自然电场概率成像方法在堤坝渗漏检测中的应用
堤坝隐患探测技术在水库大坝隐患探测中的应用
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ４ — ０ ８ — ２ Ｏ
为 确保水 库 大坝 的安 全 ，水库 主管 部 门决定 采 用 堤坝 隐患探 测 技 术对 坝 体 渗 漏 隐患 进 行 探测 ． 以
便确 定 隐患 的空 间分 布 ，为下 一步 水库 除险 加 固提
供数 据 支持 。
作者简介 ： 唐庆瑜 （ １ ９ ８ ３ 一） ， 男， 辽宁大连人 ， Ｔ程师 ， 主要 从 事 河 道 堤 防 和 基 础 处 理 的 工 程建 设 、 管理。
极距为 ２ ｍ： ｌ ｌ Ｉ 一１ １ Ｉ 测 线 布 置 在 背 水 面 的砂 砾石 压 重上 ． 距 坝脚 １ ８ ｍ处 。 采 用 温纳装 置 ， 电 极 距 为 ２ ｍ： Ⅳ一 Ⅳ 测线 布 置 在迎 水 面 坡 面 上 ， 测 线顶 高 程 为 ６ ４ ． ０ｍ（ 现状水位 ） ； Ｖ—Ｖ 测 线 布 置 在迎 水 面 坡
自然 电场 法 等探 测 方 法 ， 成功应用在辽河 、 浑 河 堤 防和 一些 中小 型水 库 大坝 渗 漏 探 测 中 ． 取得 了一 定
的探 测效 果 。 本 文 以 辽 宁省关 门 山水库 大 坝 隐患 探 测 为例 ，对 堤 坝 隐患 探 测 技 术 中 的 高 密 度 电阻 率
法、 自然 电场 法 的野 外 探 测 、 数 据 解 译 进 行 详 细 分
・
２１ ・
自然电场法在水文地质调查中应用
自然电场法在水文地质调查中的应用摘要：自然电场法是地球物理方法中最古老的方法之一，由于其操作简便、工作效益高等特点，近年来被广泛应用于水文地质调查。
本文通过对自然电场法的方法原理介绍，结合工程实例，说明了该方法的应用效果，值得在水文地质调查中大力推广。
关键词：地球物理自然电场渗漏水文地质调查1、概述我国现有大量的水利工程由于经过了多年的运营，出现了不同程度的渗漏问题，不仅造成了水库库容损失等直接经济损失，还对工程的安全构成了极大的威胁。
因此，有必要通过进行必要的水文地质调查，来准确具体确定的渗漏部位，查找地下水渗漏通道，以便对存在渗漏隐患的水利工程进行除险加固提供资料和依据。
很多地球物理方法被应用于水文地质调查，如水利部建设了水利工程隐患的试验场，开展了高密度电法、地质雷达、瞬变电磁法等多种地球物理方法，所用这些工作为地球物理方法进行水利工程的水文地质调查提供了指导，但同时我们也一直在寻求一种准确、快速、简便的方法来广泛进行水文地质调查。
自然电场法是地球物理方法中最古老的方法之一，由于其不需要向地下供电，只需直接测量地表两点间的自然电位，易于开展工作，效率也高，所以近年来自然电场法被广泛应用于水文地质调查。
2、方法原理在自然界中，当地下水在裂隙或裂缝中渗流时，固体颗粒表面对水溶液中的负离子具有选择性的吸附作用，因此流动的水中正离子的浓度相对增大，这样固体颗粒表面或带有相反电荷的水溶液在流动过程中要维持动态平衡，从而形成了一定的电位差。
这种由水的渗透过滤作用而产生的电场，称为过滤电场(或渗透电场)。
结合地层情况分析可知，副坝坝址区地下存在渗透电场，在地面两点间存在着天然电流场，可通过观测地面两点的自然电位差来测定。
一般来说，渗漏通道形成后产生过滤电场，在其上方呈现出低电位异常(相对于正常场)。
自然电场法包括电位观测法及梯度观测法两种，电位观测法是通过仪器及不极化电极测出某一条剖面或某几条剖面上的电位曲线图，测量时将n极置于无穷远处某一自然电场稳定的区域内，将m 极在剖面上按照一定的距离依次移动，测出该剖面上的自然电位变化情况，通过分析电位曲线图，可以推测地下水渗流情况。
物探技术在水库堤防渗漏通道探测中的应用
物探技术在水库堤防渗漏通道探测中的应用【摘要】水库属于重要的水利设施，一旦出现提防渗漏的问题，会对水库造成巨大的影响，无法发挥水库原有的功效，为此要选择适合技术展开综合探测，确定水库提防渗漏情况，制定合理的修复方案。
本文采取实例研究的方式，主要研究物探技术在水库提防渗漏通道探测中的应用，先介绍水库的大体情况，再研究物探技术的应用原理及结果，希望为类似工程提供参考借鉴。
【关键词】物探技术；水库；提防；渗漏通道；探测一般情况下，水库提防渗漏是一个徐变渐进的过程，不会出现突然垮塌的现象，引发巨大经济损失，但是也会带来不小的负面影响：一是会降低水库效益，引发小规模经济损失。
二是影响坝坡整体的稳定性，引发滑坡问题，威胁整个大坝的安全性。
三是出口被水流冲走，或者引发管涌问题。
可以看出，一旦水库提防出现渗漏通道，就要加强重视，立即组织相关人员展开调查，先确定引发渗漏的具体原因，选用适合的探测技术收集渗漏通道的相关信息，才能制定出科学合理的加固方案，避免出现同样的问题。
1水库概况某水库属于中型水库，位于某溪流上部位置，包含主坝、副坝、溢流闸坝等建筑物。
水库已经投入使用多年，存在一定的磨损，实地调查后发现，主坝水位在327m附近出现渗漏点，经过技术人员判别后，确认坝体存在渗漏通道，为了加固大坝，需要解决两大问题，一个就是确定坝体是否存在渗漏通道，如果存在通道，要找出通道的具体位置。
另一个则是找出坝体隐患，主要存在于为形成渗漏通道的位置上。
在确定上述问题以后，对水库展开实地调研，现场收集地质资料，发现坝体属于匀制土坝，下面铺设原装岩土层，如果坝体内部缺失存在渗漏的通道，会对内部的含水量产生影响，同时也会出现局部疏松的现象，这些问题都会引发物理性质差异，这就给物探技术的应用奠定了基础。
经过对土坝的多方面考察，最终决定采用综合物探技术探测渗漏通道，具体包括高密度电阻率法、自然电位法等，可以全方位探测土坝内情况，此外还要对各种探测技术进行对比研究，确定不同方法的优缺点，为今后的坝体探测工作提供帮助。
基于自然电场与电阻率法的尾矿库渗漏探测数值模拟研究
时,自然电场法具有测点布设灵活、仪器设备简便、
知,进而主要研究自然电场源的地表异常响应特征。
地下电阻率信息通常由直流电阻率法或电磁法确
定,尤其以直流电阻率法为主[17]。
1.
2 直流电阻率法
直流电阻率法作为一种主动源地球物理探测技
术,通过接地电极向地下供电,建立稳定的地下人工
2
1 c
o
s(
r,
n) 2
+∫Γ㠊 σ
u dΓ
2
r
δV(
u)=0
在自然电场法中,通常假定地下电阻率结构已
拟算法求解。与上述边值问题等价的变分问题可表
示为[19]:
电位异常信息的特点,在工程与环境地球物理领域
广泛应用[18]。
案是将其转换为等价的变分问题,然后采用数值模
测量方法简单、数据处理方便、能快速有效提取自然
电流场满足的边值问题。求解该边值问题的常规方
(
4)
2 有限元—无限元耦合法
为避免因电源移动而引起总刚度矩阵多次更
新,本文采用有限元—无限元耦合法[22]提高计算精
度及效率,其中无限单元充当边界单元以处理截断
边界问题。有限元—无限元耦合法广泛应用于岩土
工程力学等领域,近年来在地球物理领域尤其是在
自然电场法[22]、直流电阻率法[23]以及电磁法[24]数
[ ]
进行研究;
Guo等 17 通过直流电阻率法和自然电场
法成功重构了大坝渗漏通道。以上研究表明,综合
收稿日期:2022
11
05
基金项目:中国电建贵阳勘测设计研究院有限公司重大科技项目(
鲁地拉水电站大坝基础渗漏物探检测方法
鲁地拉水电站大坝基础渗漏物探检测方法摘要：本文对鲁地拉水电站大坝开展检测工作的思路是：①首先采用自然电场法和伪随机渗流场法在消力池及下游河道区域进行面积性的普查，并在前两种方法探测发现异常部位进行加密测试以确定异常区域；②根据初步测试成果分析后，在坝廊道内选择一定数量的排水孔投放示踪剂（高锰酸钾），观测颜色溢出的位置及时间，以此判断渗漏水的流向及流速；③对廊道内所有排水孔进行孔内温度测试，确定温度场异常区，推测渗漏区段，最后分析渗漏的原因。
关键词：大坝；渗漏；物探检测1、工程概况鲁地拉水电站位于云南省丽江市永胜县与大理白族自治州宾川县交界处的金沙江干流上，为金沙江中游水电规划8个梯级电站中的第7个梯级电站。
本工程属一等大（1）型工程，其主要任务是发电。
枢纽建筑物由拦河坝、泄水表孔、底孔及地下厂房等组成。
水库正常蓄水位1223m，总库容17.18亿m3，调节库容3.76亿m3，具有周调节性能。
电站总装机容量2160MW，保证出力946.5MW，年发电量99.57亿kW?h，年利用小时数4610h。
枢纽由左右岸挡水坝、河床溢流表孔、左右底孔、右岸引水发电系统组成。
拦河坝采用碾压混凝土重力坝，坝顶高程1228.00m，最大坝高140 m，坝顶长622m（含进水口坝段），共分28个坝段。
在水库下闸蓄水至1170m~1180m高程时，左岸坝内廊道出现漏水的情况，渗漏量约60L/s，积水廊道为6坝段横向廊道、6坝段和7坝段之间的纵向廊道、10坝段和11坝段的纵向廊道、11坝段和12坝段下游横向廊道、12坝段和13坝段间的纵向廊道下游段及12坝段下游的横向廊道、16坝段和17坝段等。
2.工程地质简况：1）1#灌浆排水洞岩体主要为青灰色变质砂岩，有正长岩脉和云煌岩脉穿插侵入，岩体中断层裂隙较发育。
2）左岸坝基1#～11#坝段建基面高程1115m～1214m，岩体主要为浅变质青灰色石英砂岩，其间有正长岩脉和云煌岩脉穿插侵入。
水库大坝渗漏常用探测技术及工程应用
水库大坝渗漏常用探测技术及工程应用摘要：有效、准确地探测渗漏病害是评价大坝渗漏安全和进行加固处理的重要前提，但由于水库大坝建筑物规模大、范围广，渗漏病害的渗漏点分散，渗漏病害具有较强的复杂性与隐蔽性，其探测一直以来都是大坝安全领域的一项技术难题。
关键词：水库大坝；渗漏问题；探测技术；措施分析1水库大坝渗漏探测技术现状1.1电磁法类电磁法类主要包括自然电场法、高密度电阻率法、瞬变电磁法、大地电磁法、探地雷达法、电磁波CT法等。
此类方法通过测量岩土材料本身电磁特性及其在天然或人工激发电磁信号作用下响应来探测坝体内部缺陷情况，若坝体内存在集中渗漏通道时会呈现明显电磁信号异常。
由于电磁信号在岩土地质体中衰减速率较快，电磁法类有效探测距离较短，且电磁信号易受外界环境及地层本身非均匀性干扰，探测精度常受到限制。
1.2弹性波法类弹性波法类主要包括地震折射波法、瑞雷波法、弹性波CT法、声呐法等。
此类方法利用人工激发的地震波、瑞雷波、声波等弹性波在被测介质中的不同传播速度及反射、折射、透射等原理对介质内部的缺陷进行检测。
如声呐法利用声波在水中的优异传导特性，基于多普勒原理实现对水库库底流速场的检测，以定位入渗点。
近年声呐法在闸坝、面板坝及沥青心墙坝等坝型渗漏检测中得到了成功应用，但此类方法多采用二维断面检测，需要布置大量断面才能显示整体检测结果。
1.3示踪法类示踪法类主要包括同位素示踪法、连通性试验、水化学分析等。
此类方法通过在大坝上游或渗漏入口投入同位素示踪剂、荧光素、食品级颜料或其他对环境无毒害的颜料示踪剂，调查渗漏入口的水化学成分（如氯离子、硫酸根离子、重碳酸根离子，钙、镁、钾、钠等离子），并在大坝下游渗漏出口进行监测，以判断水流的连通性及渗漏通道的存在。
此类方法一般作为渗漏探测的辅助验证手段，无法确定渗漏通道在大坝内部的分布情况。
1.4视频法类视频法类主要包括潜水员视频检查、彩色电视视频检查、水下机器人（ROV）探测、水下喷墨摄像、钻孔彩色电视成像技术等。
浅谈自然电场法在水利工程中的应用
浅谈自然电场法在水利工程中的应用摘要：自然电场法是通过观测研究自然电场的分布规律，来解决地质问题的一种方法。
自然电场法可确定水库漏水地点，了解河水和地下水的水力联系，了解岩溶地区地下水活动情况。
关键词：自然电场法；水利水电工程；电位法；中间梯度法；渗漏点；电极1 前言在地层中产生积聚电荷现象的各种过程均可形成自然电场，利用局部自然电场的探测方法称为自然电场法。
它是通过观测研究自然电场的分布规律，来解决地质问题的一种方法。
由于自然电场电流场强度小、电极极化等原因，测量电极需采用不极化电极。
在水利水电工程中水库漏水点的确定，河水与地下水的水力联系，岩溶地区地下水活动情况等问题一直影响着水利事业的发展，解决这些问题的方式方法有诸多方案，就比较而言，采用自然电场法相对高效及经济。
2 方法特点自然电场法是地下的一些岩石或矿石，可以由氧化还原作用、地下水渗透作用、扩散作用和岩石颗粒的吸附作用等自然形成的电场。
自然电场法在寻找金属矿、煤以及在水文地质、地下热源工作中都有一定的应用。
在水利水电工程勘测中，自然电场法主要研究渗漏电场；当水透过岩土介质时，由于介质的过滤活动性而产生过滤电位；过滤电位与介质孔隙空间的构造、孔度系数、渗透系数、过滤液体的化学成分及矿化作用有关；当渗透性很小时，过滤电位随介质渗透系数的增加而增加；当介质渗透系数极小时，过滤电位实际上为零，其介质过滤活动性为零；过滤电位随含有能过滤液体的孔隙空间部分增多而减小；过滤活动性是随动电位、电阻率、过滤液体的介电常数减小和过滤液体的黏滞性的增加而衰减，随过滤压力增加而增加。
它的优点是不需要供电电源，工作速度快，成本低。
缺点是非矿异常和干扰较多。
3 野外工作方法（1）测网布置：主要根据勘探对象的大小，以及研究工作的详细程度而定，一般与电阻率法的要求相同。
基线通常平行于勘探对象的走向，测线垂直于基线。
测点点距0.5H～1H，剖面间距宜为点距2～4倍或由试验确定或按工作比例尺选择；至少有2～3条测线通过异常段，每条测线上至少有3个异常点；用自然电位测量抽水影响半径时，测线应按放射状布置。
综合物探法在水库防渗墙渗漏检测中的应用
综合物探法在水库防渗墙渗漏检测中的应用发布时间：2021-07-15T13:19:31.487Z 来源：《建筑实践》2021年40卷8期作者：杨瑞平[导读] 介绍了自然电位、高密度电、声波透射和钻孔电视法在某水库防渗墙探测中的应用及效果。
杨瑞平重庆同望水利水电工程设计有限公司重庆 401120摘要：介绍了自然电位、高密度电、声波透射和钻孔电视法在某水库防渗墙探测中的应用及效果。
渗墙检测已经确定了异常范围。
在不破坏墙体完整性的前提下，采用渗墙检测灌浆预埋孔进行声波对穿试验，确定防水墙体渗漏原因。
下游林带枯萎的减少说明综合物探对防渗墙的渗漏检测更为有效。
关键词：水库防渗墙；渗漏检测；综合物探防渗墙是水利工程中广泛应用的一种基础防渗处理，其质量直接影响到居民的生活。
综合物探法作为一种实用、高效、无损的检测方法，可以有效地识别防水墙体的缺陷，并对其连续性和一致性做出更好的直接判断。
一、综合物探法的原理综合物探法是以先进的电子信息技术为基础的一种新方法，在地质科学领域水文地质勘探中得到了广泛的应用。
综合物探法原理非常简单，即根据不同地层的物理特征，利用精密电子仪器探测断层构造。
勘探地质构造中岩石的辐射和密度应根据仪器获得的反馈数据来确定。
由于地质构造的不同，有许多不同的物理性质。
探矿者可以利用电子仪器提供的反馈数据和图像，对地质构造进行准确、定量的分析。
同时，对地质构造的稳定性和岩体的辐射性进行分析是非常重要和有效的。
这将有助于更好地了解各岩层的结构和岩石类型。
二、综合物探的作用随着综合物探技术的发展，该技术已广泛应用于各个领域，并在实际测试中取得了良好的效果。
1.地质探测运用于地质灾害。
近年来，我国突发性自然灾害发生的频率越来越高，因此有必要更好地探测地质灾害。
在地质构造的科学勘探过程中，可以确定异常构造的位置和岩石破裂的状态，并对探测数据进行有效的跟踪，防止各种自然灾害的发生。
2.水文地质勘探，水文地质勘探一般是以水质导电率和岩石电磁场的综合观测为基础的。
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自然电场概率成像方法在堤坝渗漏检测中的应用
发表时间：2018-10-29T19:19:55.273Z 来源：《防护工程》2018年第19期作者：顾庙元
[导读] 堤坝渗漏是水利工程设施的重大安全隐患
上海勘测设计研究院有限公司 200434
摘要：堤坝渗漏是水利工程设施的重大安全隐患。
目前很多地球物理方法如高密度电法、GPR、反射地震勘探法、瞬变电磁法、自然电场法均可用于堤坝的渗漏检测，其中自然电场方法（SP）因其简便易行、效率高的特点得到较多应用。
常规的SP解释是基于自然电位曲线或平面图形态的定性或半定量的解释。
概率成像方法是一种新的自然电场解释方法，它将测量的地面电场与相应电荷模型的电场扫描函数(SDS函数)进行归一化的互相关运算，从而确定地下电荷分布。
对于堤坝渗漏的检测问题，我们通常沿着堤坝布置测线测量自然电位。
本文研究了二维情况下自然电场概率成像方法，对堤坝渗漏形成的自然电场的机理和特点进行系统分析，抽象出了一个合理电学模型。
对一个实际资料进行了概率成像处理，对比GPR、地震映像法剖面，证实了自然电场概率成像方法在堤坝渗漏检测中的可行性。
关键词：堤坝渗漏、自然电场（SP）、概率成像、防渗墙
绪论
堤坝和防渗墙的渗漏是水利工程的重大安全隐患，渗漏检测已成为一个亟待解决的技术问题。
利用自然电场检测堤坝的渗漏隐患，解释推断出集中渗漏带的宽度、埋深、走向以及渗流的时空动态，为工程除险加固提供可靠的技术资料，将具有重大的社会意义。
目前，自然电场法的解译方法主要为基于自电曲线形态的定性解释方法。
郑灿堂【1】依据全国各地进行的数十座水利工程的原位测试资料，将渗流在自电曲线上的反映归结为窄幅异常、宽幅异常、宽幅双峰异常、多峰异常和塔式异常五种基本形态。
定性解释方法的应用效果严重依赖于工作人员的经验。
1997年，Patella【2】提出了一种自然电场异常解释的新方法——概率成像法。
它利用测量的地面电场与电场扫描函数进行归一化的互相关运算，通过定义电荷在测量区域中分布的概率密度, 确定电荷的分布。
杨磊【3】等通过连续监测野外试验场的自然电位场，获取连续的自然电位平面图，直接获知了土壤水分在平面上的主要入渗区域，同时借助自然电位成像方法，揭示了土壤中水分运移的主要通道，并探测出两个地下孔洞的位置。
根据堤坝渗漏的电场特征以及自然电位沿堤坝测量的特点，提出了二维线电荷模型概率成像方法，并将其成功应用到某堤坝渗漏检测项目中。
1 堤坝渗漏形成的自然电场分析
土坝的坝体和坝基都具有一定的透水性，渗漏现象是不可避免的。
将能够引起土体渗透破坏或渗漏量过大影响水利工程的，称为异常渗漏。
异常渗漏是堤坝的重大安全隐患，它往往会逐渐发展，形成对坝体或坝基的破坏，严重的能够导致垮坝决堤。
常见的自然电场有两类：一类是区域性，其分布特征与地质构造的起伏有关；另一类是局部区域的电流场，它往往和金属矿床的赋存或地下水的运动有关。
与堤坝渗漏形成的自然电场异常主要为过滤电场（如图1）。
岩土颗粒的晶格在其表面表现出有过剩的离子价键，它将吸引溶液中的异性离子，并使其附着在自身的表面。
扩散区溶液的正离子受孔壁离子层的吸引较弱。
因此，溶液能平行于孔壁自由流动，而把正离子带走。
从而水流的上游侧负离子较多，而在水流下游侧正离子较多，形成过滤电场。
图1 过滤电场的形成示意图
1.孔隙壁；
2.孔隙中心线；
3.正常溶液；
4.紧密层；
5.扩散区；
6.溶液运动方向
依据过滤电场的形成机理，将集中渗漏通道抽象为这样一个电学模型（如图2）：在渗漏入口聚集较多的负电荷，形成一个负电荷体；沿着渗流通道聚集了一定量的负电荷，可近似看做一个线电荷；在渗流通道的出口处则聚集较多正电荷，形成一个正电荷体。
3实例效果分析工区位于湖北省荆州市公安县的荆南官支河左岸，堤坝为松散土坝，沿堤坝已修建防渗墙，但汛期时局部地段仍有渗漏现象。
由地质钻孔资料可知该堤坝的地质概况：最上部为厚约9米人工堆积黄色沙壤土层，往下为厚约1.5～2米自然淤积黑色淤泥层，最下部为黑色淤积粘土层。
自然淤积黑色淤泥层与黑色淤积粘土层局部夹有厚约0.3～0.5米的自然淤积黑色粉砂透水层。
这层透水的粉砂层为堤坝渗漏的主
要部位。