CN114814956A - 基于渗漏浸润区域特征的土石坝深埋病害定位方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于渗漏浸润区域特征的土石坝深埋病害定位方法与装置。在坝体上沿测线布设物探传感器，获取探测图谱，反演渗漏区域浸润线分布特征，计算水力坡降等指标；根据坝体相关资料及实测信息建立坝体物性参数数值分析模型，根据坝体物探实测结果与正演结果对比分析，剔除探测结果中坝体浅部病害和由干扰引起的异常测区，并圈定由深埋病害所导致的坝体渗漏异常范围；建立坝体渗漏浸润区域特征分析模型，对异常范围内坝段进行不同病害位置条件下的渗漏浸润区域特征正演分析，将实测渗漏浸润区域特征与正演结果进行吻合度匹配，吻合度一致的正演病害工况判定为实际病害工况，本发明可实现精准定位坝体深埋病害区位置。

Description

基于渗漏浸润区域特征的土石坝深埋病害定位方法与装置

技术领域

本发明涉及土石坝深埋病害识别定位相关领域，具体为基于渗漏浸润区域特征的土石坝深埋病害定位方法与装置。

背景技术

我国现役水库大坝大多建于二十世纪50至70年代，其中90％以上为土石坝，受该时期社会经济条件、坝工筑建技术等多因素影响，大量土石坝存在内部隐患，经长期服役逐渐发展为渗漏病害。近几十年间溃决水库大坝中多为土石坝，且多数为渗漏破坏所导致，渗漏病害已成为影响土石坝安全运行的核心问题。

土石坝渗漏病害具有初始量级小、隐蔽性强及潜在危害大等特点，且小规模渗漏病害易在短时间内演变成为大规模流土、管涌甚至溃坝等重大渗漏事故。因此，及时、准确的定位渗漏病害是保障土石坝安全的关键。目前，土石坝深埋病害的无损探测技术主要有高密度电法、瞬变电磁法、探地雷达法及红外热成像法，这些方法对于坝体浅层病害均有较好的探测效果，但用于深埋病害探测仍存在以下不足：1)无法探测和识别坝体深部(埋深>20m)小范围病害；2)随着探测深度的加大，探测精度均会出现一定程度下降，无法通过探测数据直接对病害区位置进行精准定位；3)探测数据分析手段较为单一，多数仅依据探测仪器输出的物理场数据进行分析判定，进一步加大了病害区位置判别的不确定性。

准确探测土石坝病害是大坝安全运行的前提，这就使得开发土石坝深埋病害精准定位技术尤为必要。

发明内容

为克服现有技术不足，突破当前高坝大库深埋病害探测不明、定位不准的技术瓶颈，本发明提出了一种基于渗漏浸润区域特征的土石坝深埋病害定位方法与装置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于渗漏浸润区域特征的高土石坝深埋病害精准定位方法，包括：

(1)沿高土石坝坝体纵向布设测线，沿测线探测坝体物理场，获取探测图谱；

(2)通过分析探测图谱筛选出异常范围，并识别测线剖面深度范围坝体浸润线分布；

(3)根据浸润线分布计算实测水位条件下各测线间的水力坡降；

(4)收集坝体相关资料信息及实测现状信息，建立坝体物性参数数值分析模型，对比坝体探测图谱与数值分析结果，筛选出实际探测结果的异常范围，剔除因坝体结构变化引起的物理探测结果异常和浸润线以上部位病害导致的物理探测结果异常的范围；圈定出由深埋病害导致的坝体渗漏异常所对应的坝段纵向范围；

(5)正演模拟含不同位置、不同大小深埋病害的大坝渗流场，获得不同深埋病害工况下大坝渗漏浸润区域特征分析结果，将实测渗漏浸润区域特征与正演结果进行吻合度匹配，判定吻合度一致的正演病害工况为实际病害工况，该正演工况所设定的病害位置即为实际病害位置。

作为一种优选的实施方式，所述沿测线探测坝体物理场的方式为：采用电磁波法、电法(如大地电磁法)沿测线探测，获取探测图谱。

作为一种优选的实施方式，沿土石坝坝体纵向布设不少于3条测线：若坝体为面板坝，则第一测线紧邻面板迎水侧布设，其他测线在第一测线后依次间隔布设；

作为一种优选的实施方式，相邻测线间距2～6m。

作为一种优选的实施方式，通过各测线浸润线深度差值和测线间距的比值计算水力坡降；

根据坝料含水率骤变状态确定所述浸润线深度。

作为一种优选的实施方式，所述(4)中，圈定出由深埋病害导致的坝体渗漏异常所对应的坝段纵向范围的判定方法为：

对于同一测线剖面的浸润线，圈定“上凸形”浸润线坝段为异常范围；

对于相邻测线剖面的浸润线，采用斜率法作为辅助异常范围坝段判定判据，选取相邻测点水力坡降差值的平方与相应测点纵向距离比值作为斜率。

进一步的，对于同一测线剖面的浸润线，采用斜率法作为异常辅助判据，在同一测线上选取相邻测点的浸润线深度差值的平方与相应测点纵向距离比值作为斜率。

作为一种优选的实施方式，使用斜率法作为辅助异常范围坝段判定判据时同一测线上相邻测点距离不超过5m，且全线固定。

本发明的另一目的在于提供上述方法使用的装置，包括物探传感器、数据接收仪和计算中心；所述计算中心包括数据分析模块、正演服务器、数据存储库和数据比对模块；

所述物探传感器用于沿测线探测坝体物理场，并将探测数据发送至数据接收仪；

所述数据接收仪接收物探传感器发送的数据并发送至数据分析模块；

所述数据分析模块将探测得到的物理场信息形成探测图谱，并识别测线剖面深度范围坝体浸润线分布，根据浸润线分布计算实测水位条件下各测线间的水力坡降；

所述数据存储库连接正演服务器，存储收集坝体相关资料信息、实测现状信息及正演服务器的分析结果；

所述正演服务器根据坝体相关资料信息及实测现状信息建立坝体物性参数数值分析模型；并正演模拟含不同位置、不同大小深埋病害的大坝渗流场，获得不同深埋病害工况下大坝渗漏浸润区域特征分析结果；

所述数据比对模块比对探测图谱与坝体物性参数数值分析模型的数值分析结果，圈定出由深埋病害导致的坝体渗漏异常所对应的坝段纵向范围；并将现场探测得到的信息与正演模拟获得的不同深埋病害工况下大坝渗漏浸润区域特征分析结果进行吻合度匹配。

作为一种优选的实施方式，所述物探传感器为拖曳式或定点监测式；

拖曳式物探传感器沿着测线往复探测，拖拽速度满足≥5km/h；

定点监测式物探传感器沿整条测线均匀布置，在工作期无需移动。

本发明所述方法与装置的核心原理是将土石坝病害位置和特征的探测转化病害引发的畸变渗流场探测，基于畸变渗流场特征参数和变化规律，通过渗流反演计算分析来确定病害位置和特征，由于探测目标大幅增大，因此病害探测深度和探测结果解析精度大幅提高。

本发明通过一次反演(探测物理场反演)两次正演(物探结果正演和渗流场正演)，达到准确定位深埋病害的目的。其中，通过探测物理场反演识别大坝实际物理场分布；通过物探结果正演复现无病害情况的大坝物理场分布；经对比分析反演和正演的结果，能够有效识别出深埋病害导致的异常物理场分布区域；通过渗流场正演，获得不同深埋病害位置及尺寸导致的渗漏浸润区域特征，对照通过物理场反演识别出的浸润线分布，准确匹配出大坝实际病害位置和尺寸。

附图说明

图1是本发明装置结构示意图。

图2是坝体平距20～60m范围内第一测线～第三测线的探测图谱；A、第一测线的探测图谱，B、第二测线的探测图谱，C、第三测线的探测图谱。

图3是坝体平距0～20m范围内第一测线的探测图谱。

图4是坝体平距60～90m范围内第一测线～第三测线的探测图谱；A、第一测线的探测图谱，B、第二测线的探测图谱，C、第三测线的探测图谱。

图5是无病害条件下坝体物理场正演分析结果图。

图6是有病害条件下坝体渗流场正演分析结果图。

具体实施方式

实施例1

本实施例对本发明使用的方法做具体阐述。

步骤一：搜集资料性信息和实测现状信息，形成拟测坝体基础信息集。

①资料性信息包括设计、施工、交竣工及运营期间留存的资料。通过资料性信息获取坝体防渗结构位置、坝料物性参数等关键信息。

实测现状信息包括量测数据、调查结果和坝料物性参数。量测数据包括坝宽、上下游水位等量测数据；调查结果包括渗流出逸点及状态、结构物及电光缆分布特征；物性参数包括坝料饱和、非饱和状态下介电常数等。

②资料性信息和实测现状信息存在差异时，以实测现状信息为准。

步骤二：沿坝体纵向布设测线，使用物理探测方法沿线探测，根据物理场探测结果，初步筛选异常范围，并反演分析测线剖面坝料含水分布情况。

①坝体纵向布设不少于3条测线：若为面板坝则第一测线紧邻面板迎水侧布设；其他测线在第一测线后依次间隔一定距离布设。

②相邻测线间距记为L，L＝2～6m(各测线具体间距视工程实际情况而定)。

③根据沿测线测定的剖面电阻率、磁通量等探测结果，初步筛选异常范围，并反演分析测线剖面坝料含水分布情况。

步骤三：根据各测线实测剖面坝料含水分布特征，确定浸润线分布，计算实测水位条件下各测线间的水力坡降。

①浸润线以下土体处于饱和状态，浸润线上压力水头为零，渗流方向沿浸润线切线方向。浸润线上下一定范围内坝料含水率存在骤变，基于此识别测线剖面的浸润线深度分别为h_i,y，(i为测线序号，i＝1，2，…；y表示计算点在纵向测线上的位置)。

②根据浸润线分布计算实测水位条件下各测线间的水力坡降，在浸润线分布无异常区域，因浸润线分布特征相似，仅选取个别特征点进行计算；在浸润线分布异常区域，加密测点进行计算。

③水力坡降为两相邻测线间单位长度的水头损失。“水力坡降”计算公式为

y表示计算点在纵向测线上的位置。

步骤四：基于坝体基础信息集(坝体结构设计图、地质勘测资料等)，建立坝体物探数值模型，进行正演模拟，根据坝体物探实测结果与正演结果对比分析，筛选出实际探测结果的异常范围，剔除因坝体电缆、穿堤建筑物等构造变化引起的物探结果异常和浅部(浸润线以上)病害导致的物探结果异常的范围；从而圈定出由深埋病害导致的坝体渗漏异常所对应的坝段纵向范围。

坝体电缆、穿堤建筑物等介质变化引起的物探结果异常和浅部(浸润线以上)病害导致的物探结果异常的范围主要通过正演结果对比和技术人员研判确定。

圈定深埋病害导致的坝体渗漏异常指标判定方法为：

①对同一测线剖面的浸润线，圈定“上凸形”浸润线坝段为异常范围；

②对同一测线剖面的浸润线，也可采用斜率法作为异常辅助判据，具体计算方法为在同一测线上选取相邻测点的浸润线深度h_i,y差值的平方与相应测点纵向距离比值，使用该方法时同一测线上相邻测点距离不超过5m，且全线固定。将该计算值较大的位置划为异常区。

③对于相邻测线剖面浸润线，采用斜率法作为辅助异常范围坝段判定判据，具体计算方法为选取相邻测点水力坡降i′_(i+1)-i,y差值的平方与相应测点纵向距离比值，使用该方法时同一测线上相邻测点距离不超过5m，且全线固定。该方法可定量描述渗漏浸润区域的扩展情况。

步骤五：正演模拟含不同尺度和位置的深埋病害的大坝渗流场，获得不同深埋病害工况下大坝渗漏浸润区域特征分析结果，将实测渗漏浸润区域特征探测场与正演结果进行吻合度匹配，判定吻合度一致的正演病害工况即为实际病害工况，该正演工况所设定的病害位置识别为实际病害位置。

①吻合度判定指标主要分为：1)纵向测线中浸润线畸变峰/谷点位置；2)纵向测线中浸润线起变点位置；3)纵向测线浸润线走势及凹、凸曲率。4)扩散率。相邻测线扩散率为第i+1条测线浸润线起变点与止变点间距与第i条测线的比值。5)水力坡降斜率。上述指标规律一致则视为吻合。吻合度判定的测线为所有测线，同一异常区域，所有测线特征均吻合视为该工况为匹配病害工况。

实施例2

本实施例说明本发明装置构成，如图1。

所述装置包括物探传感器3、数据接收仪2和计算中心1；所述计算中心包括数据分析模块、正演服务器、数据存储库和数据比对模块。

所述物探传感器沿测线采集大坝物理场信息；物探传感器可为拖曳式和定点监测式。拖曳式可沿着测线往复探测，拖拽速度满足≥5km/h；定点监测式沿整条测线均匀布置，在工作期无需移动。

所述数据接受仪2实时采集、存储物探传感器1采集的信息，并将信息传输至数据分析模块。

所述数据分析模块将探测得到的物理场信息反演为坝体渗漏区域浸润特征分布信息，并能够以伪彩图或数据图表呈现；

所述正演服务器用于正演模拟，包括：根据坝体相关资料信息及实测现状信息建立坝体物性参数数值分析模型；并正演模拟含不同位置、不同大小深埋病害的大坝渗流场，获得不同深埋病害工况下大坝渗漏浸润区域特征分析结果；

所述数据存储库连接正演服务器，存储收集坝体相关资料信息、实测现状信息及分类存储大坝渗漏区域浸润特征分布正演模拟结果；

所述数据比对模块比对探测图谱与坝体物性参数数值分析模型的数值分析结果，圈定出由深埋病害导致的坝体渗漏异常所对应的坝段纵向范围；并将现场探测得到的信息与正演模拟获得的不同深埋病害工况下大坝渗漏浸润区域特征分析结果进行吻合度匹配。

本申请中物探传感器3选用LTD-100M型探地雷达天线可沿着测线往复探测，拖拽速度最大可为10km/h，并搭配有高精度定位系统，可将探测数据与位置坐标对应。

数据接收仪2选用LTD-60型四通道雷达主机，可以实时采集、存储探地雷达天线采集信息，并将信息传输至数据分析模块。

数据分析模块为IDSP7.0型雷达系统软件，能够将探测得到的物理场信息反演为坝体渗漏区域浸润特征分布信息，并能够以伪彩图或数据图表呈现。

所述正演服务器为英信NF5270机架式服务器，能够开展大坝渗流场正演模拟，根据输入的参数信息获取相应的有、无病害工况下的坝体浸润线分布特征。

所述数据比对模块安装在正演服务器上，能够调用存储数据库中正演模拟结果信息。

实施例3

本实施例以某水库大坝为例，说明本发明方法和装置的具体实施步骤。

某水库大坝为面板堆石坝，使用本发明公开的方法及装置进行深埋病害识别定位。

一、收集了该坝的资料性信息并现场调查现状。大坝主要建筑包括混凝土面板堆石坝、开敞式明槽溢洪道与输水泄洪洞。混凝土面板堆石坝坝高72.46m，坝长90m，大坝上游坡比为1:1.4，下游坡比1:1.5，上游混凝土面板为主要防渗结构。大坝预埋了变形、渗流等监测传感器，坝身有2处穿堤光缆。测试时坝前水位距离坝顶8m。

二、沿坝体纵向布设3条物探测线，第1条测线紧邻面板迎水侧、而后分别间隔5m布设第二测线和第三测线，即L＝5m。采用基于电磁波的探测法获取各测线剖面的探测图谱(图2～图4)，并根据探测图谱确定坝体渗流场分布。具体探测结果及分析如下：

(1)坝体平距20～60m范围内第一测线～第三测线的探测图谱见图2(a)、图2(b)和图2(c)。可见沿坝体平距20～60m范围内第一测线～第三测线的浸润线分布均平稳，所有测线剖面深度30m范围内，除表面钢筋反射外，无其他强反射信号，电磁波波形平稳，电磁波衰减较小，整体能量反射较弱，推断该范围内坝体含水量低，无明显渗流现象。30m以下出现了强振幅反射，电磁波频率由高频向低频剧烈变化，且同相轴连续，推断该位置土体含水量大，坝料内存在渗流运动，强振幅反射的表层位置可推测为坝体的浸润线。从第一测线至第三测线，强振幅反射位置逐渐降低，符合坝体渗流场规律，且整体波形平顺，无异常反射。因此，从定性角度而言，20～60m坝段内无异常区域。

此处浸润线识别原理为：浸润线上下坝料含水率存在陡变，浸润线及其以下为饱和土体，含水量高，其电性性质表现为介电常数及电导率增大，因此雷达波传播至浸润线处时，会呈现出反射异常、波形反向及波速变慢特征，由探测图谱直观显示为色谱反向、波形变粗，据此可推测出浸润线位置。

(2)坝体平距0～20m范围内第一测线的探测图谱见图3。可见图3中平距9m和12m位置附近存在两处明显的异常反射，在三条测线剖面范围内异常深度位置较为一致，标记异常范围为8～10m和12m～14m。

(3)坝体平距60～90m范围内第一测线～第三测线的探测图谱见图4(a)、图4(b)和图4(c)。可见沿坝体平距60～90m范围内第一测线～第三测线的浸润线分布异常，所有测线剖面范围内，出现了同相轴连续的“钟型”强振幅反射，电磁波频率由高频向低频剧烈变化，深度范围为30m～15m，推断异常区域内坝体含水量大，坝料内存在渗流运动，强振幅反射的表层位置可推测为坝体的浸润线。故从定性角度而言，标记64～90m坝段为异常区域。

综上，该坝面本次探测异常范围为：8～10m、12m～14m和64～90m。

三、根据浸润线分布特征计算实测水位条件下各测线间的水力坡降，在浸润线分布无异常区域，因浸润线分布特征相似，仅选取个别特征点进行计算；在浸润线分布异常区域，加密测点进行计算。结果如表1。

表1水力坡降计算

四、基于坝体基础信息集(坝体结构设计图、地质勘测资料等)，建立物性参数数值分析模型，开展大坝探测正演模拟。根据模拟结果，异常范围为8～10m和12m～14m，与电缆线物探结果一致，并查阅坝体竣工图纸等相关资料，明确了该位置确实埋设电缆管线，故剔除此两处异常；

该坝段未见浅部(浸润线以上)病害引起的异常；根据测线剖面的浸润线“上凸形”特征和i′_i-j,y值异常突变指标，确定异常范围为65～85m。此处测点间距选取较大，且异常明显，故未用斜率法判定。部分模拟结果见图5、图6。

五、正演模拟设置不同位置与不同大小的病害工况，并将其通过浸润线畸变峰/谷点位置、走势和扩散率进行吻合度匹配。与实际相吻合的正演工况为，坝段77～79m位置，深度30m位置处，有一处面积为1m×2m的面板防渗结构失效病害。综上，确诊高坝实际病害工况，并实现准确定位。

Claims (10)

1.基于渗漏浸润区域特征的土石坝深埋病害定位方法，其特征在于，包括：

（1）沿高土石坝坝体纵向布设测线，沿测线探测坝体物理场，获取探测图谱；

（2）通过分析探测图谱筛选出异常范围，并识别测线剖面深度范围坝体浸润线分布；

（3）根据浸润线分布计算实测水位条件下各测线间的水力坡降；

（4）收集坝体相关资料信息及实测现状信息，建立坝体物性参数数值分析模型，对比坝体探测图谱与数值分析结果，筛选出实际探测结果的异常范围，剔除因坝体结构变化引起的物理探测结果异常和浸润线以上部位病害导致的物理探测结果异常的范围；圈定出由深埋病害导致的坝体渗漏异常所对应的坝段纵向范围；

（5）正演模拟含不同位置、不同大小深埋病害的大坝渗流场，获得不同深埋病害工况下大坝渗漏浸润区域特征分析结果，将实测渗漏浸润区域特征与正演结果进行吻合度匹配，判定吻合度一致的正演病害工况为实际病害工况，该正演工况所设定的病害位置即为实际病害位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述沿测线探测坝体物理场的方式为：采用电磁波法或电法沿测线探测，获取探测图谱。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，沿土石坝坝体纵向布设不少于3条测线：若坝体为面板坝，则第一测线紧邻面板迎水侧布设，其他测线在第一测线后依次间隔布设。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，相邻测线间距2~6m。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述（3）中，通过各测线浸润线深度差值和测线间距的比值计算水力坡降；

根据坝料含水率骤变状态确定所述浸润线深度。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述（4）中，圈定出由深埋病害导致的坝体渗漏异常所对应的坝段纵向范围的判定方法为：

对于同一测线剖面的浸润线，圈定“上凸形”浸润线坝段为异常范围；

对于相邻测线剖面的浸润线，采用斜率法作为辅助异常范围坝段判定判据，选取相邻测点水力坡降差值的平方与相应测点纵向距离比值作为斜率。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，对于同一测线剖面的浸润线，采用斜率法作为异常辅助判据，在同一测线上选取相邻测点的浸润线深度差值的平方与相应测点纵向距离比值作为斜率。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，使用斜率法作为辅助异常范围坝段判定判据时同一测线上相邻测点距离不超过5m，且全线固定。

9.权利要求1~8任一项所述方法使用的装置，其特征在于，包括物探传感器、数据接收仪和计算中心；所述计算中心包括数据分析模块、正演服务器、数据存储库和数据比对模块；

所述物探传感器用于沿测线探测坝体物理场，并将探测数据发送至数据接收仪；

所述数据接收仪接收物探传感器发送的数据并发送至数据分析模块；

所述数据分析模块将探测得到的物理场信息形成探测图谱，并识别测线剖面深度范围坝体浸润线分布，根据浸润线分布计算实测水位条件下各测线间的水力坡降；

所述数据存储库连接正演服务器，存储收集坝体相关资料信息、实测现状信息及正演服务器的分析结果；

所述正演服务器根据坝体相关资料信息及实测现状信息建立坝体物性参数数值分析模型；并正演模拟含不同位置、不同大小深埋病害的大坝渗流场，获得不同深埋病害工况下大坝渗漏浸润区域特征分析结果；

所述数据比对模块比对探测图谱与坝体物性参数数值分析模型的数值分析结果，圈定出由深埋病害导致的坝体渗漏异常所对应的坝段纵向范围；并将现场探测得到的信息与正演模拟获得的不同深埋病害工况下大坝渗漏浸润区域特征分析结果进行吻合度匹配。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述物探传感器为拖曳式或定点监测式；

拖曳式物探传感器沿着测线往复探测，拖拽速度满足≥5km/h；

定点监测式物探传感器沿整条测线均匀布置，在工作期无需移动。

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