高密度電法在水利工程中的應(yīng)用進展研究

林悅奇，袁明道，徐云乾，李思平，史永勝，張旭輝

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510635；2.河口水利技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，廣州 510635；3.廣東省山洪災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急技術(shù)研究中心，廣州 510635)

1 概述

高密度電法(High-Density Electrical Method，HDEM)是一種電性測深方法，通過在地下注入電流并測量地下電場來獲取地下介質(zhì)的電性結(jié)構(gòu)。HDEM技術(shù)具有高精度、非侵入式、多參數(shù)探測等優(yōu)勢，在地質(zhì)勘探、礦產(chǎn)勘探、環(huán)境調(diào)查、水利工程等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-5]。

高密度電法的研究起源于20世紀(jì)60年代末期，當(dāng)時主要應(yīng)用于地質(zhì)勘探和礦產(chǎn)勘探領(lǐng)域。隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，HDEM技術(shù)的測量、數(shù)據(jù)處理和成像方法不斷得到改進和完善[6-9]。近年來，隨著水利工程建設(shè)的不斷推進和技術(shù)手段的持續(xù)提升，高密度電法已經(jīng)成為水利工程勘探的重要手段之一，可用于地下水資源勘探、岸坡穩(wěn)定性評估、土石壩監(jiān)測等方面。隨著技術(shù)的不斷進步，高密度電法的應(yīng)用領(lǐng)域還將不斷擴大，對于加強水利工程日常運行管理和安全監(jiān)測具有重要的意義。

2 高密度電法在水利工程中的應(yīng)用情況

高密度電法原理是利用不同地下介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)差異，通過地下介質(zhì)視電阻率來反映地下介質(zhì)空間分布情況，常見的地下介質(zhì)視電阻率統(tǒng)計見表1所示。

表1 常見地下介質(zhì)視電阻率[10-26]

目前，高密度電法在水利工程勘探和監(jiān)測中，主要應(yīng)用于以下幾個方面。

1)地下水資源勘探

隨著城市化進程的加速和人口增長，地下水資源已經(jīng)成為城市和農(nóng)村飲水的主要來源之一。張建峰等[10]綜合利用電阻率測深法、高密度電阻率法和激發(fā)極化法進行潛層地下水的探測，對這些方法的實測數(shù)據(jù)進行反演，較好地圈定潛水層的基本范圍，其中測深法和激電法的勘探結(jié)果更加精確，而高密度電法對地層的刻畫更直觀。張加剛等[11]利用高密度電法對內(nèi)蒙古西部地區(qū)干旱少水開展地下水資源勘探工作，通過反演獲得地下水資源分布情況，并通過地質(zhì)鉆孔進行了驗證，鉆探結(jié)果與探測結(jié)果互相印證，證明高密度電法可以快速對地下水資源分布情況進行探測。高密度電法可以在較短時間內(nèi)獲取地下介質(zhì)的電性結(jié)構(gòu)信息，從而精確地劃分地下水層的空間分布和厚度，為地下水的勘探和管理提供重要的參考依據(jù)(見圖1～圖2)。

圖1 地下潛水層視電阻率示意，潛水層視電阻率20～30 Ω·m[8]

圖2 地下水資源空間分布視電阻示意，富水區(qū)視電阻率15～40 Ω·m[11]

2)水利工程穩(wěn)定性評估

一些水庫大壩、堤防等工程在長期使用過程中，存在土體松散、破壞等安全隱患[12-13]。宋朝陽等[14]通過數(shù)值模擬論證高密度電法在堤防穩(wěn)定探測中運用的可行性，用以檢測土體中不同層位的電阻率變化，從而判斷土體的穩(wěn)定性和破壞狀態(tài)，為工程的安全運行提供依據(jù)。譚彩等[15]使用高密度電法和地質(zhì)雷達法對堤段穩(wěn)定性進行探測評價，通過對比分析電阻率數(shù)據(jù)變化，查明堤段隱患部位，為堤防穩(wěn)定性評估提供數(shù)據(jù)支撐。徐云乾等[16]利用高密度電法對壩肩滲漏進行探測，查明壩肩滲漏隱患分布情況，為大壩穩(wěn)定評估提供依據(jù)(見圖3～圖4)。

圖3 樁號K0+615形成集中滲漏通道，視電阻率2.18～4.45 Ω·m[13]

a 大壩壩肩繞滲探測結(jié)果

b 壩體中部集中滲漏通道探測結(jié)果圖4 壩體滲漏隱患典型視電阻率示意[16]

3)水利工程滲流監(jiān)測。

堤壩是水利工程中的重要組成部分，為確保其安全運行需要進行定期監(jiān)測。林悅奇、楊文濱等[17-18]總結(jié)了常見隱患對應(yīng)的視電阻率參考值，使用高密度電法對大壩浸潤線進行探測，比與測壓管實測浸潤線對比，證明高密度電法在堤壩滲流監(jiān)測中應(yīng)用的可行性。劉曉等[19]通過建立兩組典型的堤壩滲漏地電模型，結(jié)合正演模擬分析其響應(yīng)特征，將視電阻率擬斷面圖和反演結(jié)果結(jié)合分析，可以排除一些假異常干擾，提高對目標(biāo)體的識別。在對某大壩的滲流異常監(jiān)測中，結(jié)合實測資料擬斷面圖和反演結(jié)果，通過對低阻異常體的連續(xù)追蹤，推斷出異常滲流的原因及滲漏通道的位置。高密度電法可以通過監(jiān)測土石壩周圍地下介質(zhì)的電性結(jié)構(gòu)變化，判斷土石壩是否出現(xiàn)滲漏或破壞，為土石壩的安全運行提供依據(jù)[20]。孫衛(wèi)民等[21]通過時移高密度電法對洪湖長江干堤的險工險段進行了長期監(jiān)測，時移探測技術(shù)突破了原有的一次性檢測理念，將探測目標(biāo)從單一的研究地質(zhì)缺陷轉(zhuǎn)換到對隱患的全生命周期的動態(tài)監(jiān)測，實現(xiàn)了堤防隱患探測方法的精細化，是堤防隱患探測技術(shù)的創(chuàng)新(見圖5)。

圖5 長江干堤時移高密度電法探測結(jié)果示意[21]

3 高密度電法在水利工程中的優(yōu)勢與局限

3.1 高密度電法探測的優(yōu)勢

1)無損探測。高密度電法無需在地面上開挖大型鉆孔或者安裝傳感器，可以實現(xiàn)非侵入性勘測，與傳統(tǒng)鉆探探測相比，避免對水利工程的有損破壞。

2)高效靈活。高密度電法可適應(yīng)不同的勘測環(huán)境和勘測目的，可在不同的介質(zhì)、深度和范圍內(nèi)進行勘測，具有較高的靈活性；且探測速度快，可在短時間內(nèi)獲取大量的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對地下介質(zhì)的全面勘測和分析。以一座壩高30 m的大壩為例，從布線到探測完成只需要3～4 h，當(dāng)天即可完成數(shù)據(jù)分析處理。

3)可重復(fù)，時移對比分析。高密度電法的勘測數(shù)據(jù)可以在相同運行工況或者不同的運行工況下進行多次測量和分析，具有較高的可重復(fù)性和可對比性。通過對多次測量數(shù)據(jù)的比對和分析，可以更加準(zhǔn)確地判斷地下介質(zhì)的電性結(jié)構(gòu)變化。

可見高密度電法在水利工程中具有非常突出的優(yōu)勢，可以為水利工程的管理和維護提供高精度、高效率、經(jīng)濟性的技術(shù)支持。

3.2 高密度電法探測的局限性

1) 數(shù)據(jù)解釋復(fù)雜(多解性)。高密度電法獲取的數(shù)據(jù)比較復(fù)雜，需要對數(shù)據(jù)進行綜合解釋，包括數(shù)據(jù)處理、模型反演、地質(zhì)解釋等，需要專業(yè)的技術(shù)人員進行處理和分析。當(dāng)水庫大壩處于正常蓄水位時，探測到低阻異常的區(qū)域通常是滲流隱患所在部位；當(dāng)水庫處于低水位或死水時，滲流隱患部分由于壩體內(nèi)部浸潤線下降，土體孔隙水消散，此時滲流隱患部位表現(xiàn)為孤立高阻異常。如穿堤涵管、孤立的大塊石或處于無水狀態(tài)下的滲漏通道在視電阻率云圖上均反映為孤立高阻異常。因此數(shù)據(jù)的多解性需要技術(shù)人員結(jié)合工程特點進行解讀分析。

2) 地質(zhì)條件多樣。水利工程的地質(zhì)條件多樣，地下介質(zhì)的電性參數(shù)也會受到多種因素的影響，如土壤濕度、鹽度等，這些因素可能導(dǎo)致勘測數(shù)據(jù)的誤差和偏差，需要對勘測數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析等方面進行有效的誤差控制和精度評估進行精細分析。

3) 儀器設(shè)備要求高。高密度電法的儀器設(shè)備需要高精度、高穩(wěn)定性，同時還需要有較強的適應(yīng)性，能夠在不同的勘測環(huán)境中進行工作，這對設(shè)備的研發(fā)和制造提出了較高的要求。高密度電法在施測過程中，影響探測結(jié)果的因素有以下幾個：一是探針與地表土層接觸是否良好，對于干燥的土層，探針與地表土層容易接觸不良，導(dǎo)致電阻率偏高使數(shù)據(jù)失真，可在探針局部添加電解液改善探針與土體接觸；二是探針與電極之間的接觸，探針與電極之間接觸不良會導(dǎo)致該處電阻率或者松動脫落會導(dǎo)致該處電壓為零導(dǎo)致測點數(shù)據(jù)丟失，可重接電極后重新施測或人工剔除異常電阻值進行數(shù)據(jù)修正；三是高密度電法野外作業(yè)環(huán)境較差，受溫度、雨水及灰塵等影響，施測電壓不穩(wěn)會導(dǎo)致測線結(jié)果失真，嚴(yán)重影響結(jié)果準(zhǔn)確性，對高密度電法的主機設(shè)備及電源的穩(wěn)定性提出了更高的要求。

因此，需要在技術(shù)和方法上不斷進行創(chuàng)新和改進，以實現(xiàn)更加精準(zhǔn)、高效的勘測結(jié)果。

4 高密度電法技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用的深入，高密度電法在水利工程中的技術(shù)發(fā)展趨勢包括以下幾個方面。

1)多物理場聯(lián)合勘測

隨著多物理場聯(lián)合勘測的發(fā)展，高密度電法將會與其他地球物理勘測方法如探地雷達、地震勘探、重力勘探、磁法勘探等相結(jié)合，以獲得更全面的地下信息。通過綜合不同物理量的勘測結(jié)果，可以提高地下介質(zhì)模型的精度和可靠性，為水利工程的設(shè)計和施工提供更加準(zhǔn)確的地質(zhì)數(shù)據(jù)。李宏恩等[22]提出了一種地面核磁共振法與高密度電阻率法聯(lián)合探測堤壩滲漏隱患的思路和方法，驗證了地面核磁共振法與高密度電阻率法聯(lián)合探測堤壩滲漏隱患的可行性，該方法可為土石壩工程的安全診斷與應(yīng)急處置提供技術(shù)支撐(見圖6)。

圖6 高密度電法多測線堤壩滲流隱患探測結(jié)果示意[22]

2)精細化勘測設(shè)計

在勘測設(shè)計方面，高密度電法將會更加注重勘測網(wǎng)格的密度和布局，以提高勘測精度和可靠性[3，23]。此外，高密度電法還將會采用更加先進的勘測儀器和技術(shù)，如三維電極陣列、多頻段勘測等，以進一步提高勘測效率和精度。陳松等[24]通過高密度電法多剖面探測法對廣州南沙厚覆蓋區(qū)近地表地層結(jié)構(gòu)分析，查明了勘測研究區(qū)覆蓋層厚度空間分布特征并取良好效果(見圖7)。

圖7 高密度電法厚覆蓋層厚度探測結(jié)果示意[13]

3)多尺度反演技術(shù)

在數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析方面，高密度電法將會發(fā)展多尺度反演技術(shù)，以克服地下介質(zhì)的非均質(zhì)性和復(fù)雜性。通過將勘測數(shù)據(jù)分為不同尺度進行反演，可以更好地刻畫地下介質(zhì)的空間變化規(guī)律，提高反演結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。潘衛(wèi)東等人[25-27]通過多尺度反演技術(shù)，通過剔除高阻值異常數(shù)據(jù)，增大阻尼系數(shù)和圓弧系數(shù)的方法進行反演，減少了地下空間異常電介質(zhì)及噪聲干擾影響，使反演模型的電阻率更平滑，從而有助于探測結(jié)果的精確解譯，準(zhǔn)確的判別地下空間溶洞分布情況(見圖8)。

a 原始數(shù)據(jù)反演結(jié)果

b 剔除高阻值異常數(shù)據(jù)，增大阻尼系數(shù)和圓弧系數(shù)的方法進行反演圖8 高密度電法地下溶洞探測多尺度反演結(jié)果對比示意[25]

4)人工智能輔助分析

隨著GPT等人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，高密度電法將會運用機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，對大規(guī)模、復(fù)雜的勘測數(shù)據(jù)進行分析和解釋，提高勘測數(shù)據(jù)的自動化處理能力和精度。此外，人工智能還將會應(yīng)用于地下介質(zhì)模型的預(yù)測和優(yōu)化，為水利工程的設(shè)計和施工提供更加可靠的地質(zhì)信息。

5)三維反演成像技術(shù)應(yīng)用

三維反演算法是指通過對三維電場數(shù)據(jù)進行反演計算，得到地下介質(zhì)的三維電學(xué)參數(shù)分布。目前常用的三維反演算法包括基于全空間反演、區(qū)域反演、約束反演等方法[30-31]。這些方法均是基于高密度電法數(shù)據(jù)的特點和地下介質(zhì)的物理特性來設(shè)計的。在高密度電法三維成像中，需要將三維反演結(jié)果進行可視化和分析。這一步驟包括三維圖像的渲染、切片和裁剪等操作，以及與地質(zhì)數(shù)據(jù)的對比和分析，從而更好地理解地下介質(zhì)的特征和結(jié)構(gòu)。黃啟帆等人[20]采用高密度電法獲取尾礦庫中深部信息，繪制反演數(shù)據(jù)二維等值線圖和三維等值面圖，查明了地下尾礦的空間分布情況和基巖分布情況(見圖9)。

a 高密度電法地層視電阻率二維等值線圖與鉆孔驗證對比[24]

b 地下覆蓋層厚度三維等值面分布[24]

c 尾礦庫地下巖層與砂層空間分布探測結(jié)果，紅色為巖層、藍色為砂層[29]圖9 高密度電法三維反演成像技術(shù)應(yīng)用案例[25，29]

5 結(jié)論與展望

高密度電法是一種新興的現(xiàn)代地球物理勘測技術(shù)，能夠通過在地表布置大量電極，采集大量電場數(shù)據(jù)，建立三維電學(xué)模型，無損、高效、精確地探測地下介質(zhì)的特征和結(jié)構(gòu)。在水利工程中，高密度電法具有廣泛的應(yīng)用前景和優(yōu)勢，在實際應(yīng)用中也面臨一些挑戰(zhàn)和問題，如數(shù)據(jù)處理和反演解析、設(shè)備性能和探測精度等方面的限制。因此，在未來的研究中，需要進一步加強技術(shù)研發(fā)，高密度電法探測技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用有以下三大發(fā)展方向。

1)技術(shù)不斷升級。基于人工智能和機器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)處理和解釋技術(shù)的不斷發(fā)展，海量的探測數(shù)據(jù)將更容易進行識讀和處理，地下目標(biāo)的識別和定位也將更快速準(zhǔn)確。

2)應(yīng)用范圍擴大。高密度電法無損高效精確的探測特點，在水庫、堤防、地下水資源勘測、河流治理等方面有廣闊的應(yīng)用前景，將成為一種不可或缺的技術(shù)手段。

3)多物理場聯(lián)合勘測。高密度電法與其他地球物理勘測技術(shù)相結(jié)合和綜合應(yīng)用，能夠獲得更加全面、精細的地下介質(zhì)信息，從定性探測轉(zhuǎn)向定量探測。

未來高密度電法在水利工程中將具有廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用前景。通過不斷升級和改進技術(shù)手段，高密度電法將成為一種重要的水利工程勘測技術(shù)，為水利工程的建設(shè)和管理提供更加科學(xué)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。