反映目标体空间形态[6]。二维高密度电阻率成像技术在堤坝隐患探测中,还存在一些问题:当测线没有布置在隐患体上时,则地下的目标体就不能被反映出来,这给现场测试带来了难度,特别是错综复杂的渗漏路径,检测难度就更大了;利用几个二维断面同时在一个界面打开,形成准三维图像,和通过三维反演得到的真三维图像,在精度上也有差别。所以进行三维电阻率成像技术在隐患土石堤坝诊断上的研究,对于推动水利工程隐患诊断与检测技术的进步具有重要的理论意义和现实意义。本文依托国家自然科学基金项目“基于三维波电场耦合全息成像的堤坝隐患诊断技术研究”(51279219),开展了含隐患土石堤坝的三维电场分布特征和三维电阻率反演成像的研究,为土石堤坝隐患的识别打下基础,为进一步的治理提供有效依据。
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1.2 土石堤坝隐患诊断技术研究现状和发展动态
堤坝隐患是影响堤坝安全的关键因素,渗漏是危害土石堤坝安全的主要隐患之一,据不完全统计,我国由于土坝发生渗漏引起的溃坝事故约占全部垮坝事故的 30%以上[7]。为了确定隐患在土石堤坝中分布位置,找到坝体上渗漏发生的源头和渗漏的溢出点,估算隐患体影响范围,及时判断坝体渗漏发生的严重性,同时为了让水利工程安全高效地发挥作用,近年来我国开展了一系列先进的土石堤坝隐患的诊断技术的研究,其中主要的方法有示踪法、地震法和高密度电阻率法等。示踪法:陈建生等(2000)[8]对堤防渗流管涌发生后产生集中渗漏通道的机理进行了深入的分析探讨,得到了管涌含沙量与流速的关系,并对管涌渗漏探测的天然示踪与同位素示踪法进行了论述,证明了示踪法使用的可靠性。王新建等(2005)[9]利用天然示踪法,分析了某贮灰场土坝垂向和水平温度特征,以及电导水平分布特征,通过建立渗漏探测虚拟热源法模型,确定了该土坝渗漏通道的位置、范围和渗漏强度。樊哲超等(2006)[10]详细论述了示踪法与渗透流速的相关性,同时证明利用稳定同位素与水化学作为特征指标研究堤防渗漏的有效性。段珣(2014)[11]将温度作为地下水渗流的天然示踪剂,它会引起地层温度分布产生异常现象,据此异常变化判断地层渗流情况。地震法:吴长盛(2001)[12]利用地震反射波法、多点瞬态面波法和高密度电法,对北大港水库堤坝隐患进行了探测,准确地确定了堤坝隐患所在位置。王书增等(2005)[13]采用面波法探测堤坝管涵、土洞、白蚁巢穴、土体疏松带、滑坡体等隐患,成功评价坝体质量。葛双成等(2006)[14]综合使用瑞雷波法、探地雷达法和高密度电法,探测了多个水库堤坝隐患,查明了渗漏原因。赵明阶等(2016)[15]采用有限元数值模拟方法分析了含隐患土石堤坝三维波场特征,结果表明隐患体位置与堤坝表面接收到的波场信息有密切的相关性,并通过物理模型试验验证了这一结果。
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第二章 土石堤坝三维电场模拟的基本方法
 
2.1 引言
电阻率法是一种地球物理勘探方法,在堤坝、地质灾害、找矿、城市地下管线规划等方面发挥着独特的优势。已知地电模型和场源分布,求解电场的分布规律,称为电法勘探的正演问题。正演计算是由已知电源分布和实测电阻率值,通过将研究对象网格化,求取各个节点电位的过程,正演结果是反演计算与解释的基础。本章基于电法正演原理,研究了土石堤坝三维电场模拟的方法。
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2.2 电阻率法的基本原理
电阻率法是以地下介质存在导电性差异为前提条件,通过观测和研究人工建立的地下稳定电流场分布规律,达到解决地质问题的目的。比较常用的电阻率测量装置有温纳α装置、温纳β装置、温纳γ装置、二极装置、偶极装置、施伦贝格装置。各种测量排列方式及装置系数计算公式如图 2.4所示。每种测量装置由于敏感度分布不同,所以测量范围不一致,从而每种测量装置的成像分辨率不同。温纳装置具有较好垂直分辨率,偶极装置具有较好的水平分辨率,施伦贝格装置具有较好的水平和垂直分辨率,但都比前者要低,二极装置水平调查范围最大,测量深度最深,但是它的分辨率最低。在测量中应该结合地形限制、测量要求和各种测量装置的特点,选择合适的测量装置[60]。
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第三章 含隐患土石堤坝三维电场模拟与特征分析........19
3.1 引言 .... 19
3.2 无隐患土石堤坝的三维电场模拟 ............ 19
3.2.1 土石堤坝三维电场模拟概化模型 ............. 19
3.2.2 无隐患土石堤坝三维电场分布特征 ......... 20
3.2.3 无隐患堤坝坝顶电势差变化规律 ............. 22
3.3 不同隐患土石堤坝的三维电场特征分析 ........... 23
3.4 电源条件对土石堤坝三维电场特征的影响分析 ......... 30
3.5 本章小结 ....... 38
第四章 土石堤坝隐患的三维电阻率成像识别方法........40
4.1 引言 .... 40
4.2 三维电阻率成像反演算法 ............ 40
4.3 含水平隐患土石堤坝三维电阻率成像反演 ...... 42
4.4 含垂向隐患土石堤坝三维电阻率反演分析 ...... 49
4.5 本章小结 ....... 61
第五章 含隐患土石堤坝三维电阻率成像识别的模型试验.......63
5.1 引言 .... 63
5.2 含隐患土石堤坝三维模型设计 .... 63
5.3 堤坝模型电阻率测试 .......... 68
5.4 堤坝电阻率成像与隐患识别 ......... 70
5.5 本章小结 ....... 74
 
第五章 含隐患土石堤坝三维电阻率成像识别的模型试验
 
5.1 引言
通过电场数值模拟和反演数值模拟,可知含隐患土石堤坝的电场和电阻率变化有明显的相关性,不同的隐患对应不同电场和电阻率变化规律。为了进一步验证电场数值模拟和反演数值模拟的结果,通过制作土石堤坝物理模型,进行了电阻率采集试验,对现场采集到的数据进行分析和反演计算,分别验证电场数值模拟和反演数值模拟的可靠性。土石坝模型坝顶长 10.7m,坝顶宽 4m,坝底长 8.8m,坝底宽 10.5m,高 2.3m。坝体采用泥岩破碎土填筑,上游坡率 1:1.5,下游坡率 2.3:3,底板下面铺碎石层,上面铺水泥石粉,砖砌围墙与地板连接良好,墙内抹砂浆,确保底板围墙均不漏水。模型横断面图和平面图如 5.1 所示。填筑时,控制每层土填筑厚度在 30-40cm 之间,采用打夯机均匀夯实。为了保证压实度达到要求,分别在填筑厚度到达 40cm、1m、2m 时,在坝轴线上三处地方采用灌水法,测定相应土的质量和体积,然后将土样带回实验室,烘干后测定干质量,算出干密度,由前面已知的最大干密度,最后算出压实度均满足要求.
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结论
 
土石堤坝在长期运行管理中,常常会出现各种隐患,不仅影响其正常使用,而且极易造成溃坝等安全事故。因此,如何快速、经济、有效地探测到这些隐患,对病险土石堤坝的治理就显得尤为重要。本文依托国家自然科学基金(51279219),采用理论分析、数值模拟、模型试验和现场测试等研究方法,对含隐患土石堤坝三维电场特征和成像识别方法进行了研究 ,重点分析了不同隐患类型土石堤坝电场分布特征,以及电源条件变化对土石堤坝电场分布特征的影响,得到了对应的电场变化规律,基于正演电场模拟结果,通过反演成像分析了隐患三维电阻率成像特征,从而得到土石堤坝隐患三维电阻率成像的识别方法,结合模型试验和工程应用,提出了收集数据、信号处理、分析数据和电阻率成像的方法,验证了其可靠性和可行性,为实际工程设计,提供合理、科学的依据和参考。主要研究结论如下:
(1) 通过建立土石堤坝三维有限差分数值模型,对比分析了无隐患和含隐患土石堤坝电场分布特征,得到了含不同隐患类型土石堤坝三维电场分布规律,可以总结为,低阻隐患由于对电流有吸引作用,导致在坝体内部靠近低阻隐患四周电场强度得到增加,电场方向会发生偏转指向低阻隐患,形成电场异常区,且电场异常区所在位置与隐患所在位置大致相同;高阻隐患由于对电流有排斥作用,导致在坝体内部靠近高阻隐患四周电场强度会减小,电场方向会发生偏转偏离高阻隐患,形成电场异常区,且电场异常区所在位置与隐患所在位置有大致相同。
(2) 基于含隐患土石堤坝的三维电场模拟结果,分析了不同电源条件下土石堤坝三维电场分布特征,结果表明不同电源条件下土石堤坝三维电场分布特征,与含隐患土石堤坝三维电场分布规律一致。对比分析电源条件改变对土石堤坝三维电场特征的影响,结果表明单个电源条件下含隐患土石堤坝的电场变化范围较大,导致对应坝顶的电场变化范围较大,在实际测量中有利于发现隐患大致范围,不利于探测隐患的尺寸大小。异性电源条件下含隐患土石堤坝的电场变化区较小,导致对应坝顶的电场变化范围较小,测量中不利于发现隐患所在位置,有利于探测隐患尺寸大小。
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