水利工程地球物理探測(cè)技術(shù)發(fā)展與展望

尹劍 徐磊 陳爽爽 汪思源 王少博 林永燊

摘要： 目前，地球物理探測(cè)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于水利工程建設(shè)的全生命周期，在水利工程質(zhì)量控制中發(fā)揮著缺陷判斷、質(zhì)量驗(yàn)收與警示威懾作用。在參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究與應(yīng)用資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合地球物理探測(cè)技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用情況，分析了水利工程地球物理探測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并重點(diǎn)介紹了幾種常用的物探檢測(cè)技術(shù)，包括混凝土質(zhì)量高精度檢測(cè)技術(shù)、堆石體密實(shí)度檢測(cè)技術(shù)、數(shù)字鉆孔技術(shù)、高分辨率層析成像CT技術(shù)、庫(kù)壩滲漏精細(xì)探測(cè)技術(shù)、堤防隱患檢測(cè)技術(shù)、隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)和綜合管網(wǎng)探測(cè)技術(shù)。研究認(rèn)為未來(lái)地球物理探測(cè)技術(shù)將會(huì)不斷進(jìn)步與完善，向“更全、更快、更準(zhǔn)”的方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞： 物探技術(shù); 工程勘察; 工程質(zhì)量檢測(cè); 工程健康診斷; 水利工程

中圖法分類號(hào)：P631 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.02.006

文章編號(hào)：1006 - 0081（2022）02 - 0032 - 08

0 引 言

隨著水利行業(yè)的飛速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的日新月異，水利工程地球物理探測(cè)技術(shù)也得到了快速發(fā)展。從20世紀(jì)中葉的單一手段，發(fā)展到現(xiàn)在門類齊全、儀器精良的綜合手段，具有科技含量高、工作效率高、探測(cè)精度高、勘察費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)，可以服務(wù)于水利工程從前期勘察到施工期檢測(cè)以及運(yùn)營(yíng)期健康診斷的全生命周期，在水利工程的安全建設(shè)與質(zhì)量控制環(huán)節(jié)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

中國(guó)水利工程地球物理探測(cè)起始于20世紀(jì)50年代，由原燃料工業(yè)部水力發(fā)電總局北京勘測(cè)設(shè)計(jì)院組建了第一支水利工程物探電法隊(duì)伍。早期水利工程物探多采用直流電阻率法勘探，用以解決勘察期的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)問題，勘探精度相對(duì)較低。80年代，隨著彈性波理論的發(fā)展，地震類勘探方法，如地震反射波法、地震折射波法、地震波層析成像技術(shù)等得到了廣泛應(yīng)用，顯著提高了勘探精度。90年代，水利工程物探技術(shù)的應(yīng)用由勘察期逐漸進(jìn)入到施工期，1998年，由長(zhǎng)江水利委員會(huì)地球物理勘測(cè)研究院提交的《長(zhǎng)江三峽水利樞紐一期主體工程建基面彈性波檢測(cè)工程》正式通過專家評(píng)審驗(yàn)收，載入了三峽工程建設(shè)史冊(cè)，標(biāo)志著工程物探檢測(cè)技術(shù)在水利工程中的正式大規(guī)模成功應(yīng)用。21世紀(jì)以來(lái)，物探技術(shù)又逐漸被應(yīng)用到水利工程運(yùn)行期，通過采用時(shí)移電阻率法、時(shí)移地震反射波法等探測(cè)技術(shù)，進(jìn)行工程運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)等[1-2]。

本文從地震勘探、電法勘探、電磁法勘探、層析成像CT技術(shù)、綜合測(cè)井技術(shù)等幾個(gè)大類，介紹了水利工程地球物理探測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用情況;介紹了物探技術(shù)在水利工程質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并重點(diǎn)介紹了幾項(xiàng)新技術(shù)新方法;結(jié)合目前的發(fā)展現(xiàn)狀與關(guān)鍵問題，對(duì)水利工程地球物理探測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 水利工程地球物理探測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

工程物探技術(shù)根據(jù)技術(shù)原理與工作模式，可以分為：地震勘探、電法勘探、電磁法勘探、層析成像CT技術(shù)以及綜合測(cè)井技術(shù)等。每種技術(shù)大類都可以獲取巖體、工程結(jié)構(gòu)物的某些物性參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)地層結(jié)構(gòu)、不良地質(zhì)構(gòu)造、工程巖體問題的探測(cè)。本節(jié)簡(jiǎn)要介紹各類工程物探技術(shù)的技術(shù)原理與發(fā)展現(xiàn)狀。

1.1 地震勘探技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

地震勘探技術(shù)主要基于巖石等介質(zhì)的彈性差異，根據(jù)地震波場(chǎng)理論，地震波在地下介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)遇到由于介質(zhì)彈性差異形成的彈性界面，從而產(chǎn)生反射波、折射波、透射波和面波等，根據(jù)接收到的地震波的旅行時(shí)間、振幅、頻率及地層速度等信息，研究地下介質(zhì)的彈性分布情況，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造的識(shí)別與定位。

地震勘探相對(duì)于電法勘探發(fā)展時(shí)間較晚，雖然地震波場(chǎng)理論可以追溯到1660年發(fā)表的胡克定律，但是其正式應(yīng)用與發(fā)展起始時(shí)間為1913年，F(xiàn)essenden利用水中聲波探測(cè)冰山。中國(guó)的第一支地震勘探隊(duì)成立于1951年;隨著技術(shù)的發(fā)展，地震勘探的記錄道數(shù)不斷增加，從1937年地震反射法的6～8道，發(fā)展到目前三維地震勘探的成千上萬(wàn)道;地震檢波器從早期的電感檢波器發(fā)展到現(xiàn)在的壓電檢波器、數(shù)字檢波器等;地震震源也從常規(guī)的炸藥震源、重錘震源發(fā)展到目前常用的可控震源、電火花震源以及水中的空氣槍震源等，種類豐富多樣，滿足不同的探測(cè)需求[3]。

在水利工程中，地震勘探技術(shù)主要應(yīng)用于覆蓋層探測(cè)、隱伏構(gòu)造破碎帶探測(cè)、軟弱夾層探測(cè)、滑坡體探測(cè)、巖溶探測(cè)、庫(kù)壩滲漏探測(cè)、防滲帷幕線探測(cè)、堤防隱患探測(cè)、水庫(kù)淤積探測(cè)以及隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等方面[4-5]。圖1為安哥拉卡卡電站采用的地震折射波法探測(cè)壩址區(qū)域地層結(jié)構(gòu)。

1.2 電法勘探技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

電法勘探技術(shù)主要基于巖石等介質(zhì)的電性差異，物性參數(shù)主要包括導(dǎo)電性、介電性、導(dǎo)磁性、激發(fā)極化性、自然極化性、壓電性和震電性等，通過觀測(cè)天然存在或人工建立的電場(chǎng)分布，研究地下介質(zhì)的電性分布情況，從而實(shí)現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造的識(shí)別與定位。

電法勘探發(fā)展始于19世紀(jì)末，國(guó)外地球物理學(xué)者提出了電阻率法，并逐漸發(fā)展成熟。1920年，法國(guó)學(xué)者施倫貝爾熱發(fā)現(xiàn)了激電效應(yīng)，并由加拿大、前蘇聯(lián)等國(guó)學(xué)者開展深入研究形成了激發(fā)極化法。中國(guó)的電法勘探工作始于20世紀(jì)40年代初，利用電法勘探在金屬礦區(qū)開展了相關(guān)試驗(yàn)工作。近年來(lái)，中國(guó)自主研發(fā)的電法勘探設(shè)備越來(lái)越多，包括直流電法儀、高密度電阻率儀、直流激電儀以及交流激電儀等，儀器設(shè)備的性能越來(lái)越高，已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平[6]。

在水利工程中，電法勘探技術(shù)主要應(yīng)用于覆蓋層探測(cè)、隱伏構(gòu)造破碎帶探測(cè)、滑坡體探測(cè)、巖溶探測(cè)、庫(kù)壩滲漏探測(cè)、地下水探測(cè)、防滲帷幕線探測(cè)、堤防隱患探測(cè)、水庫(kù)淤積探測(cè)以及隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等方面。圖2為采用高密度電法探測(cè)山體坡積物。

1.3 電磁法勘探技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

電磁法勘探技術(shù)屬于電法勘探的分支，根據(jù)發(fā)射場(chǎng)性質(zhì)的不同，可以分為時(shí)間域電磁法和頻率域電磁法，主要基于巖石等介質(zhì)的導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性和介電性的差異，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，通過觀測(cè)電磁場(chǎng)的空間與時(shí)間分布規(guī)律，研究地下介質(zhì)的電磁響應(yīng)特征，從而實(shí)現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造的識(shí)別與定位。

電磁法勘探發(fā)展于20世紀(jì)初，1925年國(guó)外學(xué)者利用電磁剖面法探測(cè)金屬礦。20世紀(jì)50年代，前蘇聯(lián)和法國(guó)學(xué)者建立了大地電磁測(cè)深法，用于探測(cè)地球深部的電性分布特征。1949年以來(lái)，中國(guó)的電磁法勘探得以發(fā)展，初期研究與發(fā)展了小功率瞬變電磁場(chǎng)法、地下電磁波法、大地電磁測(cè)深法等。目前，瞬變電磁法、音頻大地電磁測(cè)深法、可控源音頻大地電磁測(cè)深法、探地雷達(dá)法以及電磁感應(yīng)法等大量新技術(shù)廣泛應(yīng)用于工程勘察與檢測(cè)中[7]。

在水利工程中，電磁法勘探技術(shù)主要應(yīng)用于覆蓋層探測(cè)、隱伏構(gòu)造破碎帶探測(cè)、滑坡體探測(cè)、巖溶探測(cè)、庫(kù)壩滲漏探測(cè)、地下水探測(cè)、防滲帷幕線探測(cè)、堤防隱患探測(cè)以及隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等方面。圖3為云南省滇中引水工程大地電磁測(cè)深法探測(cè)引水線路隱伏構(gòu)造及斷裂帶。

1.4 層析成像CT技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

層析成像技術(shù)是借鑒醫(yī)學(xué)CT，以波的透射原理為基礎(chǔ)，根據(jù)射線掃描，對(duì)所得到的信息進(jìn)行反演計(jì)算，重建被測(cè)范圍內(nèi)巖體彈性、電性分布規(guī)律的圖像，從而實(shí)現(xiàn)推斷目標(biāo)地質(zhì)體結(jié)構(gòu)和形狀的地球物理手段。根據(jù)所使用的地球物理場(chǎng)的不同，層析成像又分為彈性波層析成像、電磁波層析成像、電阻率層析成像等。

19世紀(jì)初期，數(shù)學(xué)家 Radon 提出了Radon變換，奠定了層析成像的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)。20世紀(jì)50年代，前蘇聯(lián)科學(xué)家首先對(duì)波場(chǎng)幅值及相位的理論進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究及應(yīng)用，打下了井間CT應(yīng)用的基礎(chǔ)。80年代，G.McMachan首次提出了井間層析成像的概念，隨后該方法在美國(guó)得到了迅速發(fā)展，方法原理越來(lái)越完善。90年代初，中國(guó)以吳律為代表的研究人員首先引進(jìn)了井間層析成像理論與技術(shù)，開展了射線理論和波動(dòng)理論反演研究工作[8]。

在水利工程中，層析成像技術(shù)主要應(yīng)用于覆蓋層探測(cè)、庫(kù)壩滲漏探測(cè)、巖溶探測(cè)、庫(kù)壩滲漏探測(cè)、堤防隱患探測(cè)以及防滲帷幕線探測(cè)等方面。圖4為烏東德水電站采用地震CT技術(shù)探測(cè)大型巖溶。

1.5 綜合測(cè)井技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

綜合地球物理測(cè)井技術(shù)涵蓋了大部分地面地球物理技術(shù)方法，以地下空間不同巖石的各種地球物理物性差異為基礎(chǔ)，通過對(duì)應(yīng)的地球物理方法，連續(xù)觀測(cè)、測(cè)量相應(yīng)地球物理物性參數(shù)的變化規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造的識(shí)別與定位。

現(xiàn)代意義的地球物理測(cè)井技術(shù)始于1927年，法國(guó)學(xué)者利用電阻率測(cè)井進(jìn)行地層巖性對(duì)比;1942年G.E.Archie提出了阿爾奇公式，定量表述了純地層條件下的電阻率、孔隙度和含水飽和度之間的關(guān)系，并應(yīng)用于儲(chǔ)層評(píng)價(jià)。20世紀(jì)60年代末，綜合測(cè)井技術(shù)的采集方式逐步由模擬方式向數(shù)字方式過渡。90年代，測(cè)井技術(shù)逐漸朝成像測(cè)井方向發(fā)展。目前，綜合測(cè)井技術(shù)種類繁多，主要包括：① 電法類，如視電阻率測(cè)井以及感應(yīng)測(cè)井等;② 電化學(xué)性類，如自然電位測(cè)井等;③ 彈性波類，如聲波以及地震測(cè)井等;④ 核測(cè)井類，如自然伽馬測(cè)井以及中子測(cè)井等;⑤ 成像類，如鉆孔全景數(shù)字成像、微電阻率成像測(cè)井以及核磁共振成像測(cè)井等;⑥ 其他類，如井徑測(cè)井、井溫測(cè)井以及井斜測(cè)井等[9]。

在水利工程中，綜合測(cè)井技術(shù)主要應(yīng)用于覆蓋層探測(cè)、隱伏構(gòu)造破碎帶探測(cè)、滑坡體探測(cè)、巖溶探測(cè)、堤防隱患探測(cè)、地下水水位監(jiān)測(cè)、地下水污染監(jiān)測(cè)、水庫(kù)壩基巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)定及評(píng)價(jià)以及水利工程質(zhì)量檢測(cè)等方面。圖5為烏東德水電站采用的鉆孔聲波、全景數(shù)字成像綜合測(cè)井。

2 物探技術(shù)在水利工程質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

隨著三峽工程等水利工程的建設(shè)，水利工程地球物理探測(cè)技術(shù)逐漸由地質(zhì)勘察向工程質(zhì)量檢測(cè)方向發(fā)展，在水利工程質(zhì)量控制環(huán)節(jié)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。通過物探檢測(cè)“透視眼”技術(shù)，能夠精準(zhǔn)查明工程內(nèi)部情況，找出質(zhì)量缺陷、消除安全隱患、保障工程質(zhì)量，發(fā)揮著缺陷判斷、質(zhì)量驗(yàn)收與預(yù)警警示作用。目前，水利工程地球物理探測(cè)技術(shù)在質(zhì)量檢測(cè)中應(yīng)用廣泛，本節(jié)將著重介紹幾項(xiàng)物探質(zhì)量檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 混凝土質(zhì)量高精度檢測(cè)技術(shù)

水利工程中涉及的混凝土結(jié)構(gòu)眾多，包括地下廠房、輸水隧洞、渡槽、倒虹吸、箱涵、閘室、混凝土面板等，混凝土施工質(zhì)量直接關(guān)系到水利工程的整體施工質(zhì)量，一旦混凝土存在結(jié)構(gòu)缺陷，包括裂縫、脫空、不密實(shí)、強(qiáng)度不足、鋼筋分布不符合設(shè)計(jì)要求、保護(hù)層厚度不足等，將嚴(yán)重威脅水利工程的運(yùn)行安全。目前，常用的混凝土質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)包括探地雷達(dá)法、脈沖回波法、聲波法以及超聲橫波反射成像技術(shù)等。

超聲橫波反射成像技術(shù)是一項(xiàng)近年來(lái)新發(fā)展的混凝土質(zhì)量高精度檢測(cè)技術(shù)，具有干耦合、陣列發(fā)射、超聲橫波反射、合成孔徑聚焦成像四大特點(diǎn)，能夠用于混凝土質(zhì)量檢測(cè)，精度可達(dá)毫米級(jí)[10]。圖6為南水北調(diào)工程采用超聲橫波反射成像技術(shù)檢測(cè)隧洞襯砌混凝土脫空示意。

2.2 堆石體密實(shí)度檢測(cè)技術(shù)

傳統(tǒng)土石壩堆石體密實(shí)度檢測(cè)一般采用坑測(cè)法，需要人工進(jìn)行挖坑，檢測(cè)效率低，且采樣具有隨機(jī)性，不能反映整個(gè)土石壩的堆石體密實(shí)度分布情況。目前常用的堆石體密實(shí)度檢測(cè)技術(shù)包括：附加質(zhì)量法、核子水分-密度法等。

附加質(zhì)量法相對(duì)于傳統(tǒng)坑測(cè)法，具有檢測(cè)效率高、無(wú)損檢測(cè)、成本低等特點(diǎn)，能夠及時(shí)反饋堆石體質(zhì)量缺陷，從而實(shí)時(shí)控制施工填筑質(zhì)量[11-12]。圖7為四川省兩河口水電站采用附加質(zhì)量法檢測(cè)土石壩三維堆石體密實(shí)度示意。

2.3 數(shù)字鉆孔技術(shù)

在水利工程勘察與檢測(cè)過程中，需要進(jìn)行大量的地質(zhì)鉆孔或混凝土取芯，但是由于實(shí)物巖心存在取樣、運(yùn)輸、存儲(chǔ)以及管理等方面的不便，數(shù)字鉆孔技術(shù)顯得尤為重要。

數(shù)字鉆孔技術(shù)利用鉆孔高清錄像、聲波等技術(shù)獲取鉆孔巖體信息，利用孔壁圖像與實(shí)物巖芯的耦合原理，形成數(shù)字巖芯代替實(shí)物巖芯，能夠有效解決上述問題，成果形象、直觀[13]。圖8為烏東德水電站采用數(shù)字巖芯技術(shù)獲取鉆孔巖芯三維體示意。

2.4 高分辨率層析成像CT技術(shù)

水利工程中利用地表和單鉆孔中的物探勘察技術(shù)只能對(duì)工程質(zhì)量問題進(jìn)行較粗略的識(shí)別與定位，特別是針對(duì)巖溶等復(fù)雜地質(zhì)問題，往往需要在初步的物探成果上，在異常區(qū)附近施作多個(gè)鉆孔，利用高分辨率層析成像CT技術(shù)了解鉆孔之間的地質(zhì)問題。

高分辨率層析成像CT技術(shù)利用高靈敏度的物探檢測(cè)設(shè)備以及優(yōu)良的成像算法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)工程質(zhì)量缺陷、巖溶等地質(zhì)構(gòu)造的精確定位[14]。圖9為武漢市地鐵工程采用高分辨率電磁波CT技術(shù)精確定位地下溶洞示意。

2.5 庫(kù)壩滲漏精細(xì)探測(cè)技術(shù)

目前，中國(guó)已建成的各類水庫(kù)、大壩近10萬(wàn)座，但隨著水庫(kù)、大壩的長(zhǎng)年運(yùn)營(yíng)，一些水庫(kù)出現(xiàn)滲漏等安全隱患。庫(kù)壩滲漏精細(xì)探測(cè)技術(shù)在庫(kù)壩安全運(yùn)營(yíng)過程中起著至關(guān)重要的作用[15]。

磁電阻率法是一種新型的水庫(kù)大壩滲漏通道快速探測(cè)技術(shù)，該技術(shù)具有三維無(wú)損探測(cè)、探測(cè)效率高、探測(cè)深度大、定位精度高等特點(diǎn)，有效地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)滲漏探測(cè)技術(shù)的不足。圖10為江西省高泉水庫(kù)采用磁電阻率法獲取滲漏通道三維分布情況。

2.6 堤防隱患檢測(cè)技術(shù)

目前，中國(guó)已建成堤壩總里程數(shù)超31.2萬(wàn)km，堤防在長(zhǎng)期服役過程中，受到水位漲落、氣候劇變、地質(zhì)災(zāi)害等影響，可能會(huì)產(chǎn)生滲漏、破損、甚至潰堤現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅堤防及周邊安全。

目前常用的堤防隱患檢測(cè)技術(shù)包括：面波法、電測(cè)深法、電剖面法、高密度電法、激發(fā)極化法、探地雷達(dá)法、瞬變電磁法、偽隨機(jī)流場(chǎng)法，各種方法都有其優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)，在堤防隱患檢測(cè)中扮演著重要的角色[16]。圖11為南水北調(diào)工程堤防段采用高密度電法探測(cè)堤防隱患示意。

2.7 隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)

隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作是保障隧洞施工安全的前提。特別是深埋長(zhǎng)隧洞，由于前期勘察的局限性，難以查明隧洞沿線的所有地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，通過以物探技術(shù)為主的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段，能夠較精細(xì)地探明隧洞掌子面前方的斷層、裂隙、溶洞、地下水等不良地質(zhì)條件，為隧洞風(fēng)險(xiǎn)處置提供可靠依據(jù)。

目前，按照探測(cè)距離，隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)可分為：①長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)技術(shù)，以地震波法為主，例如TSP，TGS，TRT，TGP等技術(shù);②中距離預(yù)報(bào)技術(shù)，以瞬變電磁法為主要代表;③短距離預(yù)報(bào)技術(shù)，包括地質(zhì)雷達(dá)法、聚焦激發(fā)極化法等[17-18]。圖12為云南省滇中引水工程采用TGS技術(shù)探測(cè)隧洞前方溶洞示意。

2.8 綜合管網(wǎng)探測(cè)技術(shù)

隨著城市水利工程建設(shè)速度加快，查明水利工程布置與現(xiàn)有地下管網(wǎng)的空間位置關(guān)系對(duì)保障勘察、施工期作業(yè)安全及減少設(shè)計(jì)變更至關(guān)重要。城市地下管網(wǎng)復(fù)雜，具有埋深變化大、材質(zhì)、管徑種類多等特點(diǎn)，綜合管網(wǎng)探測(cè)一般采用多種地球物理勘察技術(shù)進(jìn)行。

目前，常用的綜合管網(wǎng)探測(cè)技術(shù)包括：感應(yīng)電磁法、高密度電阻率法、探地雷達(dá)法、主動(dòng)源面波法等。其中，感應(yīng)電磁法、高密度電阻率法以探測(cè)電纜、金屬類管線為主，探地雷達(dá)法、主動(dòng)源面波法以探測(cè)非金屬管線為主。圖13為采用探地雷達(dá)法探測(cè)地下管道示意。

3 水利工程地球物理探測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

今后，水利工程地球物理探測(cè)技術(shù)的發(fā)展面臨著較大挑戰(zhàn)：① 由于地球物理探測(cè)技術(shù)本身還存在較多的技術(shù)難題亟待突破;② 水利工程對(duì)勘察與檢測(cè)的精度要求也越來(lái)越高。水利工程地球物理探測(cè)技術(shù)需要隨著水利行業(yè)和物探技術(shù)的發(fā)展，不斷完善、提升與突破，發(fā)揮自身高效、無(wú)損、高精度的優(yōu)勢(shì)，完成水利工程質(zhì)量控制任務(wù)。

3.1 三維探測(cè)與建模分析技術(shù)

三維設(shè)計(jì)是水利行業(yè)發(fā)展的主流方向與必然趨勢(shì)，但是目前由于技術(shù)所限，水利工程物探工作還是以一維和二維探測(cè)為主，探測(cè)成果也是以一維波形與二維剖面展示為主，三維探測(cè)技術(shù)還處于起步與發(fā)展階段，大多數(shù)技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)真三維探測(cè)，不符合水利行業(yè)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，目前的物探成果展示也只是以工作布置圖加二維成果剖面的展示為主，不便于成果的理解與分析，缺少對(duì)探測(cè)目標(biāo)或者區(qū)域的建模分析。因此，地球物理探測(cè)技術(shù)的三維探測(cè)與建模分析是未來(lái)發(fā)展的主流方向。圖14為物探三維探測(cè)與建模分析技術(shù)示意。

3.2 空中高效物探技術(shù)

水利工程特別是引調(diào)水工程，存在工程線路長(zhǎng)、地形地貌復(fù)雜、勘察工期緊等特點(diǎn)，常規(guī)的地面勘探技術(shù)在地勢(shì)復(fù)雜的山區(qū)探測(cè)效率較低，特別是在陡崖和植被茂密處，開展地表物探工作難度極大。近年來(lái)，航空（地空）物探技術(shù)有所發(fā)展，具有探測(cè)效率高、不受地勢(shì)影響等優(yōu)勢(shì)（圖15）。該技術(shù)依然還處于起步階段，存在探測(cè)精度低、無(wú)人機(jī)續(xù)航差等特點(diǎn)，無(wú)法完全滿足水利工程線路勘察的需求。因此，空中高效物探技術(shù)也是未來(lái)水利工程地球物理探測(cè)技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)。

3.3 水域物探勘察與檢測(cè)技術(shù)

目前，水利工程對(duì)水域勘探的需求越來(lái)越大，從水下地層結(jié)構(gòu)探測(cè)到河湖采砂探測(cè)，淤積層厚度探測(cè)、水下地形探測(cè)再到庫(kù)壩水下滲漏探測(cè)，以及過水隧洞運(yùn)營(yíng)期質(zhì)量檢測(cè)等。但是，水域物探勘察與檢測(cè)技術(shù)還處于起步階段，不像地表和孔中物探技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到相對(duì)成熟的階段。目前已發(fā)展有水上地震、水上電法、淺剖、水下機(jī)器人等技術(shù)（圖16）。但是，這些技術(shù)都具有一定局限性，受外界檢測(cè)環(huán)境影響較大，例如水上地震技術(shù)受水深、淤積層厚度和震源等因素影響。因此，水域物探勘察與檢測(cè)技術(shù)還需要開展進(jìn)一步的研究工作。

3.4 時(shí)移物探監(jiān)測(cè)技術(shù)

水利工程運(yùn)營(yíng)期安全監(jiān)測(cè)工作是保障水利工程運(yùn)營(yíng)安全的基礎(chǔ)。時(shí)移物探監(jiān)測(cè)技術(shù)則是一項(xiàng)新興的安全監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過在不同時(shí)間對(duì)目標(biāo)體進(jìn)行物性參數(shù)的采集，觀察與分析物性參數(shù)的變化特征，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)體安全隱患的識(shí)別。例如堤防工程，可以通過時(shí)移物探監(jiān)測(cè)技術(shù)獲取其波速和電阻率等物性參數(shù)隨時(shí)間的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)堤防的安全隱患進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有效避免滲漏、潰堤等安全事故發(fā)生。因此，作為水利工程安全運(yùn)營(yíng)基本保障的時(shí)移物探監(jiān)測(cè)技術(shù)亟待大力發(fā)展。圖17為三維地震堤防時(shí)移物探監(jiān)測(cè)技術(shù)示意。

3.5 物探智能檢測(cè)技術(shù)與裝備

智能化是科技發(fā)展的趨勢(shì)、更是科技進(jìn)步的體現(xiàn)，水利工程地球物理探測(cè)技術(shù)也是一樣，需要不斷朝智能化這個(gè)大方向發(fā)展。目前，一些學(xué)者已經(jīng)開始了相關(guān)研究工作，將智能算法加入到物探的數(shù)據(jù)處理與解譯分析過程中，同時(shí)，越來(lái)越多的智能物探檢測(cè)機(jī)器人也開始開展相關(guān)試驗(yàn)工作。通過物探智能檢測(cè)技術(shù)與裝備能夠顯著提升檢測(cè)效率，同時(shí)減少人為誤差，特別是高空作業(yè)或者水下作業(yè)時(shí)，智能檢測(cè)裝備的優(yōu)勢(shì)更加明顯。因此，在水利行業(yè)的發(fā)展中，物探智能檢測(cè)技術(shù)與裝備的研究和發(fā)展必不可少。圖18為探地雷達(dá)智能檢測(cè)裝備。

4 結(jié) 語(yǔ)

地球物理探測(cè)技術(shù)作為水利工程勘測(cè)的重要手段，在水利工程建設(shè)中發(fā)揮了不可替代的作用。通過地球物理探測(cè)“透視眼”技術(shù)，能夠高效、無(wú)損、精準(zhǔn)地查明巖體或者工程內(nèi)部情況，找出不良地質(zhì)構(gòu)造與工程質(zhì)量缺陷，在水利工程質(zhì)量控制環(huán)節(jié)中發(fā)揮著缺陷判斷、質(zhì)量驗(yàn)收與預(yù)警警示作用。

目前，物探勘察、檢測(cè)與監(jiān)測(cè)技術(shù)的服務(wù)范圍已覆蓋了水利工程建設(shè)的全生命周期，從前期地質(zhì)勘察探測(cè)地層結(jié)構(gòu)與地質(zhì)構(gòu)造，到施工期檢測(cè)工程結(jié)構(gòu)缺陷與狀態(tài)，到工程運(yùn)營(yíng)期進(jìn)行工程健康診斷與物探安全監(jiān)測(cè)，地球物理探測(cè)技術(shù)都發(fā)揮了重要作用并不斷取得了新進(jìn)展。

水利工程地球物理探測(cè)技術(shù)未來(lái)的主要發(fā)展趨勢(shì)與方向包括：① 三維探測(cè)與建模分析技術(shù);② 空中高效物探技術(shù);③ 水域物探勘察與檢測(cè)技術(shù);④ 時(shí)移物探監(jiān)測(cè)技術(shù);⑤ 物探智能檢測(cè)技術(shù)與裝備。面對(duì)水利工程發(fā)展的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，地球物理探測(cè)技術(shù)也會(huì)不斷進(jìn)步與完善，向“更全、更快、更準(zhǔn)”的方向發(fā)展。

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（編輯：李 慧）