堤防隱患物探技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

(長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

1 研究背景

堤防是沿河、江、渠、湖、海岸、水庫和分蓄洪區(qū)等周圍修建的擋水建筑物，是抵御洪水、保證人民生命和財(cái)產(chǎn)安全的重要工程。但由于堤防線路長、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、修建年代久遠(yuǎn)，普遍存在洞穴、裂縫、松散體、高含砂層、滲漏等安全隱患，當(dāng)遭遇洪水時，存在隱患的堤防極易誘發(fā)管涌、漫頂、散浸、滑坡、崩岸、坍塌等險(xiǎn)情。及時探查堤防質(zhì)量狀況，消除堤防隱患，是現(xiàn)代水利工程迫切需要解決的技術(shù)難題。

物探檢測法是堤防隱患無損探測的最佳方法，通過物理探測手段，研究堤防物理特征變化，判斷堤防隱患埋深、規(guī)模和形態(tài)。電法勘探是應(yīng)用最早和最廣泛的堤防隱患物探方法，被用于土壩滲漏、侵蝕、水平破碎區(qū)等探測中[1-2]；薛敏等[3]設(shè)計(jì)堤壩隱患快速電法測試系統(tǒng)。房純綱等[4]最先將瞬變電磁法應(yīng)用于堤壩滲漏隱患探測；冷元寶等[5]用瞬變電磁法普查軟弱層分布范圍；基于多匝小回線裝置[6]、長方形小回線裝置[7]、偶極+小線框裝置[8]等線圈布置方式成為堤防隱患瞬變電磁探測的研究重點(diǎn)。牛志國等[9]驗(yàn)證探地雷達(dá)法探測堤防隱患的有效性。王國群等[10]分析獾洞的典型雷達(dá)圖像特征。高建華[11]采用地震橫波反射和縱波折射層析成像技術(shù)探測贛江大堤填筑質(zhì)量。近年來，通過散射理論提高探測精度的方法成為熱點(diǎn)[12]。利用水流場與電流場的相似性，何繼善院士發(fā)明用于檢測管涌滲漏入水口的流場法[13-14]。隨著技術(shù)發(fā)展，地面核磁共振、示蹤法、紅外成像、測溫法和多波束等方法均被用于堤防隱患探測中。為避免單一方法的局限性，綜合物探方法得到廣泛應(yīng)用[15]。2008年，水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《堤防隱患探測規(guī)程》出臺并規(guī)范常見隱患物探工作方法[16]。

在堤防隱患探測儀器設(shè)備研制方面，我國曾開展不少研發(fā)工作。遼寧省水利科學(xué)院研制了YB-1型堤壩暗裂縫探測儀和89-I型堤壩隱患探測儀。黃河設(shè)計(jì)院研制了覆蓋式高密度電阻率探測系統(tǒng)MIR-1C/MIS和HGH-III型分布式高密度電測系統(tǒng)。重慶奔騰自動化研究所生產(chǎn)了WDJD型和HWH-1型數(shù)字直流激電儀。黃河河務(wù)局開發(fā)ZDT-I型和FD2000型智能堤壩隱患綜合探測儀。吉林大學(xué)研制Geopen E60CN型分布式高密度電法儀。2007年，黃河水利科學(xué)研究院研制了JT-1聚束直流電阻率探測系統(tǒng)。此外，還有中國水利科學(xué)研究院的SDC-3型堤壩滲漏瞬變電磁儀，中南大學(xué)的DB和DP型堤壩管涌滲漏檢測儀等。這些儀器在長江、黃河、鄱陽湖等堤防隱患探測中取得一定成效。隨著防洪工作的增加，近年來堤防隱患探測與治理得到進(jìn)一步重視。2017年，“堤防隱患快速探測技術(shù)與裝備”被列入“國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目”重點(diǎn)研究課題，該項(xiàng)目由長江科學(xué)院承擔(dān)。

本文從堤防隱患的物理參數(shù)出發(fā)，分析各種物探方法在堤防隱患探測中的技術(shù)原理，總結(jié)堤防物探技術(shù)的發(fā)展概況，分析各方法的適用性和不足，對堤防隱患物探技術(shù)的未來發(fā)展方向提出展望，以期為堤防隱患新儀器和新技術(shù)的研發(fā)提供幫助。

2 我國堤防隱患物探特點(diǎn)

我國堤防通常是二元結(jié)構(gòu)型式，上層是不透水覆蓋層，下層是透水的砂礫石層和細(xì)沙層。隱患探測深度一般為30 m以內(nèi)，按分布位置可分為堤身隱患、穿堤建筑物隱患和堤基隱患。堤身和穿堤建筑物類隱患主要是裂縫、洞穴、軟夾層、高含砂層、脫空區(qū)等。堤基類隱患主要與堤防所處地質(zhì)條件有關(guān)，存在滲透破壞、滑動穩(wěn)定等問題。

不同于大尺度的資源勘探，堤防隱患分布范圍廣，體積小，埋深淺，種類多，物性特征各異且物性差異小。此外，堤防隱患還具有可變性和突發(fā)性，隨著汛情發(fā)展而變化。這要求堤防隱患探測技術(shù)具有高靈敏度和高分辨率，能探測性態(tài)不同的隱患；具有強(qiáng)抗干擾性，能識別微弱有效信號；能探測地下水位線及浸潤線以下的隱患信息；還能動態(tài)監(jiān)測隱患的發(fā)生發(fā)展。

目前堤防隱患物探檢測方法可分為以高密度電阻率法為代表的傳導(dǎo)類方法和以彈性波法、電磁波法為代表的波動類方法。下面從堤防隱患的地球物理參數(shù)出發(fā)，歸納總結(jié)堤防物探檢測方法。

3 堤防隱患物探檢測方法

3.1 電導(dǎo)率

堤防通常為分層填筑的均質(zhì)壩體，其導(dǎo)電性呈層狀分布。砂土電導(dǎo)率σ可表示為

σ=αΦmsnσw+σc。

(1)

式中:Φ為孔隙率;m,α,n為常數(shù);s為孔隙水百分比;σw為孔隙水電導(dǎo)率;σc為砂土顆粒電導(dǎo)率。

由式(1)可知，砂土電導(dǎo)率與孔隙率、孔隙水百分比及其電導(dǎo)率呈正相關(guān)關(guān)系，即砂土電導(dǎo)率隨砂土中水的含量、孔隙度增加而增大。當(dāng)?shù)谭纼?nèi)部存在裂縫、滲漏等隱患時，其孔隙率和孔隙水增加，對壩體導(dǎo)電性更為敏感。干燥時表現(xiàn)為高阻異常，存在滲漏水時表現(xiàn)為低阻異常。

根據(jù)實(shí)測電阻率值，研究隱患引起的電阻率變化規(guī)律并推斷其產(chǎn)狀和埋深等，這是基于電導(dǎo)率參數(shù)的物探方法的基本原理。

3.1.1 高密度電阻率法

高密度電阻率法是一種陣列勘探方法，屬于直流電阻率法的特殊形式，其基本原理是通過給AB極供電，測量MN間電位差，計(jì)算堤身視電阻率。通常將全部電極一次性布置在等間距的測點(diǎn)上，再通過轉(zhuǎn)換開關(guān)自動完成電極裝置形式、極距及測點(diǎn)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高效采集。高密度電阻率法采集速度快、靈敏度較高、儀器操作簡單，還能獲取地電斷面的結(jié)構(gòu)和分布形態(tài)。

但是，高密度電阻率法體積效應(yīng)明顯，探測縱向分辨率不高，要求隱患相對其埋深具有一定規(guī)模，難以查明埋深大的弱小隱患。此外，高密度電阻率法假設(shè)地下為半無限的導(dǎo)電均質(zhì)體，而堤防電阻率實(shí)際是隨地形變化，這影響探測解釋精度。

3.1.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法是利用不接地回線向地下發(fā)射一次脈沖電磁場，在一次場作用下，探測目標(biāo)體產(chǎn)生感應(yīng)渦流。該渦流與目標(biāo)體的分布和電性特征有關(guān)，觀測由渦流衰減產(chǎn)生的二次電磁場，推測目標(biāo)體的導(dǎo)電性和分布特征等。瞬變電磁法具有分辨率高、探測速度快、無接地電極等優(yōu)點(diǎn)。

不同于高密度電阻率法，瞬變電磁法利用電磁波場探測目標(biāo)體的電性分布，根據(jù)接收信號感應(yīng)電壓，計(jì)算目標(biāo)體的視電阻率。瞬變電磁早期信號反映淺部電性特征，晚期信號反映較深地層特征。由于儀器關(guān)斷時間短和自感互感效應(yīng)明顯，早期接收信號復(fù)雜，難以有效識別堤防淺表層結(jié)構(gòu)特征。減小發(fā)射線框邊長和控制關(guān)斷時間，是提高淺埋地質(zhì)體探測分辨率的有效方法。

瞬變電磁法主要對低阻體敏感，適用于探測滲漏通道、含水砂體等隱患。未來需加強(qiáng)研究線圈尺寸、形狀、圈數(shù)等因素對隱患識別的影響，加快瞬變電磁法的3D正演和反演問題研究。

3.1.3 流場法

流場法是基于水流場和電流場的數(shù)學(xué)物理相似性，利用人工特殊波形編碼電流場擬合滲漏通道的水流場，通過測量電流場的分布預(yù)測水流場的流向和流速，從而查明滲漏入水口。該方法突破了只在堤防壩體或水面探測的局限，適用于汛期探查滲漏、管涌一類重大險(xiǎn)情的入水口，但無法查找堤防內(nèi)部滲漏通道，也不能用于其它隱患探查。

基于流場法，DB和DP型堤壩管涌滲漏檢測系列儀器相繼問世，該儀器主要包括向水中傳輸電流的發(fā)送機(jī)、在水中測量電流密度的接收探頭和船載接收機(jī)3部分。

3.2 介電常數(shù)

介電常數(shù)是物質(zhì)在外加電場作用下，儲存極化電荷的能力。水相對介電常數(shù)為78.5，空氣相對介電常數(shù)為1，干砂相對介電常數(shù)為3～15。通過測量相對介電常數(shù)ε，可判斷堤防結(jié)構(gòu)的含水量、孔隙率、壓實(shí)度等，從而評估堤防質(zhì)量。由回歸分析，相對介電常數(shù)與含水量關(guān)系式為：

ε=3.03+9.3θw+146(θw)2-76.7(θw)3。(2)

式中:θw是含水量;ε是砂土相對介電常數(shù)。據(jù)此可估算砂土的孔隙率Φ為

(3)

式中:εw是水的相對介電常數(shù);εs是砂土的相對介電常數(shù)；ε是含水砂土的相對介電常數(shù)。

由式(3)可計(jì)算出堤防砂土層的孔隙率，進(jìn)而估算其滲透系數(shù)。因此，基于介電常數(shù)的物探方法適用于查找含水砂層、裂縫、洞穴、壩體浸潤線探測等。

3.2.1 探地雷達(dá)法

探地雷達(dá)法是利用高頻脈沖電磁波在介電特性差異界面發(fā)生反射的特點(diǎn)，分析反射波的波形、幅值和頻率等特征，推斷隱患結(jié)構(gòu)和分布。該方法具有采集方便、速度快、抗干擾性強(qiáng)、分辨率高和對場地條件要求低等優(yōu)點(diǎn)，成為隱患探測的有效方法。

雷達(dá)波圖像能直觀反映堤防內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化。雷達(dá)波同相軸錯斷反映裂縫發(fā)育；弧狀反射且振幅、頻率變化為非均質(zhì)體或空洞部位；信號衰減強(qiáng)烈，波長增加表明隱患可能含水。由于黏性土對高頻電磁波吸收作用強(qiáng)，探地雷達(dá)法主要用于淺部空洞、松散不均勻體、老口門等。為了提高探測精度，相控陣?yán)走_(dá)探測技術(shù)、多次覆蓋技術(shù)、雷達(dá)散射波傳播理論等被引進(jìn)以增強(qiáng)信號能量。

3.3 彈性波速度

基于彈性波速度的探測方法通過測量在堤防土體內(nèi)傳播的彈性波速度，推斷堤身結(jié)構(gòu)完整性。Wylie等提出的時間平均方程經(jīng)驗(yàn)公式給出了速度與孔隙率的關(guān)系：

(4)

式中:V為波在巖石中的實(shí)際傳播速度;Vm為巖石骨架中波的傳播速度;Vl為波在孔隙流體中的速度。

由該式可知，致密巖石速度大，疏松軟弱層波速小。根據(jù)橫波的分裂程度可判斷堤防裂縫的延伸方向和發(fā)育程度?；趶椥圆ㄋ俣鹊姆椒ㄟm用于查找裂縫、軟弱層、洞穴、滑坡體等隱患。

3.3.1 淺層地震勘探法

地震波勘探法是基于堤防隱患與背景土體的波阻抗差異，人工激發(fā)地震波場，根據(jù)接收波場信息進(jìn)行隱患檢測。

瑞雷面波法利用瑞雷波的頻散特性，根據(jù)傳播速度與頻率的頻散曲線，分析淺部構(gòu)造的變化規(guī)律。瑞雷面波法主要用于探測堤防管涵、蟻穴、空洞、疏松帶等17]。在堤防病害探測中，折射波法主要用于探測基巖起伏、覆蓋層厚度或古河道分布等[18]。但折射波探測需滿足下層介質(zhì)波速大于上層介質(zhì)，且入射角大于等于臨界角的條件。反射波法利用反射地震數(shù)據(jù)探測堤防土質(zhì)疏松帶、裂縫、土洞、高含砂層、脫空區(qū)或堤身加固效果評價等，隱患的厚度或規(guī)模尺寸需大于反射波波長的1/4。

3.3.2 聲波檢測法

聲波檢測通過測定巖體中聲波波形、振幅、頻率等確定巖體的力學(xué)參數(shù)，判定巖體工程性質(zhì)。根據(jù)聲波頻率分為聲波和超聲波檢測，根據(jù)觀測方式分為單孔聲波、跨孔聲波和聲波CT等。聲波檢測法主要用于堤身護(hù)坡漿砌石、閘機(jī)混凝土等淺表面質(zhì)量檢測。長江科學(xué)院于1996年在加拿大OttoHolden大壩上開展超聲波CT檢測。近年來，基于模擬退火、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、正則化等的非線性反演方法被應(yīng)用于聲波層析成像，以提高混凝土壩缺陷識別能力。此外，陣列超聲檢測技術(shù)的研究與應(yīng)用，極大提高了聲波探測能量、擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。

3.4 其他物理參數(shù)與檢測方法

紅外成像技術(shù)利用不同溫度目標(biāo)體的紅外輻射場不同，遠(yuǎn)距離測量溫度變化，對管涌、散浸等大面積隱患效果好。同位素示蹤法通過天然或人工放射性示蹤劑測量地下水流運(yùn)動狀態(tài)及滲漏；地面核磁共振找水技術(shù)可用于探測堤壩浸潤面；聲發(fā)射法利用水流聲和水與土體摩擦聲定位滲漏通道。此外，還可根據(jù)較大缺陷導(dǎo)致的堤防土質(zhì)密度變化，利用微重力儀發(fā)現(xiàn)缺陷部位。

近年來，隨著技術(shù)發(fā)展，以纜控水下機(jī)器人為載體，裝備有聲、光、電等多種先進(jìn)傳感器的綜合水下機(jī)器人三維成像技術(shù)被用于檢測水下地形地貌，查找水下滑坡、堤防沖刷缺陷、堤防表面裂隙分布等。機(jī)器人中搭載有與堤防掃描相關(guān)的設(shè)備，包括多波束測深儀、側(cè)掃聲納、水下攝像機(jī)等，還有控制運(yùn)動的定位傳感器。水下機(jī)器人可實(shí)時探測并傳輸高質(zhì)量圖像，對水下隱患探測具有較好的應(yīng)用效果。

4 堤壩隱患物探檢測技術(shù)展望

堤防隱患物探技術(shù)近幾十年發(fā)展快速，探測方法和探測儀器進(jìn)步明顯?？傮w而言，電磁法相對有效，但在方法技術(shù)和儀器性能等方面仍需提高。當(dāng)前，要使隱患探測技術(shù)有新突破，必須針對堤防結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和現(xiàn)有探測方法存在的問題，開辟新思路。下面就堤防隱患物探技術(shù)發(fā)展方向做一些展望：

4.1 加強(qiáng)堤防隱患物性特征研究

堤防內(nèi)部土體的土性參數(shù)，如成分、含水量、密實(shí)度、顆粒大小、礦化度等都會對電阻率、介電常數(shù)、波速等物性參數(shù)產(chǎn)生影響，增加堤防隱患物探檢測的復(fù)雜性。如果不針對堤防特點(diǎn)，直接使用已有的物探技術(shù)，只會導(dǎo)致探測效果不佳。這是長期以來，堤防隱患探測技術(shù)得不到重大突破的原因。

因此要真正解決堤防隱患探測問題，首先從堤防隱患特點(diǎn)出發(fā)，研究堤防土體物性參數(shù)變化與隱患地球物理參數(shù)的相關(guān)關(guān)系，加深認(rèn)識堤防隱患物性變化特征，提高物探結(jié)果解讀的準(zhǔn)確性，為隱患探測技術(shù)的完善提供理論支撐。

4.2 深化綜合物探方法

各種物探方法都有其應(yīng)用前提，傳導(dǎo)類方法的精度受到測點(diǎn)距的影響，波動類方法存在探測深度和探測精度的矛盾。為了避免單一物探方法的局限性和成果解釋的多解性，綜合物探方法得到了廣泛應(yīng)用。當(dāng)前，綜合物探方法還只是通過采用多種物探方法，從不同角度分析堤防隱患信息。但綜合物探不僅局限于簡單羅列幾種方法的探測結(jié)果，應(yīng)深化物探資料的綜合分析和地質(zhì)解釋，研究建立多種地球物理參數(shù)統(tǒng)一反演表達(dá)式，基于電場、電磁場、彈性波場等觀測數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)一反演方法，全面獲得堤防隱患的分布情況。綜合物探還應(yīng)結(jié)合地質(zhì)、鉆探、化探等不同手段進(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)證，從而更好地探查堤防隱患的分布特征。

4.3 加強(qiáng)正反演研究

目前，堤防隱患物探技術(shù)側(cè)重于探測儀器的研發(fā)和探測手段的更新，但對于地球物理方法的正反演研究相對欠缺。在正演計(jì)算方面，地球物理正演模擬一般假設(shè)介質(zhì)為半無限各向同性，但堤防結(jié)構(gòu)是有邊界、各向異性。應(yīng)結(jié)合堤防結(jié)構(gòu)、組成成分和典型隱患類型等信息，研究堤防物探正演模擬方法，獲得真實(shí)反映堤防結(jié)構(gòu)特征的地球物理數(shù)據(jù)，這對于驗(yàn)證探測方法的有效性、提高數(shù)據(jù)處理精度意義重大。

在反演方面，目前主要采用線性反演方法，而堤防物探數(shù)據(jù)反演實(shí)際上是多維度和多極值的非線性問題。線性反演結(jié)果的精度有限，研究基于非線性反演的探測數(shù)據(jù)處理方法，對提高探測精度具有重大意義。

4.4 引入堤防三維物探技術(shù)

目前堤防隱患物探技術(shù)多為二維探測，隨著對探測精度要求的提高，應(yīng)開展堤防隱患三維物探的研究工作，實(shí)現(xiàn)面積觀測，重建堤防地下結(jié)構(gòu)或病害體的全三維立體空間模型，真實(shí)反映堤防隱患的結(jié)構(gòu)圖像。

與二維物探技術(shù)相比，三維探測對地表?xiàng)l件適應(yīng)性強(qiáng)，觀測系統(tǒng)靈活多變，適用于地形地物多變的堤防工程；三維測網(wǎng)密集，采集信息豐富，可以有效壓制空間噪音，提高資料的信噪比和分辨率；可真實(shí)地定位病害體的三維空間位置。三維探測技術(shù)能獲得最佳探測效果和經(jīng)濟(jì)效益，未來堤防隱患探測必將進(jìn)入一個全新的三維探測時代。

4.5 研究堤防隱患時移探測

堤防隱患是動態(tài)的工程質(zhì)量問題，隱患物性隨汛枯期的轉(zhuǎn)變而變化，甚至發(fā)生物性反轉(zhuǎn)，單靠某一時刻的物探檢測很難完全確定隱患異常體的分布。因此，應(yīng)轉(zhuǎn)變探測思路，從探測隱患目標(biāo)體轉(zhuǎn)變?yōu)樘綔y其物理屬性隨時間變化特征。時移探測是通過采集多期數(shù)據(jù)，對堤防隱患進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，追蹤異常體的發(fā)生發(fā)展動態(tài)過程，實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確判定隱患的存在和位置。時間推移勘探技術(shù)目前在油氣地震勘探中應(yīng)用較多，在工程地球物理勘探領(lǐng)域，尤其是堤防隱患的地球物理探測中尚未開展方法與技術(shù)的系統(tǒng)研究。

4.6 堤防隱患物探成果信息化

隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展，未來不僅要在探測方法理論、儀器設(shè)備等技術(shù)性問題上取得突破，還要加強(qiáng)堤防物探技術(shù)與高新技術(shù)的系統(tǒng)融合。基于大數(shù)據(jù)云平臺，研究海量探測數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)，搭建物探結(jié)果與防汛搶險(xiǎn)地理信息系統(tǒng)對接平臺，建立堤防安全性評價專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對堤防的實(shí)時安全監(jiān)測與預(yù)警。

5 結(jié) 語

堤防隱患探測作為我國堤防安全監(jiān)測的重要內(nèi)容，雖然已取得了很大進(jìn)步，但隱患的多樣性、可變性、環(huán)境的復(fù)雜性等因素制約了隱患探測技術(shù)的發(fā)展。近年來，長江沿岸一帶洪澇災(zāi)害頻發(fā)，堤防工程安全檢測刻不容緩，堤防隱患的探測得到進(jìn)一步重視。本文總結(jié)我國堤防隱患探測技術(shù)的發(fā)展情況，指出各種探測方法的優(yōu)勢與不足，并對未來堤防隱患探測技術(shù)的發(fā)展提出了幾點(diǎn)見解，期望能為堤防隱患探測新方法、新技術(shù)和新設(shè)備的研發(fā)提供幫助。