吉跃辉
重庆交通大学河海学院 重庆 400074
摘要：本文基于弹性波的波速成像技术，以土石坝渗漏的数值模型试验为前提，并搭建物理模型用于验证所发射的弹性波对土石坝内部渗漏问题进行外在表达数据的准确性，利用采集到的波动数据反演为数字表达的图像，分析波动解释土石坝渗漏的形式与原因，对含不同程度病患的土石坝内部渗漏作出相应的评价，最后介绍波速成像技术在土石坝渗漏诊断应用中目前所存在问题和未来展望。
关键词：土石坝；渗漏诊断；弹性波；波速成像
Application of Wave Velocity Imaging Technology in Leakage Diagnosis of Earth-rock Dams
JI Yuehui
(Chongqing Jiaotong University，School of River and Sea Engineering，Chongqing 400074)
Abstract：In this paper, based on the wave velocity imaging technology of elastic wave, the numerical model test of earth-rock dam leakage is premised, and the physical model is established to verify the accuracy of the externally expressed data of the transmitted elastic wave to the internal leakage problem of earth-rock dam. The inversion of the collected wave data is a digital representation of the image. The wave form is used to explain the form and cause of earth-rock dam leakage. Corresponding evaluations are made on the internal seepage of earth-rock dams with varying degrees of disease. Finally, the wave velocity imaging technology is introduced in the earth-rock dam. Leakage diagnosis applications present problems and future prospects.
Key words：earth-rock dam；leakage diagnosis；elastic wave；wave velocity imaging
1 引 言
目前在我国已建的土石坝工程中，大部分建于上个世纪中下旬，工程设计标准低[1]、建设质量差、筑坝水平低和工程监理不到位导致大部分难以继续使用，再加上半个世纪的调度和运行已处于老化失修的状态，均存在各种类型的病患问题 [2]。大量病险土石坝工程的存在，既威胁着农村耕地、城镇建设和周边生活的人民群众的生命财产安全，又严重阻碍周边地区国民经济的快速增长和谐社会的可持续发展。其中病险土石坝约占总病险水库的36%，渗漏是最为严重的问题，对土石坝的检修维护加固迫在眉睫。
当前国内外对病患土石坝诊断技术主要分为两类[3]~[4]：第一类为有损检测技术，如对坝体钻孔取芯和现场开挖。但是其只能对土石坝进行局部检测，但无法检测坝体的整体施工质量和坝体整体的稳定性；第一类方法为无损检测，如流场探测法、波-电磁法[5]、温度法、地震法等技术来探测病险情况。上述的几种无损检测方法对探测的信号图像产生与采集研究比较深入，并未采取必要手段对所收集到的信号图像分析和应用。
本文将着重介绍近年来利用非破坏性的波速成像技术，是如何实现对病患土石坝内部问题进行外在表达的，将采集的弹性波[6]波动数据反演为重现土石坝内部隐患二维或三维图像，以及根据波场扰动图像特征解释病患土石坝渗漏形式和原因，提出内部渗漏评价的准则。
2 土石坝渗漏成像评定准则
土石坝渗漏由于其自身的密实度遭到破坏形成的，常见的渗漏有坝体内部的渗漏、坝基底部的渗漏、绕坝两端的渗漏和接触部位冲刷渗漏。从微观角度说，渗流力作用于土石坝松软渗漏处使其失去平衡，架空土石坝坝体内部密实度较差的结构，形成贯通的渗流通道。只有解决好渗漏问题才能彻底解决病险土石坝的结构安全问题。
2.1渗流基本理论
渗流作为水力学的一个分支学科，它主要研究水透过土孔隙流动的现象规律[7]~ [8]。水在介质中渗透时，由于水在孔隙中流动必然会引起土体应力状态的改变，引起土的变形和强度的变化，水沿程需要克服阻力消耗能量。达西（H.darcy）通过砂土实验的结果，得出水在土体中的渗透规律，即水体渗透能量损失与渗流速度之间的相互关系定律。
达西定律指出砂土中渗透的渗流量Q与圆筒截面面积A及水头损失成正比，与沿水流方向的长度L成反比，其形式为：
(1)
式中：Q为渗流流量；k为渗透系数；分别为通过砂样前h1、h2后的水头值。
渗流问题的主流解法包括：解微分方程组和复变函数解析法、需采用有限元ANSYS软件的能够很好适应复杂边界条件的有限差分法、流网法以及砂模型和各种比拟模型法等。随着现代高效的计算软件产业的不断发展完善,这些土石坝渗流计算方法的过程可以实现由计算机来代替人完成。既保证了渗流计算的精度和时间的节省,又方便了研究者获得直观的分析结果——二维或者三维的示意彩图[9]~ [10]。这些图以渐变的颜色来代表水头值、渗流量等参数,同时可以用动态图反映出变化的趋势,抛弃了以前我们大量的表格数据，采用动态图这样形式来表达渗流变化趋势。
2.2土石坝渗漏破坏形态
(1)流土破坏
流土主要是发生在土石坝表面渗流逸出处，饱和的粘性土和均匀砂类土中，在渗流出逸坡大于土的允许坡降时，土体表层被渗流顶托而浮动的现象。流土对土石坝的危害是非常大的。
(2)管涌破坏
管涌是指在渗透力的作用下，土中的细颗粒由骨架孔隙通道中被带走流失，形成贯通的渗流通道的现象。管涌的形成是需要不断地发形成的，其对工程的危害没有流土破坏那么严重。
2.3确定含病患的土石坝渗漏判定参数
2.4渗漏成像评价准则
根据试验测定的土料、石料的物理参数代入推导出来的密实状态下土石复合介质的横波波速公式，式11。定义土石坝压实度渗漏判定参数K：
（12）
式中：为密实状态下土石复合介质下横波波速（m/s）; 为土石复合介质的含水量。为模型试验的±石复合介质的横波波速（m/s）；为密实状态下土石复合介质的含水量。通过在现场测得土石坝的含水量和室内测试土石复合介质物性指标，可以将土石坝的图像转换为反映土石坝压实质量的压实度指标分布。
利用波速成像技术获得的是土石坝的波速分布图像直观解土石坝的渗漏的范围[13]、其具体部位及性质，通过压实度滲漏判定参数K圈定渗漏区域。
（1）当时，表明土石坝中的含水量少，结合压实度参数K，当K大于规范规定的压实度值时，土石坝质量良好，无渗漏隐患存在；当K小于规范规定的压实度值时，可能存在渗漏问题，K越小，可能性越大。
（2）当K<1时，表明土石坝中的含水量多，土石坝可能存在渗漏隐患，当K越小，存在滲漏隐患的概率越大。此时压实度参数Ｋ小于规范规定的压实度值时，否则表明成像存在误差，异常区域出现[14]。
3 发展现状的讨论
（1） 目前波速成像技术主要应用于地球物探及混凝土无损检测较多，应用到土石坝渗漏诊断中还不是很广泛[15]。波速成像技术作为一种由数据到图像的重建较为方便的新技术，较好实现对物体内部物性的重建，并很好地解决了土石坝渗漏模型的参数化、正演计算、反演及渗漏部分的图像重建、反演结果的评价等问题。
（2） 最短路径射线追踪层析成像方法[16]是目前波速层析成像的技术较为成熟的方法。射线路径是由震源点与接收点之间的有关节点相连，同时在均匀介质中还会出现弯曲路径。在这种既要保证计算精度又要有很高的计算效率的要求下，就要对增加的网格节点数进行线性旅行时使用插值方法，同时要确定发射初至波到接收反射波的射线路径ray进行正演计算。正演计算是波速层析成像的基础，在层析成像中起着极其重要的作用[17]，其最后所得的计算精度和误差分析，直接决定着土石坝内部含有隐患部分成像的分辨率清晰程度和可靠程度。
（3）现阶段基于波速成像技术主要通过土石坝渗漏数值模型实验的基础上，再建立土石坝渗漏物理模型，对模型中渗漏情况做出成像诊断，并对成像结果做出分析讨论。国内赵明阶等研究者[18]在成功完成了土石坝渗漏电阻率成像诊断技术的研究课题基础上，后续进行波-电场耦合成像诊断技术的研究，但波-电场耦合成像诊断技术研究只进行了定性分析和不理想的定量分析。目前能定性圈定土石坝隐患部位但是并没有具体地对所得含隐患土石坝内部隐患问题进行深入的探讨，比如各种隐患情况叠加到同一部位以及某些试验数据测量带来的误差对最后诊断结果精度的影响。后期该研究团队还进行了基于三维波电场的耦合全息成像的堤坝隐患诊断技术研究和含隐患土石堤坝的三维波场数值模拟及其特征分析。
4 问题与展望
试验研究中所采用的弹性波具有单纯性的力学行为、不受电磁波干扰以及安全性能较高等特性，因而利用波场特征分析含隐患土石坝渗漏的问题具有很好的发展潜力，然而该技术在成像诊断的分辨率及具体渗漏方式判别上还不够理想，要想投入实际工程的应用中去还需要在误差分析及测试技术手段方面上进行改善：
（1）在实验研究中由于接收方式的限制，摄取的角度的限制造成视角有限。要想波速层析成像在实际应用中取得突破性进展，只有将投影角度的数据全部测得，才可以得到唯一的重建图像函数。现阶段可以考虑对数据进行函数插值以增加某些方向的分辨率，才能够较好地克服有限视角问题。
（2）拾取走时数据有误差。采取对观测数据的波形记录进行去噪预处理的办法获取精确的走时数据，采用小波对原始波形记录进行去噪处理的方法，然后以分形理论为依据，对波形记录的时间序列分维数的计算，实现走时实现自动化拾取，以消除走时数据带来的误差。
（3）目前产生超高频弹性波震源的检测波长比较长。检测波的波长关系到射线成像的解析能力，波长越小频率越高，效果越佳，因此在未来需要能找到波长较短的弹性波来提高检测精度。
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论文作者:吉跃辉
论文发表刊物:《防护工程》2018年第13期
论文发表时间:2018/10/10
标签：土石论文; 波速论文; 层析论文; 隐患论文; 技术论文; 介质论文; 数据论文; 《防护工程》2018年第13期论文;