一种地下水渗漏通道勘察的场标准化分析方法与流程

本发明属于地质和岩土工程技术领域，主要应用于水利水电等涉及地下水渗漏的工程。本发明涉及地下水渗流场的勘察和评价，特别是水库渗漏或者地下工程的涌水问题。

背景技术：

场(field)指物体在空间中的分布情况，是用空间位置函数来表征的一种特殊物质存在形式。地下水相关变量信息在地质介质空间经历一定时期的特殊地质作用，地下水渗流、温度、电导率、化学成分和同位素等特征参数及其变化，反映了地下水系统客观存在的某些特征和规律，场分析是研究地下水渗漏的常用方法之一。工程中应用较多的有地下水渗流场分析法、地下水温度场分析法、地下水化学场分析法、电导率(或电阻率)场分析法和同位素场分析法等。

场分析方法目前一般的应用是实测钻孔、洞室或地下水出露点的各场的代表性指标，然后作相应的指标-孔深分布曲线，指标-剖面线(轴线)分布曲线，或者指标在勘察剖面上的云图，之后根据曲线的形状，云图的形态，凭经验圈定指标在空间上的异常区域，结合建筑物、地质特征，判断是否存在渗漏通道。

截至2012年，全国已建成各类水库8.78万座，其中坝高15m以上的大坝2.5万余座，水库总库容7162亿m³，位居世界上第四位，占世界总库容的10％左右。另据统计，1999年底全国三类水库大坝共有30413座，其中大型水库145座，占大型水库总数的42％，中型水库1118座，占中型水库总数的42％，小型水库29150座，占小型水库总数的36％。上述被评定为三类水库大坝的一个较重要因素是因为坝基、坝肩和水库的渗漏问题，一方面，全国一半以上水库建成于20世纪50～70年代，大多是在“边勘测、边设计、边施工”中进行的，工程标准低、施工质量差，许多防渗工程达不到要求，另一方面，经过几十年的运行，防渗帷幕等已经老化，造成渗漏增大，使得水库大坝处于病险状态。

场分析方法是一种常用的地下水渗漏探测方法，目前该方法的数据处理手段较为单一直接，一般是作各场相应的指标-孔深分布曲线，指标-剖面线(轴线)分布曲线，或者指标在勘察剖面上的云图，之后根据曲线的形状，云图的形态，凭经验圈定指标在空间上的异常区域，结合建筑物、地质特征，判断是否存在渗漏通道。这种数据处理、分析和判断的过程未能全面体现单一指标的时间、空间变化信息，会遗漏较多的信息，数据不能充分的利用；渗漏信息的判断仍然是以定性为主，经验作用影响大；不同的场指标数值差异大，未能实现指标间的对比校验。

因此，现有技术依然存在很多问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种地下水渗漏通道勘察的场标准化分析方法，以解决现有技术存在的问题。

本发明是这样实现的：

本发明将某单一场的指标按照其与渗漏源的关系，与地质介质天然场背景值的关系，相邻空间的指标变异，不同时间的指标变化进行归一化、标准化处理，得到单一指标的示踪指标特征值、背景指标特征值、梯度指标特征值和时序指标特征值，各特征值可以按照数据的可靠性，与渗漏的相关性，选择不同的权值叠加，得到统一的场综合指标特征值，实现了定量化的研判，从而充分利用有限的数据，减少干扰信息，放大渗漏的信号，有效圈定渗漏通道的位置。不同的场的指标也得以按照统一的标准进行叠加，实现各场的对比和校验。

具体的，包括如下步骤：

步骤1：实测数据；

首先实测研究区域水源的水位、温度、水化学、电导率(或电阻率)和同位素场数据v，测得钻孔、洞室或地下水出露点的各场的实测值，根据水源的指标变化规律，可在不同的时间进行多次重复测量。

步骤2：数据插值；

场的空间可分为一维线(钻孔或剖面线)、二维面(剖面)和三维地质空间。

对钻孔或剖面线等一维数据，根据实测值进行必要的数据插值，使场数据在高程或水平方向空间均匀分布，实测代表值数据系列为(z，vz)或(x，vx)。

根据不同钻孔、地下洞室地下水渗出点的某一场数据进行平面插值，得到研究剖面的场分布数据，实测数据代表值数据系列为(x，z，vxz)。

步骤3：单一场数据归一化处理；

针对某单一场的指标按照其与渗漏源的关系，与地质介质天然场背景值的关系，相邻空间的指标变化，不同时间的指标变化进行归一化处理，得到单一指标的示踪指标特征值、背景指标特征值、梯度指标特征值和时序指标特征值。

步骤3.1：单个钻孔数据归一化处理；

单个钻孔是一维场的典型代表，它体现的是沿钻孔的竖向的场空间变化特征。单个钻孔数据归一化处理即对数据系列(z，vz)进行处理。

1.示踪指标

示踪指标反映钻孔某一深度场实测代表值与渗漏水源相应场代表值的接近程度。

式中：

fz1为钻孔中高程为z处的某场的示踪指标特征值，计算得到的结果为0～1，无量纲。0代表钻孔的实测场指标与渗漏水源差异最大，渗漏可能性小；1代表钻孔的实测场指标与渗漏水源相同，渗漏可能性大；

vz为钻孔内高程为z处的某个场指标的代表值，通过在钻孔不同深度中实测值进行进一步插值得到；

r为渗漏水源某场的代表值，在渗漏水源处实测；

2.背景指标

背景指标反映钻孔某一深度场实测代表值与一般条件下该处相应场指标的背景值的异常程度。

式中：

fz2为钻孔中高程为z处某场的背景指标特征值，计算得到的结果为0～1，无量纲。0代表钻孔的实测场指标与正常条件下该处的背景值相同，即无异常，渗漏可能性小；1代表钻孔的实测场指标与背景值差异最大，存在异常，渗漏水可能性大；

bz为钻孔内高程为z处的某个场指标的背景值，可通过理论分析得到或取经验值；

3.梯度指标

梯度指标反映钻孔某一深度场实测代表值与钻孔临近深度相应场指标的实测值的空间变异程度。

式中：

fz3为钻孔中高程为z处某场的梯度指标特征值，计算得到的结果为0～1，无量纲。0代表钻孔的实测场指标在临近高程无变化，即无异常，渗漏可能性小；1代表钻孔的实测场指标在临近高程变化最大，存在异常，渗漏水可能性大；

vz-δz为钻孔内高程为z-δz处的某个场指标的代表值；

4.时序指标

时序指标反映钻孔某一深度场实测代表值与钻孔其他时段相应场指标的实测值的时序变化程度。

式中：

fz4为钻孔中高程为z处某场的时序指标特征值，计算得到的结果为0～1，无量纲。0代表钻孔的实测场指标与过去某个时段相比无变化，即无异常，渗漏可能性小；1代表钻孔的实测场指标与过去某个时段相比变化最大，存在异常，渗漏水可能性大；

vzt为钻孔内高程为z处t时刻的某个场指标的代表值；

vz(t-δt)为钻孔内高程为z处t-δt时刻的某个场指标的代表值；

δt为两次测量的时差，一般考虑渗漏水源场指标发生了明显变化的时间。

步骤3.2：剖面数据的归一化处理；

剖面数据的数据归一化处理即对数据系列(x，z，vxz)进行处理。

1.示踪指标

示踪指标反映研究剖面某一位置场代表值与渗漏水源相应场代表值的接近程度。

式中：

fxz1为剖面中坐标为(x，z)处的某场的示踪指标特征值，计算得到的结果为0～1，无量纲。0代表剖面的场指标与渗漏水源差异最大，渗漏可能性小；1代表剖面的场指标与渗漏水源相同，渗漏可能性大；

vxz为剖面中坐标为(x，z)处的某个场指标的代表值，通过在剖面中不同钻孔或地下洞室内地下水渗出点的实测场数据插值得到；

r为渗漏水源某场的代表值，在水源处实测；

2.背景指标

背景指标反映剖面某一位置场实测代表值与一般条件下该处相应场指标的背景值的异常程度。

式中：

fxz2为剖面中坐标为(x，z)处某场的背景指标特征值，计算得到的结果为0～1，无量纲。0代表剖面中该位置场指标与正常条件下该处的背景值相同，即无异常，渗漏可能性小；1代表该位置场指标与背景值差异最大，存在异常，渗漏水可能性大；

bxz为剖面中坐标为(x，z)处的某个场指标的背景值，可通过理论分析得到或取经验值；

3.梯度指标

梯度指标反映剖面某一位置场代表值与该处临近区域相应场指标的实测值的空间变化程度。

式中：

fxz3为剖面中坐标为(x，z)处某场的梯度指标特征值，计算得到的结果为0～1，无量纲。0代表该处的场指标在临近区域无变化，即无异常，渗漏可能性小；1代表该处场指标在临近区域变化最大，存在异常，渗漏水可能性大；

vx-δx，z-δz为剖面中坐标为(x，z)处沿某个方向临近区域的某个场指标的代表值；

4.时序指标

时序指标反映剖面某一位置场代表值与该位置其他时段相应场指标的代表值的时序变化程度。

式中：

fxz4为剖面中坐标为(x，z)处某场的时序指标特征值，计算得到的结果为0～1，无量纲。0代表剖面该处场指标与过去某个时段相比无变化，即无异常，渗漏可能性小；1代表剖面该处场指标与过去某个时段相比变化最大，存在异常，渗漏水可能性大；

vxzt为剖面中坐标为(x，z)处t时刻的某个场指标的实测代表值；

vxz(t-δt)为剖面中坐标为(x，z)处t-δt时刻的某个场指标的实测代表值；

δt为两次测量的时差，一般考虑渗漏水源场指标发生了明显变化的时间；

步骤4：单一场指标特征值的叠加；

将上述示踪指标特征值、背景指标特征值、梯度指标特征值和时序指标特征值，按照数据的可靠性，与渗漏的相关性，选择不同的权值叠加，得到统一的某场的综合指标特征值。

对单个钻孔数据：

式中：

fz为钻孔中高程为z处的某场的综合指标特征值，计算得到的结果为0～1，无量纲。0代表钻孔的场指标无异常，渗漏可能性小；1代表钻孔的场指标存在异常，渗漏水可能性大；

fzi分别为钻孔中高程为z处某场的示踪指标特征值、背景指标特征值、梯度指标特征值和时序指标特征值；

αi分别为示踪指标特征值、背景指标特征值、梯度指标特征值和时序指标特征值的权重，根据数据的可靠性，与渗漏的相关性，在0～1之间选取，如果各特征值可靠性，与渗漏的相关性相当，可均取1/n；

n为计算的特征值类别的数量，示踪指标特征值、背景特征值、梯度特征值和时序特征值均计算时为4。

对剖面数据：

式中：

fxz为剖面中位置为(x，z)处的场特征值，计算得到的结果为0～1，无量纲。0代表剖面的场指标无异常，渗漏可能性小；1代表剖面的场指标存在异常，渗漏水可能性大；

fxzi分别为剖面中位置为(x，z)处某场的示踪指标特征值、背景指标特征值、梯度指标特征值和时序指标特征值。

步骤5：场指标特征值分析；

对单个钻孔数据，绘制钻孔中不同高程的场综合特征值fz与高程z的关系曲线，按照场综合特征值大小定量划分渗漏可能大、中、小孔段；

对剖面数据，绘制剖面不同位置的场综合特征值fxz云图，按照场综合特征值大小定量划分渗漏可能大、中、小区域。

步骤6：各场数据的综合分析；

针对地下水渗流场、温度场、化学场、电导率(或电阻率)场和同位素场分别重复步骤:2至步骤5，分别圈定各场的渗漏异常孔段或区域，将各场的异常孔段或区域进行对比和互校，结合其他地质调查和勘探手段最终确定渗漏位置。

对水平剖面线的渗漏位置，三维空间的渗漏位置，按照上述研究思路以类似的方法计算即可。

本发明可将某单一场的指标按照其与渗漏源的关系，与地质介质天然场背景值的关系，相邻空间的指标变化，不同时间的指标变化进行归一化处理，得到单一指标的示踪指标特征值、背景特征值、梯度特征值和时序特征值，各特征值可以按照数据的可靠性，与渗漏的相关性，选择不同的权值叠加，得到统一的场指标体系，实现了定量化的研判，从而充分利用有限的数据，减少干扰信息，放大渗漏的信号，有效圈定渗漏通道的位置。不同的场的指标也得以按照相同的标准进行叠加，实现各场的对比和校验。使得地下水渗漏的场分析方法定量化、系统化，可以通过该方法有效地对场分析数据进行处理，更显著得分析得到可能的地下水渗漏位置信息。

附图说明

图1展示了zk43计算得到的各指标特征值与高程的关系曲线；

图2展示了zk43计算得到的综合指标特征值与高程的关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的任何限制。

实施例1：

以某水电站的水库渗漏研究为例，在防渗线廊道内钻孔，在夏季测量了防渗线各钻孔的温度场场数据，钻孔水温按照1m间距进行实测，库水温度明显高于天然地下水温度，具有很好的示踪性，渗漏水与背景值具有明显的差异。选择zk43号钻孔按照本方法进行数据标准化处理，43号孔孔口高程1067.51m，孔深198m。

对于示踪指标，由于水库库容小，库内不同位置差距较小，库水渗漏源温度取当日实测水库温度的平均值，即r为20.2℃。按照式(1)可计算出钻孔不同深度的示踪指标特征值fz1。

对于钻孔水温背景值，廊道埋深超过30m，廊道以下的岩体如果不受渗漏库水影响，全年将维持常温。测得的钻孔水温最低为13.1℃，位于0+282m的37号钻孔1050～1059m高程，可以把它视为1059m高程不受库水影响的天然地下水温度。各钻孔底部的高程和温度各不相同，计算各钻孔1059m高程到孔底的地温梯度，最小为3.4℃/100m，把它作为测区的天然地温梯度k0，由此可恢复无库水影响的天然温度场，得到不同高程的天然水温背景值bz。实测水温与背景值得最大温差为5.7℃，按照式(2)可计算出钻孔不同深度的背景指标特征值fz2。

对于梯度指标，以1m间距为δz，依次计算|vz-vz-δz|，最大值为1.4℃，该钻孔梯度指标特征值fz3按照式(3)计算即可。

对于时序指标，搜集到该钻孔八十年代冬季实测水温，库水具有显著的低温特征，明显异于本次实测的夏季高温异常，测试点间距为5m，根据该实测数据进行分段线性插值，得到本次实测水位各高程对应的冬季水温。冬夏对应高程的温度差最大为10.1℃，按照式(4)可计算出钻孔不同深度的时序指标特征值fz4。

按照天然背景温度梯度，钻孔底部水温的天然背景值基本与夏季库水相当，难以分辨其是库水渗漏成因还是天然地下水成因，可能给分析判定带来干扰。计算该钻孔的温度场的综合指标特征值时，示踪指标特征值对应的权重α1取0.1，背景指标特征值、梯度指标特征值和时序指标特征值的权重均取0.3，根据公式(9)计算得到钻孔的温度场的综合指标特征值fz。

分别作出各指标特征值和综合指标特征值fz与高程的关系曲线，如图1和图2所示。fz≥0.5为渗漏可能性大区，分别为1030～1045m高程和982～989m高程区间，后期证实分别存在脉管性和管道性渗漏；0.5＞fz≥0.3为渗漏可能性中等区，分别为997～1045m，989～994m和978～982m高程区间，后期证实其分别为管道性渗漏的外围破碎区或者裂隙性渗漏区；fz＜0.3为渗漏可能性小区，分别为994～997m和978m以下高程，岩体完整，可不需要进行渗漏勘察和处理。

当然，以上只是本发明的具体应用范例，本发明还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。