CN111766189B - 一种基于水力刺激的堤防隐伏渗漏通道三维层析扫描方法 - Google Patents

Abstract

发明提供一种基于水力刺激的堤防隐伏渗漏通道三维层析扫描方法。该方法包括布设网状水力参数探测井、测量待测区域自然电位、连接布设测量装置、测量电势响应、进行探测区域地层三维结构反演、实时反馈与监测等步骤。该方法利用水头传感装置测得的渗透系数变化数据可以进行高效的地下含水层渗透系数层析扫描，并通过实施展示渗漏通道的发育过程，大大提高了传统监测方案的反应速度与计算精度。

Description

一种基于水力刺激的堤防隐伏渗漏通道三维层析扫描方法

技术领域

本发明涉及地层含水层、地质构造地球物理勘探领域，特别涉及一种基于水力刺激的堤防隐伏渗漏通道三维层析扫描方法。

背景技术

根据2016年《全国水利发展统计公报》，目前我国已建成各类水库98460座，江河堤坝总长度29.9万多公里，各类海堤近2万余公里。上述水利工程在防洪、发电、供水、灌溉等方面产生了巨大的经济与社会效益。然而，由于工程设计标准低、建设质量差、年久失修老化等原因，90％以上的水库存在着渗漏，其中30％存在着较为严重的渗漏。当水库内水位上升后，库水可能沿着山体的断层裂隙或者坝体坝基而流失。堤坝渗流问题是世界各国都面临的问题，渗漏不仅造成了水资源的浪费，而且直接关系到大坝的安全运行。要对堤坝渗漏病害进行处治，关键的技术问题就是如何准确诊断出渗漏部位和渗漏路径。

由于渗漏通道内的水力参数(如渗透系数)与非通道区域显著不同，如果可以得到堤坝内部水力参数的变化规律，就可以刻画出隐伏渗漏通道的位置，并利用地下水运动理论计算得到渗漏量的大小。水力层析扫描是利用监测数据刻画含水层非均质特性的有效方法。水力层析扫描常用抽水试验来估计饱和含水层的水力性质。其中，水力层析扫描是通过观测值反推出非均质参数可能的分布规律的一种数据融合与反演算法。抽水试验是通过实验场地的一口井抽水，其它井观测水位响应，即可获取一次对含水层的扫描；通过不断变换抽水井或抽水段的深度，可搜集一系列不同刺激下的观测数据，得到不同角度的含水层扫描影像。通过数据融合方法，将这些影像综合起来，即可以得到含水层水力参数的空间分布形态。从一开始的虚拟理想算例，到室内试验验证，再到野外试验验证，都印证了该方法可以有效地刻画饱和含水层水力参数的空间分布。自从水力层析扫描概念、数学模式及数值算法被提出以来，水力层析扫描的概念和技术在水文地质领域得到了广泛的应用。在水力层析扫描方法中，传统反演模型仅仅将地层分为若干参数待定的区域，通过调整使观测-模拟误差最小，得到唯一的一组参数值。这种反问题的观测数据量大于待求参数个数，对算法要求较低，但它忽略了小尺度的非均质性，不能充分挖掘水力层析调查搜集的大量信息。而另一种模型，即基于贝叶斯的统计学模型则将先验参数看成空间相关的随机场，用均值和协方差描述它们的空间分布规律和不确定性。当吸收水力层析扫描观测后，可以更新得到后验均值和协方差。这类模型有足够的自由度吸收大量的水力层析扫描数据。然而，这种方法未知参数多，计算量大，反问题非线性强，容易陷入局部最优解，对数值优化算法要求较高。

因此，在传统水力层析扫描方法的基础上，开发出一种精度更高的堤坝隐伏渗漏通道水力层析扫描技术显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于水力刺激的堤防隐伏渗漏通道三维层析扫描方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种基于水力刺激的堤防隐伏渗漏通道三维层析扫描方法，包括以下步骤：

1)在待探测区域内布设网状水力参数探测井，并在每个探测井内间隔设置若干探测点。其中，所述探测点处布置有水压传感装置。

2)随机选取某探测点为刺激点，其余探测点为观测点。

3)利用水泵在刺激点抽水或注水。其中，所述水泵布设在地表。水泵的出液端布设在探测井内。抽水或注水时，出液端移动至井内不同高程的探测点处。

4)使用水压传感器获取每个观测点的水头响应数据，并将水头响应数据传送至数据处理与分析系统中。

5)交换刺激点与观测点，重复步骤2)～步骤4)。

6)在数据处理与分析系统中建立探测区域三维地质正、反分析模型，根据水头响应数据采用连续线性估计算法计算响应的渗透系数值，进行探测区域地层三维结构反演。

7)利用渗透系数在地层中的三维分布规律，以及其他地层参数与渗透系数之间的对应关系，对地层的构造特性进行更新和完善，分析渗漏通道可能的发育情况。

8)反演结束后将反演结果实时反馈到展示终端上。

进一步，步骤6)具体包括以下步骤：

6.1)根据前期勘探数据，给出地层渗透系数的均值、方差和相关尺度参数。

6.2)将渗透系数的均值赋予分析区域内每一个网格内。结合边界条件，利用探测区域三维渗透系数正分析模型，计算每一次水头刺激下每个探测位置在估计参数条件下的水头。

6.3)利用连续线性估计算法对探测区域内待估点的渗透系数值进行估计。其中，未知渗透系数的迭代计算公式如式(1)所示。权重系数矩阵ω的计算公式如式(2)所示。

式中，r为迭代次数。T为转置符号。u_c为待估的探测区域渗透系数参数向量。u(r+1)c为参数向量u_c在第r+1次的条件估计值。d^*为水头作用下水头的观测值。d^(r)为利用三维渗透系数正分析模型得出的水头作用下水头的模拟值。

[ε_dd+λdiag(ε_dd)]ω＝ε_du (2)

式中，ε_dd为观测数据之间的协方差矩阵。ε_du为观测数据与参数之间的协方差矩阵。λ为Levenberg-Marquardt算法动态乘子。diag()函数用于构造一个对角矩阵。

6.4)重复式(1)的迭代过程，直至得到的参数估计值条件下得到的计算值与探测值之差小于误差允许值或达到一定的迭代步数。

进一步，步骤6.3)中，协方差矩阵由敏感度得到：

式中，J_du是水头观测数据对探测区域渗透系数变化的敏感度矩阵。参数协方差矩阵ε_uu在r＝0时由先验地质信息给出，随后每次迭代按照式(4)逐步更新：

进一步，所述展示终端采用移动设备。所述移动设备中储存有计算机程序。所述计算机程序在被执行时用于实现步骤2)～步骤7)，实现对堤防的实时监控动态扫描。

进一步，步骤7)之后，还具有利用未知地层结构参数与渗透系数之间的关系，得到地层地质参数的三维分布的相关步骤。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：利用水头传感装置测得的水头变化数据可以进行高效的地下渗透系数层析扫描，得到的结果可以吸收多种的探测数据源信息，并实现利用观测数据对未知渗透系数参数的非线性估计，对提升堤防隐伏渗漏通道模拟的精度效果明显。

附图说明

图1为工作流程图；

图2求解域及网格划分；

图3渗透系数层析扫描迭代过程曲线；

图4真实值模拟值对比图；

图5隐伏渗漏通道随时间的发育情况；

图6真实渗漏通道与反演得出的渗漏通道对比图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

参见图1，本实施例公开一种基于水力刺激的堤防隐伏渗漏通道三维层析扫描方法，包括以下步骤：

1)将堤防表面及附近区域划为待探测区域。根据探测精度要求，在待探测区域内按照合理的间距布设多个水力参数探测井。在每个探测井内在不同高程间隔布置探测点。其中，所述水力参数探测井可以为竖直井或斜井。所述水力参数探测井深入堤防土体内部。所述水力参数探测井的直径为20～30mm。所述探测点处布置有水压传感装置。

2)随机选取某探测点为刺激点，其余探测点为观测点。

3)利用水泵在刺激点抽水或注水。其中，所述水泵布设在地表。水泵的出液端布设在探测井内。抽水或注水时，出液端移动至井内不同高程的探测点处。

4)使用水压传感器获取每个观测点的水头响应数据，并将水头响应数据传送至数据处理与分析系统中。

5)交换刺激点与观测点，重复步骤2)～步骤4)。

6)在数据处理与分析系统中建立探测区域三维地质正、反分析模型。连续线性估计算法以迭代的方法对数据的信息进行线性化，在迭代过程中，在时间上采用同时吸收模式，可以有效解决非线性问题，避免传统数据同化算法等可能出现的参数-观测不一致问题。根据水头响应数据采用连续线性估计算法计算响应的渗透系数值，进行探测区域地层三维结构反演。

6.1)根据前期勘探数据，给出地层渗透系数的均值、方差和相关尺度参数。

6.2)将渗透系数的均值赋予分析区域内每一个网格内。结合边界条件，利用探测区域三维渗透系数正分析模型，计算每一次水头刺激下每个探测位置在估计参数条件下的水头。

6.3)利用连续线性估计算法对探测区域内待估点的渗透系数值进行估计。其中，未知渗透系数的迭代计算公式如式(1)所示。权重系数矩阵ω的计算公式如式(2)所示。

式中，r为迭代次数。T为转置符号。u_c为待估的探测区域渗透系数参数向量。u(r+1)c为参数向量u_c在第r+1次的条件估计值。d^*为水头作用下水头的观测值。d^(r)为利用三维渗透系数正分析模型得出的水头作用下水头的模拟值。

[ε_dd+λdiag(ε_dd)]ω＝ε_du (2)

式中，ε_dd为观测数据之间的协方差矩阵。ε_du为观测数据与参数之间的协方差矩阵。λ为Levenberg-Marquardt算法动态乘子。diag()函数用于构造一个对角矩阵。

协方差矩阵由敏感度得到：

式中，J_du是水头观测数据对探测区域渗透系数变化的敏感度矩阵。参数协方差矩阵ε_uu在r＝0时由先验地质信息给出，随后每次迭代按照式(4)逐步更新：

6.4)重复式(1)的迭代过程，直至得到的参数估计值条件下得到的计算值与探测值之差小于误差允许值或达到一定的迭代步数。

7)利用渗透系数在地层中的三维分布规律，以及其他地层参数与渗透系数之间的对应关系，对地层的构造特性进行更新和完善，分析渗漏通道可能的发育情况。

8)利用未知地层结构参数与渗透系数之间的关系，得到地层地质参数的三维分布。

9)反演结束后将反演结果实时反馈到展示终端上。所述展示终端采用移动设备。所述移动设备中储存有计算机程序。所述计算机程序在被执行时用于实现步骤2)～步骤7)，实现对堤防的实时监控动态扫描。

实施例2：

本实施例公开一种基础的以水头为刺激源的大尺度地质构造三维层析扫描方法，包括以下步骤：

1)在待探测区域内布设网状水力参数探测井，并在每个探测井内间隔设置若干探测点。其中，所述探测点处布置有水泵与水压传感装置。

2)随机选取某探测点为刺激点，其余探测点为观测点。

3)利用水泵在刺激点抽水或注水。

4)使用水压传感器获取每个观测点的水头响应数据，并将水头响应数据传送至数据处理与分析系统中。

5)交换刺激点与观测点，重复步骤2)～步骤4)。

6)在数据处理与分析系统中建立探测区域三维地质正、反分析模型，根据水头响应数据采用连续线性估计算法计算响应的渗透系数值，进行探测区域地层三维结构反演。

7)利用渗透系数在地层中的三维分布规律，以及其他地层参数与渗透系数之间的对应关系，对地层的构造特性进行更新和完善，分析渗漏通道可能的发育情况。

实施例3：

本实施例选取一块40m×60m的含水层区域作为研究区域并对其进行数值建模，利用层析扫描方法对含水层的渗透系数分布进行刻画。并假设在模型的左边界存在一高水头区域，即为堤防中的水位边界，模拟一从左到右的渗流场。在边界围成的求解域内进行单元网格划分，网格为正方形，尺度为1m×1m，并共计布置了56个水力参数探测井，并预设了9次水头刺激-响应试验方案，网格划分情况如图2所示：

每隔一小时进行一次计算，并给定了模型初始以及边界条件，并人工设置一隐藏的渗漏通道，规定了堤防内部构造的均质、方差与相关尺度，通过9次水头刺激-响应试验对模拟场内的隐伏渗漏通道进行探测。扫描过程的迭代曲线如图3所示。可以看出，在t＝20h后管涌通道大致形成。将真实值作为横坐标，模拟值作为纵坐标，绘制关系图得到一条斜率大致为1的直线，说明模拟结果较好，能够较好的探测出隐伏的渗漏通道。

将测量时间设置为1小时，每隔T＝1h进行一次反演模拟。图5代表了多次模拟过程中渗漏通道逐渐形成的一个过程，其中5a代表t＝0h，5b代表t＝12h，5c代表t＝18h，5d代表t＝20h。由图可知随着试验测量次数的增加，隐伏渗漏通道的发展过程逐渐被探知出来。计算区域内的渗透系数数值逐渐由初始统一的猜测值向明显的非均质去变化，到第t＝20h时管涌通道大致形成。

图6代表了真实渗漏通道分布于模拟渗漏通道分布的对比。6a为人工渗漏通道建模网格，6b为真实渗漏通道分布，6c为反演渗漏通道分布。对比渗漏通道的真实分布情况与利用层析扫描得到的渗漏通道的分布，可以看出，反分析得到的管涌通道的分布可以较好的反映出真实的情况。

值得说明的是，三维层析扫描技术是利用有限的监测数据反演得到高解析度含水层特性的先进手段。通过对比分析，可以看出利用水力传感装置测得的水头变化数据可以进行高效的地下含水层渗透系数层析扫描，得到的结果相较于传统的监测方式，在准确定位、实时反馈等方面有较大的提升。

Claims (2)

1.一种基于水力刺激的堤防隐伏渗漏通道三维层析扫描方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在待探测区域内布设网状水力参数探测井，并在每个探测井内间隔设置若干探测点；其中，所述探测点处布置有水压传感装置；

2)随机选取某探测点为刺激点，其余探测点为观测点；

3)利用水泵在刺激点抽水或注水；其中，所述水泵布设在地表；水泵的出液端布设在探测井内；抽水或注水时，出液端移动至井内不同高程的探测点处；

4)水压传感器获取每个观测点的水头响应数据，并将水头响应数据传送至数据处理与分析系统中；

5)交换刺激点与观测点，重复步骤2)～步骤4)；

6)在数据处理与分析系统中建立探测区域三维地质正、反分析模型，根据水头响应数据采用连续线性估计算法计算响应的渗透系数值，进行探测区域地层三维结构反演；步骤6)具体包括以下子步骤：

6.1)根据前期勘探数据，给出地层渗透系数的均值、方差和相关尺度参数；

6.2)将渗透系数的均值赋予分析区域内每一个网格内；结合边界条件，利用探测区域三维渗透系数正分析模型，计算每一次水头刺激下每个探测位置在估计参数条件下的水头；

6.3)利用连续线性估计算法对探测区域内待估点的渗透系数值进行估计；其中，未知渗透系数的迭代计算公式如式(1)所示；权重系数矩阵ω的计算公式如式(2)所示；

式中，r为迭代次数；T为转置符号；u_c为待估的探测区域渗透系数参数向量；u(r+1)c为参数向量u_c在第r+1次的条件估计值；d^*为水头作用下水头的观测值；d^(r)为利用三维渗透系数正分析模型得出的水头作用下水头的模拟值；

[ε_dd+λdiag(ε_dd)]ω＝ε_du (2)

式中，ε_dd为观测数据之间的协方差矩阵；ε_du为观测数据与参数之间的协方差矩阵；λ为Levenberg-Marquardt算法动态乘子；diag()函数用于构造一个对角矩阵；

协方差矩阵由敏感度得到：

式中，J_du是水头观测数据对探测区域渗透系数变化的敏感度矩阵；参数协方差矩阵ε_uu在r＝0时由先验地质信息给出，随后每次迭代按照式(4)逐步更新：

6.4)重复式(1)的迭代过程，直至得到的参数估计值条件下得到的计算值与探测值之差小于误差允许值或达到一定的迭代步数；

7)利用渗透系数在地层中的三维分布规律，以及其他地层参数与渗透系数之间的对应关系，对地层的构造特性进行更新和完善，分析渗漏通道可能的发育情况；

8)利用未知地层结构参数与渗透系数之间的关系，得到地层地质参数的三维分布；

9)反演结束后将反演结果实时反馈到展示终端上。

2.根据权利要求1所述的一种基于水力刺激的堤防隐伏渗漏通道三维层析扫描方法，其特征在于：所述展示终端采用移动设备；所述移动设备中储存有计算机程序；所述计算机程序在被执行时用于实现步骤2)～步骤7)，实现对堤防的实时监控动态扫描。