電磁法堤壩探測(cè)方法技術(shù)綜述

摘 要：近些年對(duì)于堤壩隱患的無(wú)損、快速探查得到了越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注。本文從物探技術(shù)的電磁法方向入手，主要介紹了直流電法、瞬變電磁法、探地雷達(dá)法及核磁共振法這四種方法及綜合物探在堤壩隱患探測(cè)中的研究及應(yīng)用，論述了其相關(guān)理論方法研究及探測(cè)實(shí)例，并對(duì)四種方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單對(duì)比。其中，由于電阻率法引入國(guó)內(nèi)較早且發(fā)展較為成熟，所以率先被應(yīng)用于堤壩隱患探測(cè)中去。探地雷達(dá)對(duì)壩身的充填物壓實(shí)度不高、松散、裂隙有著較好的探測(cè)效果。瞬變電磁法擁有施工簡(jiǎn)單，對(duì)低阻體敏感的特性，在堤壩隱患探測(cè)方面有很大的應(yīng)用前景。核磁共振作為一種可以直接找水的新方法，運(yùn)用于堤壩隱患檢測(cè)中有一定的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：堤壩探測(cè);電磁法;地球物理

由于近些年國(guó)內(nèi)外屢次出現(xiàn)堤壩潰壩事件，對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了重大損失。通常來(lái)說(shuō)堤壩潰壩事件主要是由于堤壩在建造時(shí)期自身堅(jiān)固性不佳，再加上常年疏于管理導(dǎo)致堤壩內(nèi)部出現(xiàn)了病患且并未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)。這些堤壩隱患可能隨時(shí)威脅附近居民群眾的生活安全。所以需要找出一種探測(cè)方法對(duì)堤壩隱患進(jìn)行探查。物探作為一種快速、有效的探測(cè)方法，可以有效地探測(cè)堤壩內(nèi)部的隱患。

我國(guó)的堤壩探測(cè)工作主要是從1960年開(kāi)始的，當(dāng)時(shí)水利部門已經(jīng)提出將地球物理方法應(yīng)用于堤壩探測(cè)方面的想法。1974年，山東省將直流電法應(yīng)用于堤壩的安全評(píng)價(jià)工作。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，我國(guó)加大了對(duì)堤壩探測(cè)相關(guān)研究項(xiàng)目的資助，同時(shí)地球物理領(lǐng)域在堤壩探測(cè)方面也有了快速發(fā)展。目前研究和應(yīng)用于堤壩隱患探測(cè)的物探方法主要有直流電法、瞬變電磁法、核磁共振法及探地雷達(dá)法。

針對(duì)上述幾種物探方法在堤壩隱患探查方面的研究歷程及應(yīng)用，本文進(jìn)行了總結(jié)及分析，目的是梳理上述幾種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，促進(jìn)物探在堤壩隱患探測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展。

1 直流電法

目前主要應(yīng)用于堤壩隱患探查的直流電法主要為電阻率法。電阻率法是一種人工場(chǎng)的勘探方法。主要是以堤壩自身與被探測(cè)隱患之間的導(dǎo)電性差異為物質(zhì)基礎(chǔ)的。[1]一般可以認(rèn)為一座堤壩內(nèi)部為均勻?qū)訝畹碾娦越Y(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)虊蝺?nèi)部出現(xiàn)裂隙、管涌等并充水時(shí)，會(huì)導(dǎo)致與堤壩電阻率有明顯差異。通過(guò)建立穩(wěn)定的人工電場(chǎng)，觀測(cè)和研究電流場(chǎng)的分布規(guī)律來(lái)尋找隱患所在位置。

我國(guó)早在20世紀(jì)70年代就將直流電阻率法應(yīng)用于江河湖泊堤壩隱患探測(cè)工程之中。目前主要運(yùn)用的是直流電阻率法和高密度電阻率法。1996年，李長(zhǎng)海主要采用中間梯度法對(duì)東平湖水庫(kù)圍壩進(jìn)行了裂隙隱患探查，采用電測(cè)深剖面法對(duì)堤壩壓力灌漿效果經(jīng)行檢測(cè)，分析得出直流電阻率法可以探測(cè)出堤壩中的裂隙、洞穴、松散土層等壩身隱患。由于以前總是用半空間理論來(lái)解釋電阻率法的測(cè)量結(jié)果，但是現(xiàn)實(shí)情況下堤壩環(huán)境并不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為是半空間情況，因此2004年朱自強(qiáng)等采用將實(shí)測(cè)的視電阻率曲線逐點(diǎn)地比上相對(duì)應(yīng)點(diǎn)純地形異常后，結(jié)果即為修正后的視電阻率曲線，并通過(guò)水槽模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了修正后的視電阻率容易合理解釋測(cè)量結(jié)果。2005年，郭慶華將高密度電阻率技術(shù)運(yùn)用于堤壩防滲墻的無(wú)損、快速檢測(cè)。運(yùn)用GEOPEN的E60高密度電阻率測(cè)試系統(tǒng)完成了關(guān)于防滲墻埋深深度、墻體均勻性差異及墻體搭接不佳三種情況，分析得出高密度裝置對(duì)缺陷位置反映較為準(zhǔn)確，但是對(duì)缺陷范圍反映不佳，其中DP-P裝置探測(cè)效果最好而且建議在防滲墻成墻后的較短領(lǐng)內(nèi)經(jīng)行檢測(cè)。2005年，杜華坤等運(yùn)用有限元方法對(duì)堤壩滲漏通道進(jìn)行三維數(shù)值模擬計(jì)算，分析得出當(dāng)水位上升時(shí)，堤壩整體視電阻率會(huì)降低，但堤壩深部視電阻率較淺部變化幅值大;運(yùn)用多個(gè)視電阻率剖面即可追蹤到滲漏通道的走向，便于治理。

2 瞬變電磁法

瞬變電磁法是通過(guò)向介質(zhì)內(nèi)發(fā)射一次場(chǎng)后瞬間關(guān)斷，探測(cè)其介質(zhì)內(nèi)部的二次場(chǎng)的一種地球物理勘探方法。目前已經(jīng)成功應(yīng)用于煤礦采空區(qū)探查、資源勘查等工程領(lǐng)域中。[2]由于瞬變電磁法對(duì)低阻體靈敏、無(wú)損高效且操作簡(jiǎn)單，逐漸被應(yīng)用于堤壩隱患探測(cè)中。

早在1996年，張保祥等人已經(jīng)通過(guò)對(duì)王營(yíng)盤混凝土護(hù)坡質(zhì)量及下伏土層隱患存在的部位進(jìn)行了探測(cè)，通過(guò)實(shí)際工程證明了瞬變電磁法可以應(yīng)用于堤壩隱患的中，并取得了不錯(cuò)的效果，但是還需進(jìn)一步深入研究。2012年，茹浩用全區(qū)視電阻率及“煙圈”反演法對(duì)堤壩物理模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，反演解釋方法在瞬變電磁法堤壩隱患探測(cè)有著很好的應(yīng)用前景。2014年楊伐等用物理模擬方法模擬了瞬變電磁法探測(cè)堤壩壩體管涌及滲漏隱患，分析得出中心回線裝置在管涌探測(cè)橫向精度較高，但是垂向存在一定偏差，應(yīng)該多布置測(cè)點(diǎn)減少體積效應(yīng)。2018年趙煥碩及劉航均采用三維數(shù)值仿真技術(shù)，用有限差分方法來(lái)計(jì)算瞬變電磁的相應(yīng)及場(chǎng)的分布。通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算來(lái)論證了瞬變電磁法可以對(duì)堤壩隱患進(jìn)行探查。

3 探地雷達(dá)法

探地雷達(dá)主要利用較高頻的電磁波來(lái)探查介質(zhì)的內(nèi)部特征及內(nèi)部介質(zhì)分布的一種地球物理探測(cè)方法。[3]由于發(fā)射的電磁波頻率較高，探地雷達(dá)方法精度高，且施工效率也高。已成功應(yīng)用于考古調(diào)查，工程質(zhì)量檢測(cè)等領(lǐng)域。

1990年王惠濂等使用加南大的EKKO IV探地雷達(dá)系統(tǒng)，對(duì)黃河大壩壩身的隱患經(jīng)行了探查。探地雷達(dá)查明了壩身內(nèi)部的土料堆積不均勻及不同堆積物的問(wèn)題，探測(cè)出直徑1m的引水閘洞，但是50cm以下的小洞探測(cè)效果不佳并給出了探測(cè)深度為20m。2005年，何開(kāi)勝等對(duì)震后的李橋水庫(kù)經(jīng)行了探測(cè)，發(fā)現(xiàn)了水庫(kù)填土總體密實(shí)度不高、松散、填充不均勻且裂隙多，由于壩身長(zhǎng)期滲漏，在部分區(qū)域已經(jīng)形成了洞穴，對(duì)比不同時(shí)期的探測(cè)成果推測(cè)其滲漏破壞過(guò)程。2010年，魏永強(qiáng)等將探地雷達(dá)和高密度電阻率法聯(lián)合解釋運(yùn)用于圍墾堤壩拋石層探測(cè)，綜合分析后得到了拋石層的厚度，取得了較好的探測(cè)效果。2011年，劉世奇等利用matlab二維仿真模擬方法，從理論及數(shù)值模擬方面論證了探地雷達(dá)可以運(yùn)用于堤壩的隱患探測(cè)。2017年，徐洪苗等研究了探地雷達(dá)在土質(zhì)堤壩隱患探查中的應(yīng)用，取得了較好效果，同時(shí)也給出了探地雷達(dá)作為一種地球物理方法，具有多解性，需要綜合分析。

4 核磁共振法

核磁共振主要是供給一個(gè)拉莫爾頻率的交變電流，水中氫質(zhì)子會(huì)產(chǎn)生能級(jí)躍遷，大量的氫質(zhì)子躍遷到高能級(jí)上。[4]當(dāng)撤去供電電流，這些高能級(jí)氫質(zhì)子便逐漸回到低能級(jí)狀態(tài)，釋放出大量的具有拉莫爾頻率的能量子，在接收線圈中感應(yīng)出核磁共振信號(hào)。

2004年潘玉玲等人將核磁共振方法應(yīng)用于遼寧大連海濱地下?lián)跛髩慰辈橹校ㄟ^(guò)結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)一條斷裂帶，核磁共振方法可以用于堤壩地基選址及堤壩穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)工作。2012年，蔣川東等采用我國(guó)自主研發(fā)的JLMRS型核磁共振儀，對(duì)崔家街大壩進(jìn)行探測(cè)，提出了水體對(duì)探測(cè)結(jié)果有影響并修正了它，從結(jié)果中發(fā)現(xiàn)了大壩存在3處滲漏點(diǎn)和兩個(gè)滲漏區(qū)，與實(shí)際情況相符。2019年，李宏恩等將核磁共振與高密度電法聯(lián)合解釋的方法運(yùn)用于堤壩滲漏隱患研究，通過(guò)模擬堤壩隱患得出核磁共振與高密度電法綜合可以較準(zhǔn)確的找出堤壩滲漏位置以及滲漏范圍。

5 綜合物探

由于物探方法自身存在著多解性和抗外界干擾能力不足的問(wèn)題，現(xiàn)在越來(lái)越多的學(xué)者們開(kāi)始研究和應(yīng)用多種方法聯(lián)合解釋，用幾種物探方法或者物探與非物探方法相互印證來(lái)提高探查的準(zhǔn)確度。

2008年，鞠海燕對(duì)江西某礦山污水壩采用了高密度電法和探地雷達(dá)法相結(jié)合的策略，高密度電法用于堤壩裂縫、洞穴、松軟層等土質(zhì)不均勻隱患詳查，對(duì)深部缺陷較為敏感，探地雷達(dá)可探測(cè)與壩身填筑材料有明顯差異且一定規(guī)模的異常體，兩種方法結(jié)合提高了準(zhǔn)確性。2017年，余金煌等在安徽省內(nèi)對(duì)堤壩內(nèi)部白蟻蟻巢進(jìn)行了研究，在堤壩上探測(cè)蟻巢采用高密度和探地雷達(dá)相結(jié)合的方法，兩者均能反映出蟻穴異常區(qū)域，且結(jié)果一致性較好，但是探地雷達(dá)對(duì)探測(cè)環(huán)境要求較高，受地下水水位影響較大而高密度電法抗干擾能力較好，信號(hào)可靠性強(qiáng)。2019年，張明財(cái)?shù)热送ㄟ^(guò)實(shí)踐證明滲漏入口處偽隨機(jī)波電流信號(hào)會(huì)增大，偽隨機(jī)流場(chǎng)法可以檢測(cè)滲漏入口，而探地雷達(dá)和瞬變電磁法可以找出堤壩內(nèi)部的滲漏通道。

6 結(jié)論與展望

目前，堤壩隱患無(wú)損、快速探測(cè)依然是一個(gè)值得我們深入研究的問(wèn)題。就地球物理方法來(lái)說(shuō)，應(yīng)用最多且最為成熟的方法是直流電法已經(jīng)成功的應(yīng)用于多地的堤壩探測(cè)及壩身檢測(cè)，其中高密度電阻率法由于施工快、效率高而被廣泛應(yīng)用。但是直流電法需要在堤壩上布置電極對(duì)堤壩有輕微的破壞。瞬變電磁法用不接地回線的方式可以無(wú)損、快速地探測(cè)低阻異常體，但是由于易受干擾，導(dǎo)致探測(cè)結(jié)果不精確，目前瞬變電磁在堤壩探測(cè)方面主要還是理論研究較多，但是這種方法有著很好的應(yīng)用前景。探地雷達(dá)作為一種高頻率的電磁場(chǎng)方法，較直流電法及瞬變電磁法有著較好的分辨率，對(duì)壩身的充填物壓實(shí)度不高、松散、裂隙有著較好的探測(cè)效果。但是探地雷達(dá)的探測(cè)深度有限，當(dāng)隱患埋得較深時(shí)效果不佳。核磁共振是一種新型堤壩隱患探測(cè)方法，相對(duì)于其他三種方法，核磁共振法可以直接探測(cè)出堤壩中的滲漏水體。就目前的綜合物探方法來(lái)說(shuō)，普遍采用的是高密度電法和探地雷達(dá)相結(jié)合方法。本文對(duì)比分析了這些方法的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍，對(duì)于這些技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展及應(yīng)用有指導(dǎo)性意義。

為了解決當(dāng)下及未來(lái)越來(lái)越復(fù)雜的堤壩隱患探測(cè)問(wèn)題，需要提出新方法或者提高現(xiàn)有方法的分辨率及提高探測(cè)深度。

（1）可以將多種物探手段進(jìn)行聯(lián)合解釋或者聯(lián)合反演，綜合分析來(lái)提高物探方法的精確度。

（2）由于堤壩隱患例如管涌、裂隙此類異常往往體積較小，需要提高電磁法的分辨率。

參考文獻(xiàn)：

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