孔中测渗技术研究与系统设计
|
摘要
堤坝渗漏破坏给国民经济带来了巨大的损失。如何探测岩土体的渗透性质，及在非汛期低水位条件下探测堤坝的渗漏，以便预测高水位条件下的堤坝渗漏及渗透破坏，有很大的理论意义和现实意义。
人工示踪方法已在堤坝渗漏探测中得到广泛应用。本文首先回顾了近年来国内外渗流探测方法，对这些方法进行了综合评价。论文重点讨论了各种测试手段和方法的优缺点，从而证明孔中测渗是直接有效的方法。
传统的点稀释法由于垂向流的干扰无法测定渗透流速。针对这一状况，本文在深入研究了前人的理论后，对垂向流干扰下的水平流测试进行了研究，提出一系列经验公式。同时，对同位素测渗过程中探头影响及同位素半衰期等影响进行分析，提出了误差修正公式。
文中对探测方法进行了探讨，设计出一种同时在孔中测量垂向流和水平流速的测量探头、满足测试理论和测试条件的测量系统、控制系统以及数据处理分析软件。在测量与控制系统的硬件中，重点研究了放射性测量中的随机信号以及弱电流脉冲信号的测量技术，文中还对测控系统的可靠性设计进行了研究。软件系统在专家知识库及分析策略的基础上，结合测量数据，可以计算出岩土体的渗流状况、渗漏的位置、通道发育和影响范围，并分析渗漏形成原因，还可以对堤坝的抗渗能力作出判断。
论文最后介绍了一个工程实例。利用综合示踪探测技术，与文中的试验方法和测量系统进行现场测试，计算出渗漏通道的位置、埋深和渗漏量，与其它资料进行了对比分析，验证了系统的可靠性。
It has get a huge loses to national economy because of seepage failure. It is significant to detect the dam/dyke leakage and seepage in rock and soil, not only in theoretic but also in practical meaning, under the low-level-water condition in none flood season, for forecasting seepage deformation and seepage failure at high-water-level during flood season.Tracer method has been widely used in seepage investigation. At the first part of this thesis, the methods and technologies in this field in the world has been described and compared. Discussing advantages and disadvantages of those theories and methods, borehole test is proved that it is the only method to measure seepage flow directly in the dam/dyke seepage investigations, while no method can do better than isotope's today.Traditional dilution theory cannot measure the velocity precisely of seepage flow for the interference of vertical flow in the multi-aquifers. Aim at this condition, after studied many theories and methods in this field, an experienced formula has been drawn out to simpler the seepage calculation, and modified errors coursed by the probe and half-life of isotope tracers.After studied many detection methods, a new probe, a control system and a set of data collective-analysis-software have been developed to measure the horizontal and vertical velocity of seepage flow in the borehole. The hardware design emphasis random-weak-signal measurement in isotope tracer method, and reliability of the system has been discussed in the third part of this thesis. By the expert repository and analyzer in software, expert system can analyze seepage condition and the reason of leakage and find out the leakage place, depth, distraction area, and possible development. Then, draw conclusions of dam/dyke's ability to burden seepage deformation.At the last part of this thesis, a field test is introduced. Though tracer method, with the theory and measurement system described in this paper, to collect leakage information in field, calculate the leakage parameters, the author finds the real reason of leakage, thus validates the mentioned theory and system.
人工示踪方法已在堤坝渗漏探测中得到广泛应用。本文首先回顾了近年来国内外渗流探测方法，对这些方法进行了综合评价。论文重点讨论了各种测试手段和方法的优缺点，从而证明孔中测渗是直接有效的方法。
传统的点稀释法由于垂向流的干扰无法测定渗透流速。针对这一状况，本文在深入研究了前人的理论后，对垂向流干扰下的水平流测试进行了研究，提出一系列经验公式。同时，对同位素测渗过程中探头影响及同位素半衰期等影响进行分析，提出了误差修正公式。
文中对探测方法进行了探讨，设计出一种同时在孔中测量垂向流和水平流速的测量探头、满足测试理论和测试条件的测量系统、控制系统以及数据处理分析软件。在测量与控制系统的硬件中，重点研究了放射性测量中的随机信号以及弱电流脉冲信号的测量技术，文中还对测控系统的可靠性设计进行了研究。软件系统在专家知识库及分析策略的基础上，结合测量数据，可以计算出岩土体的渗流状况、渗漏的位置、通道发育和影响范围，并分析渗漏形成原因，还可以对堤坝的抗渗能力作出判断。
论文最后介绍了一个工程实例。利用综合示踪探测技术，与文中的试验方法和测量系统进行现场测试，计算出渗漏通道的位置、埋深和渗漏量，与其它资料进行了对比分析，验证了系统的可靠性。
It has get a huge loses to national economy because of seepage failure. It is significant to detect the dam/dyke leakage and seepage in rock and soil, not only in theoretic but also in practical meaning, under the low-level-water condition in none flood season, for forecasting seepage deformation and seepage failure at high-water-level during flood season.Tracer method has been widely used in seepage investigation. At the first part of this thesis, the methods and technologies in this field in the world has been described and compared. Discussing advantages and disadvantages of those theories and methods, borehole test is proved that it is the only method to measure seepage flow directly in the dam/dyke seepage investigations, while no method can do better than isotope's today.Traditional dilution theory cannot measure the velocity precisely of seepage flow for the interference of vertical flow in the multi-aquifers. Aim at this condition, after studied many theories and methods in this field, an experienced formula has been drawn out to simpler the seepage calculation, and modified errors coursed by the probe and half-life of isotope tracers.After studied many detection methods, a new probe, a control system and a set of data collective-analysis-software have been developed to measure the horizontal and vertical velocity of seepage flow in the borehole. The hardware design emphasis random-weak-signal measurement in isotope tracer method, and reliability of the system has been discussed in the third part of this thesis. By the expert repository and analyzer in software, expert system can analyze seepage condition and the reason of leakage and find out the leakage place, depth, distraction area, and possible development. Then, draw conclusions of dam/dyke's ability to burden seepage deformation.At the last part of this thesis, a field test is introduced. Though tracer method, with the theory and measurement system described in this paper, to collect leakage information in field, calculate the leakage parameters, the author finds the real reason of leakage, thus validates the mentioned theory and system.
引文
1．毛昶熙主编，渗流计算分析与控制，中国水利水电出版社，1990．
2．钱家欢，殷宗泽主编，土工原理与计算(第二版)，中国水利水电出版社，1996。
3．郭建扬，防汛堤坝、堤基结构与渗透变形，岩石力学与工程学报，1998年第6期。
4．肖四喜，李银平，大堤管涌形成机理分析及治理方法，工程勘察，2000年第3期。
5. hugaev, R.R(1971)Seepage through Dams,Advances in Hydroscince,ed. By V.t.C.how Vol.7.
6. Hsu,S.J.C.(1981):Aspects of piping Resistance to seepage in clayeysoils,10th conference on soil Mech.and Found.Engineering,p.421.
7. Sherard,J.L., et al.:Piping in the Earth Dams of Dispersive Clay, Performance of Earth and Earth-Supported Structures,Vol. 1,Part 1,1972.
8. Sherard,J.L.,et al.,Piping in Earth Dam of Dispersive Clay, Performance of Earth and Earth-supported Structures,Vol. 1,Part 1,1972,p.589.
9．王理芬，曹敦履，荆江大堤堤基管涌破坏[J]，长江科学院院报。1991，8(2)。
10．白世伟，谷志孟，长江中下游洪涝灾害的成因及防御对策，岩石力学与工程学报，1998年第6期。
11．张家发，王满星，丁金华，典型条件下堤身堤基渗流规律分析，长江科学院院报，2000年第5期。
12．陈建生，李兴文，赵维炳，堤防管涌产生集中渗漏通道机理与探测方法研究，水利学报，2000年第9期。
13．刘杰著，土的渗透稳定与渗流控制，水利电力出版社，1992年12月。
14．曹敦履，葛洲坝工程大江围堰地基渗流控制，水利学报，1988年第2期。
15．肖柏勋，工程地球物理勘探最新研究进展及技术应用[J]，水利水电快报，1999，(20)：1～8。
16．冷元宝等，堤坝隐患及渗漏探测技术，人民黄河，2001．1．1
17．冷元宝等，我国堤坝隐患及渗漏探测技术现状及展望，水利水电科技进展第22卷第2期，2002年4月
18．肖柏勋等，工程地球物理勘探最新研究进展及技术应用[J]，水利水电快报，1999(20)：1～8。
19．房纯刚等，瞬变电磁法探测堤防渗漏隐患[A]，全国堤防加固技术研讨会文集[C]，南昌，1999。
20．房纯刚等，大地电导率仪探测堤防渗漏隐患[A]，见：全国堤防加固技术研讨会文集[C]．南昌，1999。
21．吴相安等，水利隐患G P R探测技术研究[J]，地质与勘探，1998，34(3)：47～51。
22．田世炀，综合物探在堤防隐患探测中的应用[A]，全国堤防加固技术研讨会文集[C]，郑州，2000。
23．汤井田，流场法探测堤坝渗漏隐患研究[A]，全国堤防加固技术研讨会文集[C]，郑州：2000。
24．吴怀宇等，堤坝隐患探测技术的现状与展望，长江科学院院报，第17卷第3期，2000年6月。
25. RichardLV WilliamEK, Seepage and leakage from dams and impoundments, proceedings of asymposium[A], ASCE National Convention[C], NewYork: American Society of CivilEngineers, 1985.[2]。
26. MogilatorV BalashovB, New method of geoelectrical prospecting by vertical electric current soundings, Joumal of Applied Geophysics, 1996, 36(1):31-41。
27. HermanGT, Imagere construction from projections, the fundamentals of computerized tomography[M], NewYork:Academic Press, 19800
28. CarlstenS, WormenA, Radar techniques for indicating internal erosion in embankment dams[J],
29．周正东等，堤坝隐患检测试验研究，河海大学学报第30卷第2期，2002年3月。
30．蓝金辉等，新技术在堤坝隐患自动识别系统中的应用，华北工学院测试技术学报 Vol．16，No．1 2002。
31. Vaughan,P.R,m Soares,H.E:Design of Filters for Clay cores of Dams, Proc.ASCE,Vol. 108,GT1,1982.
32. Bennett,R.D and R.EAnderson(1982):New pressure test for determining Coefficient of permeability of rock masses, Report GL-82-3,U.S.Army Eng.WES.
33. Schneider, H.J.(19820:Problems of the determination of in-situ permeability in fissured rock 1st intern.Mine water Congress,Budapest,proc.A,p.277.
34. Sherard,J.L.,et al.,Identification and Nature of Dispersive Soils,Proc.ASCE,GT4,1976.
35. Shemrd,J.L.,et al.,Pinhole Test for Idetifying Dispersive Soil,Proc. ASCE,GT1,1976.
36. Culshaw B.Optical fiber sensing and signal processing [M].London:petr Peregrinus Ltd, 1984.
37．李樟苏等编著，同位素技术在水利工程中的应用，水利电力出版社，1984年11月。
38．刘光尧，陈建生著，同位素示踪测井，江苏科学技术出版社，1999年10月。
39．陈建生，岩体水力学同位素示踪理论与方法研究，河海大学博士论文，2000。
40．董海洲，堤坝渗漏热源法及示踪理论研究，河海大学博士论文，2004。
41．魏菊英，王关玉编，同位素地球化学，地质出版社，1988年3月。
42．李学礼编著，水文地球化学，原子能出版社，1988年11月。
43．沈照理主编，水文地球化学基础，地质出版社，1986年6月。
44. Ingles,O.G.,Soil Chemistry relevant to Enginerring Behavior of soils,Soil mechanics—Selected Topics,Elsevier, 1968.
45. Mogilator V, Balashov B.New method of geoelectrical prosecting by vertical electric current soundings, 1985.
46．齐治昌，软件工程，高等教育出版社，1999．4．
47．郑人杰，实用软件工程，清华大学出版社，1998．3
48. S.Pressman,Software Engineering - A Practitioner' s Approach Roger (Fourth Edition),机械工业出版社,1999．3．
49. Addison Wesley, Information System - A management Perspective Steven Alter (Third Edition) Longman,Inc.,1999.
50. Shari Lawrence Pfleeger, Software Engineering - Theory and Practice (Second Edition)高等教育出版社 2001．8
51．蓝金辉等，多传感器目标分类的数据融合方法[J]，测试技术学报，1998，12(1)：26～31
52. Swan J&Shield F, Multi-sensor fusion methodologies compared[J], In:SPIE-Signal and Image Processing Systems Performance Evaluation, Simulation and Modeling, 1990, (1483):219～230。
53．刘有才，刘增良，模糊专家系统原理与设计[M]．北京：北京航天航空大学出版社，1995。
54．冯夏庭，林韵梅，岩石力学问题专家系统的一种不确定性推理方法[J]，岩土工程学报，1994，16(1)：21～28。
55．秦四清，斜坡失稳的突变模型与混沌机制[J]，岩石力学与工程学报，2000，19(4)：486～492。
56．贺怀建，赵金师．岩土工程多参数综合观测系统在德兴铜矿二号尾矿坝中的应用研究报告[R]．武汉：中国科学院武汉岩土力学研究所，2000。
57．蒋宗礼等，形式语言与自动机，清华大学出版社，2003．1。
58. John E.Hopcroft,Rajeev Motwani,Jeffrey D.Ullman, Introduction to Automata Theory, Languages,and Computation(第2版，影印版)，清华大学出版社，2002。
59．中华人民共和国国务院，水库大坝安全管理条例[M]．北京：水利电力出版社，1997。
60．中华人民共和国水利部、电力部，SL60-94土石坝安全检测技术规范[M]北京：水利电力出版社，1994。
2．钱家欢，殷宗泽主编，土工原理与计算(第二版)，中国水利水电出版社，1996。
3．郭建扬，防汛堤坝、堤基结构与渗透变形，岩石力学与工程学报，1998年第6期。
4．肖四喜，李银平，大堤管涌形成机理分析及治理方法，工程勘察，2000年第3期。
5. hugaev, R.R(1971)Seepage through Dams,Advances in Hydroscince,ed. By V.t.C.how Vol.7.
6. Hsu,S.J.C.(1981):Aspects of piping Resistance to seepage in clayeysoils,10th conference on soil Mech.and Found.Engineering,p.421.
7. Sherard,J.L., et al.:Piping in the Earth Dams of Dispersive Clay, Performance of Earth and Earth-Supported Structures,Vol. 1,Part 1,1972.
8. Sherard,J.L.,et al.,Piping in Earth Dam of Dispersive Clay, Performance of Earth and Earth-supported Structures,Vol. 1,Part 1,1972,p.589.
9．王理芬，曹敦履，荆江大堤堤基管涌破坏[J]，长江科学院院报。1991，8(2)。
10．白世伟，谷志孟，长江中下游洪涝灾害的成因及防御对策，岩石力学与工程学报，1998年第6期。
11．张家发，王满星，丁金华，典型条件下堤身堤基渗流规律分析，长江科学院院报，2000年第5期。
12．陈建生，李兴文，赵维炳，堤防管涌产生集中渗漏通道机理与探测方法研究，水利学报，2000年第9期。
13．刘杰著，土的渗透稳定与渗流控制，水利电力出版社，1992年12月。
14．曹敦履，葛洲坝工程大江围堰地基渗流控制，水利学报，1988年第2期。
15．肖柏勋，工程地球物理勘探最新研究进展及技术应用[J]，水利水电快报，1999，(20)：1～8。
16．冷元宝等，堤坝隐患及渗漏探测技术，人民黄河，2001．1．1
17．冷元宝等，我国堤坝隐患及渗漏探测技术现状及展望，水利水电科技进展第22卷第2期，2002年4月
18．肖柏勋等，工程地球物理勘探最新研究进展及技术应用[J]，水利水电快报，1999(20)：1～8。
19．房纯刚等，瞬变电磁法探测堤防渗漏隐患[A]，全国堤防加固技术研讨会文集[C]，南昌，1999。
20．房纯刚等，大地电导率仪探测堤防渗漏隐患[A]，见：全国堤防加固技术研讨会文集[C]．南昌，1999。
21．吴相安等，水利隐患G P R探测技术研究[J]，地质与勘探，1998，34(3)：47～51。
22．田世炀，综合物探在堤防隐患探测中的应用[A]，全国堤防加固技术研讨会文集[C]，郑州，2000。
23．汤井田，流场法探测堤坝渗漏隐患研究[A]，全国堤防加固技术研讨会文集[C]，郑州：2000。
24．吴怀宇等，堤坝隐患探测技术的现状与展望，长江科学院院报，第17卷第3期，2000年6月。
25. RichardLV WilliamEK, Seepage and leakage from dams and impoundments, proceedings of asymposium[A], ASCE National Convention[C], NewYork: American Society of CivilEngineers, 1985.[2]。
26. MogilatorV BalashovB, New method of geoelectrical prospecting by vertical electric current soundings, Joumal of Applied Geophysics, 1996, 36(1):31-41。
27. HermanGT, Imagere construction from projections, the fundamentals of computerized tomography[M], NewYork:Academic Press, 19800
28. CarlstenS, WormenA, Radar techniques for indicating internal erosion in embankment dams[J],
29．周正东等，堤坝隐患检测试验研究，河海大学学报第30卷第2期，2002年3月。
30．蓝金辉等，新技术在堤坝隐患自动识别系统中的应用，华北工学院测试技术学报 Vol．16，No．1 2002。
31. Vaughan,P.R,m Soares,H.E:Design of Filters for Clay cores of Dams, Proc.ASCE,Vol. 108,GT1,1982.
32. Bennett,R.D and R.EAnderson(1982):New pressure test for determining Coefficient of permeability of rock masses, Report GL-82-3,U.S.Army Eng.WES.
33. Schneider, H.J.(19820:Problems of the determination of in-situ permeability in fissured rock 1st intern.Mine water Congress,Budapest,proc.A,p.277.
34. Sherard,J.L.,et al.,Identification and Nature of Dispersive Soils,Proc.ASCE,GT4,1976.
35. Shemrd,J.L.,et al.,Pinhole Test for Idetifying Dispersive Soil,Proc. ASCE,GT1,1976.
36. Culshaw B.Optical fiber sensing and signal processing [M].London:petr Peregrinus Ltd, 1984.
37．李樟苏等编著，同位素技术在水利工程中的应用，水利电力出版社，1984年11月。
38．刘光尧，陈建生著，同位素示踪测井，江苏科学技术出版社，1999年10月。
39．陈建生，岩体水力学同位素示踪理论与方法研究，河海大学博士论文，2000。
40．董海洲，堤坝渗漏热源法及示踪理论研究，河海大学博士论文，2004。
41．魏菊英，王关玉编，同位素地球化学，地质出版社，1988年3月。
42．李学礼编著，水文地球化学，原子能出版社，1988年11月。
43．沈照理主编，水文地球化学基础，地质出版社，1986年6月。
44. Ingles,O.G.,Soil Chemistry relevant to Enginerring Behavior of soils,Soil mechanics—Selected Topics,Elsevier, 1968.
45. Mogilator V, Balashov B.New method of geoelectrical prosecting by vertical electric current soundings, 1985.
46．齐治昌，软件工程，高等教育出版社，1999．4．
47．郑人杰，实用软件工程，清华大学出版社，1998．3
48. S.Pressman,Software Engineering - A Practitioner' s Approach Roger (Fourth Edition),机械工业出版社,1999．3．
49. Addison Wesley, Information System - A management Perspective Steven Alter (Third Edition) Longman,Inc.,1999.
50. Shari Lawrence Pfleeger, Software Engineering - Theory and Practice (Second Edition)高等教育出版社 2001．8
51．蓝金辉等，多传感器目标分类的数据融合方法[J]，测试技术学报，1998，12(1)：26～31
52. Swan J&Shield F, Multi-sensor fusion methodologies compared[J], In:SPIE-Signal and Image Processing Systems Performance Evaluation, Simulation and Modeling, 1990, (1483):219～230。
53．刘有才，刘增良，模糊专家系统原理与设计[M]．北京：北京航天航空大学出版社，1995。
54．冯夏庭，林韵梅，岩石力学问题专家系统的一种不确定性推理方法[J]，岩土工程学报，1994，16(1)：21～28。
55．秦四清，斜坡失稳的突变模型与混沌机制[J]，岩石力学与工程学报，2000，19(4)：486～492。
56．贺怀建，赵金师．岩土工程多参数综合观测系统在德兴铜矿二号尾矿坝中的应用研究报告[R]．武汉：中国科学院武汉岩土力学研究所，2000。
57．蒋宗礼等，形式语言与自动机，清华大学出版社，2003．1。
58. John E.Hopcroft,Rajeev Motwani,Jeffrey D.Ullman, Introduction to Automata Theory, Languages,and Computation(第2版，影印版)，清华大学出版社，2002。
59．中华人民共和国国务院，水库大坝安全管理条例[M]．北京：水利电力出版社，1997。
60．中华人民共和国水利部、电力部，SL60-94土石坝安全检测技术规范[M]北京：水利电力出版社，1994。