堤防隱患探測(cè)技術(shù)探討

董延朋，劉力真，顧紅鷹

（山東省水利科學(xué)研究院，山東濟(jì)南250014）

0 引言

我國(guó)是一個(gè)洪澇災(zāi)害十分嚴(yán)重的國(guó)家，水庫(kù)大壩、河道堤防等水利基礎(chǔ)設(shè)施眾多。在經(jīng)歷了若干年的運(yùn)行使用后，堤防裂縫、缺土等表觀問(wèn)題不斷暴露，在洪水季節(jié)容易出現(xiàn)堤防滲漏、管涌、塌陷，甚至決口等安全隱患，直接威脅著人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。因此，堤防隱患探測(cè)工作勢(shì)在必行。

1 省內(nèi)河道堤防的特點(diǎn)及隱患探測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

山東省現(xiàn)有的河道堤防存在以下三個(gè)特點(diǎn)：一是堤基條件差。堤防傍河而建，堤線選擇受到河勢(shì)條件制約，堤防地基大多為砂層，而且絕大部分堤防未作基礎(chǔ)處理，特別是有的堤防建在古河道或歷史上決口后堵的老口門上，堤基松軟，容易出大險(xiǎn)。二是堤身填土質(zhì)量差。不少堤防是在原民堤的基礎(chǔ)上，經(jīng)歷年逐漸加高培厚而成，往往質(zhì)量不佳。有的因局部夯實(shí)不均勻、新舊堤接合不密實(shí)、或因土料干縮、濕陷、不均勻沉陷而產(chǎn)生裂縫、暗隙；有的因獾、鼠、蛇等動(dòng)物掏蝕形成洞穴，或填埋在堤防內(nèi)部的樹(shù)根、樁木腐爛形成洞隙，以及修堤時(shí)沒(méi)有清理的暗管、廢井等殘留物?？偨Y(jié)堤身隱患可粗略劃分為四種類型:Ⅰ類，不均質(zhì)體、透鏡體、夾層、洞穴；Ⅱ類，松散、相對(duì)松散、軟弱層、土質(zhì)不均；Ⅲ類，坍陷、凹陷、沉陷；Ⅳ類,裂縫。三是堤后坑塘多，由于在堤后取土筑堤，使堤后坑塘密布，覆蓋層薄弱。由于上述隱患的存在，當(dāng)遭遇洪水時(shí)堤防經(jīng)常發(fā)生滲漏、管涌、滑坡、崩塌等險(xiǎn)情，嚴(yán)重者導(dǎo)致堤防潰決。

我國(guó)傳統(tǒng)的堤防隱患探測(cè)方法主要是人工錐探和機(jī)械鉆探等，此類方法雖然具有直觀的優(yōu)點(diǎn)，但費(fèi)時(shí)、功效低，且局限在探測(cè)的點(diǎn)上，難以全面評(píng)價(jià)堤防質(zhì)量，而且效果也較差。由于這種方法對(duì)堤防本身有一定的損害，較多地用在非汛期，一般堤防擋水后就很少使用。目前在汛期采用較多的是人工巡堤查險(xiǎn)，通過(guò)巡堤查險(xiǎn)人員眼看、耳聽(tīng)、手腳探摸等手段發(fā)現(xiàn)堤防的險(xiǎn)情。1998年長(zhǎng)江大洪水期間，就發(fā)動(dòng)群眾采用了“徒步拉網(wǎng)式”晝夜不間斷的巡堤查險(xiǎn)。由于人工查險(xiǎn)效率低，并且只有當(dāng)險(xiǎn)情發(fā)展到一定程度時(shí)才能被發(fā)現(xiàn)，往往會(huì)措手不及，使搶險(xiǎn)局面十分被動(dòng)。為了徹底改變這種被動(dòng)局面，避免盲目性，研究、采用先進(jìn)的科學(xué)手段對(duì)堤防隱患進(jìn)行探測(cè)十分重要。

2 堤防隱患探測(cè)技術(shù)及工作方法

20世紀(jì)80年代初，國(guó)內(nèi)一些水利單位開(kāi)始采用物探方法開(kāi)展堤防隱患探測(cè)的研究，如高密度電法、彈性波法、瞬變電磁波、地質(zhì)雷達(dá)等方法，分別基于堤防土體與隱患之間電性、彈性、電磁性等的差異來(lái)探測(cè)隱患與評(píng)價(jià)堤防的質(zhì)量。1998年大水后，如何利用先進(jìn)的科學(xué)手段探測(cè)堤防隱患引起了各界的普遍關(guān)注，國(guó)家防總辦公室也積極將物探技術(shù)應(yīng)用到堤防的查險(xiǎn)上，1999年先后在湖南益陽(yáng)（南方）和北京大興（北方）建立了堤防隱患探測(cè)儀器試驗(yàn)場(chǎng)，并在湖南益陽(yáng)舉行了全國(guó)范圍的探測(cè)儀器測(cè)試。通過(guò)這次活動(dòng)，基本掌握了我國(guó)物探技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀和水平，積累了各類儀器測(cè)試的第一手資料，為確立今后的發(fā)展目標(biāo)奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)也使有關(guān)科研單位、儀器生產(chǎn)廠家更加了解堤防查險(xiǎn)對(duì)儀器性能的需求，推動(dòng)了查險(xiǎn)技術(shù)的發(fā)展。

用于堤壩隱患探測(cè)的物探工作原理等同于其在找礦勘探、地質(zhì)普查和一般工程勘查領(lǐng)域中的應(yīng)用。各類堤防隱患與正常堤身、堤基介質(zhì)具有一定的電磁、電性、彈性等差異，具備應(yīng)用各種物探方法的物理前提。目前物探方法很多，但能用于堤防隱患探測(cè)方面的主要可歸納為以下四類。

2.1 探地雷達(dá)法

探地雷達(dá)法是利用超高頻脈沖電磁波探測(cè)地下介質(zhì)分布的一種地球物理勘探方法。可根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)圖像的動(dòng)力學(xué)特征，對(duì)堤防土體給以定性的異常劃分并推斷其地質(zhì)成因。該方法在探測(cè)埋深小于10 m的堤身隱患時(shí)，效果較好，圖像反映比較直觀，但對(duì)深部隱患反映不明顯。目前探地雷達(dá)受兩方面的影響：一是堤防土體的含水性，二是探測(cè)深度與分辨率的矛盾。

2.2 高密度電阻率法

電阻率法是集電剖面和電測(cè)深為一體，采用高密度布點(diǎn)，進(jìn)行二維地電斷面測(cè)量的一種電阻率法勘查技術(shù)，以研究地下介質(zhì)體的電阻率差異為基礎(chǔ)的物探方法，較適用于探測(cè)堤身的裂縫、洞穴、土質(zhì)不均等異常。高密度電阻率法是一種價(jià)格較低、使用較多的堤壩隱患探測(cè)方法。探測(cè)時(shí)，為了獲得足夠多的有關(guān)堤壩結(jié)構(gòu)和隱患信息，布置了大量電極，通過(guò)人工或儀器控制不斷改變供電和測(cè)量電極，以獲得不同極距（深度）和不同水平位置的電阻率數(shù)據(jù)。

2.3 面波法

面波法利用沖擊震源激發(fā)地震波，多通道采集地震記錄，通過(guò)面波分析軟件提取面波頻散特性，分析地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)和物性。

該法探測(cè)時(shí)，當(dāng)介質(zhì)層呈現(xiàn)層狀具有波速差異時(shí)，其效果反映明顯，因此可利用頻散曲線探測(cè)堤段土體不均勻的問(wèn)題。在開(kāi)展洞穴及裂縫等隱患探測(cè)時(shí)，要加強(qiáng)對(duì)頻散曲線特征正演分析與反演解釋的研究。

2.4 瞬變電磁法

電磁法的基本原理是基于電磁感應(yīng)原理，其以土體的電性及磁性差異為基礎(chǔ)，通過(guò)研究斷電后的二次電磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化，研究電磁場(chǎng)的空間和時(shí)間分布特征，達(dá)到解決地質(zhì)問(wèn)題的目的。該方法用于堤防隱患探測(cè)時(shí)，對(duì)淺部不均勻體的異常物性反映不夠明顯，但對(duì)深部地層劃分具有一定的效果。

對(duì)堤防工程進(jìn)行地球物理探測(cè)可以獲取其原始狀態(tài)下的大量物性信息，再配合一定的鉆探、土工試驗(yàn)和土樣聲波測(cè)試就能全面獲取堤防土體的物理力學(xué)性質(zhì)和質(zhì)量指標(biāo)，進(jìn)而對(duì)堤防質(zhì)量實(shí)施評(píng)價(jià)，為設(shè)計(jì)、施工提供必要的基礎(chǔ)資料。

3 建議

在我國(guó)水庫(kù)和堤防建設(shè)前期工作中，地質(zhì)勘探已經(jīng)較廣泛地使用了鉆探和物探技術(shù)。近年來(lái)，一些科研單位和工程管理單位在該領(lǐng)域開(kāi)展了一些研究和試驗(yàn)，取得了一些成果。進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)防汛搶險(xiǎn)的技術(shù)水平要提高，而堤防隱患探測(cè)技術(shù)的提高又是當(dāng)前最緊迫的工作。對(duì)于下一步工作，提出以下建議。

（1）堤防質(zhì)量探測(cè)必須提出一條明確的技術(shù)路線，堤防隱患類型復(fù)雜，僅依靠物探方法是不全面的，必須采用以地質(zhì)為龍頭的綜合手段，即通過(guò)地面地質(zhì)調(diào)查、鉆探、土工試驗(yàn)、綜合物探，充分地將點(diǎn)、面資料結(jié)合分析，以查明堤身、堤基土體的物理特征，為堤防加固設(shè)計(jì)、施工提供必要的基礎(chǔ)資料。

（2）利用物探方法探測(cè)堤防質(zhì)量主要是對(duì)堤身（包括迎水坡護(hù)砌質(zhì)量）、堤基以及攔（泄）洪閘閘基混凝土質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。具體任務(wù)是：①探測(cè)存在于堤身、堤基的裂縫、洞穴、決口口門以及松散、軟弱堤段等不良地質(zhì)體的空間分布情況；②評(píng)價(jià)堤身土體質(zhì)量、密實(shí)度；③探測(cè)堤身護(hù)坡、閘室護(hù)坡護(hù)砌結(jié)構(gòu)和護(hù)砌質(zhì)量；④探測(cè)閘室底板混凝土質(zhì)量及其與基礎(chǔ)的結(jié)合狀況。

（3）針對(duì)探測(cè)任務(wù)，采用綜合物探方法的技術(shù)路線：①用探地雷達(dá)普查堤身、堤基，發(fā)現(xiàn)異常用高密度電法或地震波法佐證。②采用探地雷達(dá)法和聲波測(cè)試法評(píng)價(jià)堤身護(hù)坡漿砌石質(zhì)量、閘基混凝土質(zhì)量。③用瑞雷波法或地震折射波法以及土樣聲波測(cè)試成果與土工試驗(yàn)成果的對(duì)比分析，綜合評(píng)價(jià)堤身土體質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)堤防質(zhì)量的隱患探測(cè)，采用不宜少于兩種以上的物探方法，不同物探方法的互相補(bǔ)充、驗(yàn)證可以提高成果的解釋精度。如：根據(jù)視電阻率的高值異常和探地雷達(dá)圖像的低振幅、低頻、圖像雜亂、同相軸可追蹤性差等特征，輔以低波速，即可較準(zhǔn)確地判斷出水位以上的土體松散或土質(zhì)不均等；同樣對(duì)于低速、高阻異常，當(dāng)探地雷達(dá)圖像同相軸呈現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)時(shí)，則可確定隱患類型為裂縫；結(jié)合雷達(dá)圖像同相軸的起伏和視電阻率團(tuán)塊狀異常即可判斷存在不均質(zhì)體類或沉陷類隱患等。

（2）深化物探資料的綜合分析，綜合物探絕不是幾種方法的簡(jiǎn)單羅列，應(yīng)深化物探資料的分析和地質(zhì)解析，尤其是資料的綜合分析是提高物探成果應(yīng)用價(jià)值的關(guān)鍵。如根據(jù)探地雷達(dá)圖像的動(dòng)力學(xué)特征即以探地雷達(dá)圖像同相軸的可連續(xù)追蹤性、振幅強(qiáng)弱的可比性、同相軸的起伏、錯(cuò)斷以及是否有散射造成的圖像雜亂無(wú)序現(xiàn)象等，可對(duì)堤身土體予以定性的異常劃分并推斷其地質(zhì)成因；依據(jù)高密度電法斷面（灰度）圖，劃分堤身、堤基介質(zhì)的視電阻率值及不同視電阻率介質(zhì)層的分布變化形態(tài)，進(jìn)而判識(shí)是否有洞穴或裂縫等隱患存在?！?/p>

[1]董延朋，鄭燦堂.堤壩隱患探測(cè)中的物探方法綜述[J].工程物探,2005(3).

[2]蔡新.水利工程安全隱患與病害特點(diǎn)[M].工程安全與檢測(cè)評(píng)估技術(shù).南京水利科學(xué)研究院,2004.

[3]中華人民共和國(guó)水利部.SL326－2005,水利水電工程物探規(guī)程[S].

[4]董延朋,萬(wàn)海.高密度電阻率法在堤壩洞穴探測(cè)中的應(yīng)用[J].大壩與安全,2006(2).

[5]董延朋,萬(wàn)海.瞬變電磁法在地下隱蔽工程質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用[J].水利技術(shù)監(jiān)督,2006(1).