利用電子手段進行堤壩隱患檢測試驗的探討

楊毅誠

（河海大學力學與材料學院，江蘇 南京 210098）

如何有效快速檢測堤壩隱患以及滲漏，并有針對性對堤壩進行加固除險處理，一直是防洪工程技術以及質(zhì)量管理中的主要問題。但是由于堤壩結構的復雜性，加上其他客觀因素的影響，給堤壩隱患檢測帶來一定的困難，而電子手段的應用，有效地降低了檢測難題，提高檢測的準確性與精度，為工程基定系數(shù)修正提供了理論基礎和科學依據(jù)。

1 研究背景

根據(jù)相關數(shù)據(jù)分析顯示，目前我國建設而成的各類堤防將近30萬Km，其中，主要的堤防工程占據(jù)30%以上，大型水庫約為8萬余座，而且隨著我國經(jīng)濟建設水平的提高和國民經(jīng)濟的發(fā)展，水利工程的規(guī)模不斷擴大，數(shù)量不斷增加，堤防工程的數(shù)量也在不斷增加，而堤壩工程作為一種長期的、現(xiàn)實的防洪措施，在我國的防洪體系中發(fā)揮著關鍵性的作用。在水利工作中，防洪減災作為主要任務，堤壩建設占據(jù)主要地位，既要防止洪水泛濫，還要保護工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全和人民生命財產(chǎn)安全，因此，可以產(chǎn)堤壩是我國人民的生命線。但是，我國的堤壩工程由于自然、社會、經(jīng)濟以及有中國特色等各方面的原因和因素，一直存在著質(zhì)量問題。

堤防工程隱患安全檢測工程中，堤壩的隱患深度一般在10幾米到幾十米之間，國內(nèi)對于探測精度、電極布設、采樣頻率等方面的研究還不是很多，比如不同含水量、不同土料、不同深度之間的電阻率值的變化及相互關系行裝，加上水利工程堤壩隱患探測的復雜性與多解性，要想有效開展堤壩隱患探測工作，存在著一定難度，由于我國相關探測機理研究內(nèi)容相對較少，探測過程中所選用的設備雖然較多，但是缺乏有效針對性，而且這些因素的存在，導致堤壩探測手段過于滯后，因此，必須要通過大量的工程實例，采集大量的數(shù)據(jù)，尋找最合的探測手段和方法，提高探測的準確性與精確性，促進探測水平的提高。

2 堤壩電子手段檢測技術

2.1 電法探測技術

這種探測技術主要利用巖石的介電性、導電性以及電化學性質(zhì)為基礎上而建立起來的一種探測方法，當巖層發(fā)生變化或者是出現(xiàn)異常時，其電學性質(zhì)就會沿著水平方向以及垂直方向發(fā)生變化，這時，在地面所觀測的電磁場的空間分布情況也會發(fā)生相應的變化。為此，可以通過對電磁場異常特征的判斷與分析，從而準確推斷出異常體的存在狀態(tài)，包括形狀、大小、位置、物性參數(shù)以及埋藏深度等，結合空間異常分布特征，從而達到探測的目的。另外，這種探測方法在實際應用中，還有很多方法，常用到的有高密度法和電阻率法等，其應用范圍較廣，除了用于堤壩隱患探測外，還可以用于地下能源和地下水資源的探測，從而有效地解決工程地質(zhì)問題和水文地質(zhì)問題。

2.2 自然電場法

在一定的地質(zhì)條件下，大地中必然會存在著穩(wěn)定的電流場，通常情況下，我們將其稱之為自然電場。而自然電場法就基于對其分布規(guī)律研究的基礎上，將地質(zhì)中存在的問題解決，但是這種探測方法存在的一個問題就是關于自然電場產(chǎn)生原因，目前仍舊沒有統(tǒng)一的意見。在早期的看法認為，電子導體的礦體受地下水作用，通過上部發(fā)生的氧化作用以下部發(fā)生的還原作用，使得礦體內(nèi)產(chǎn)生了自然電流，（具體如圖1所示），并且在礦體的上方可以觀測到異常（圖2）。

圖1

圖2

另外，還有一些專家認為是由于巖石孔隙中的溶液發(fā)生了氧化作用，而地下潛水起到了還原劑的作用所造成的，此外，還有一些所謂的濃差電池學說以及電極電位學說等。

2.3 瞬變電磁法

這種探測技術主要是利用敷設在地面的不接地回線通以脈沖電流所建立起來的一種探測技術，在探測過程中，通過感渦電流所產(chǎn)生的二次磁場，利用靈敏度較高高的接收線圈或者是接收機，進行地下探測，這種探測方法所探測的結果是堤壩電導率，因此，還要根據(jù)堤壩的土性參數(shù)，采用電法與電磁法對堤防的安全性進行評估。一般情況下，堤壩電導率與含水量、粘粒含量、孔隙比呈現(xiàn)正相關，而與干密度呈現(xiàn)負相關，通過這個關系的分析，可以有效地提高探測結果的準確性。

2.4 地質(zhì)雷達探測技術

地質(zhì)雷達探測技術的基本原理主要是基于高頻電磁波理論的基礎上而形成的一種方法。其在實踐工作中，主要通過短脈沖、寬頻帶等電磁波的形式，根據(jù)接收脈沖的反射波記錄，得到波形的正負峰值，同時，利用相同的等色線和等灰線將反射界面表示出來。地質(zhì)雷達探測技術具有檢測靈敏度、解釋簡單、成果直觀、檢測速度快等，目前已經(jīng)被廣泛應用于堤壩質(zhì)量檢測工作中，尤其是在淺層檢測中，其應用更是普遍。以下是關于其探測原理圖（圖 3）：

圖3 探地雷達工作原理圖

2.5 彈性波檢技術

這種檢測技術的方法種類有很多，如瑞雷面波法、地震反射波法以及地震折射波法等，但是由于彈性波法本身的特點，其探測效果有限，因此，該方法主要應在堤防工程質(zhì)量檢測中，通過對堤防密度度的評價與分析，對彈性波動速度參數(shù)與堤身的力學指標關系進行具體分析，強化堤防質(zhì)量評價，具體的面波數(shù)據(jù)處理如圖4所示：

圖4 面波數(shù)據(jù)處理示意圖

3 電子手段檢測原理理論以及實踐分析

電子手段的檢測主查以巖土體電學性質(zhì)的差異性為基礎，通過觀察和研究，尋找與這些異常有關的時間與空間上的分布特點與變化規(guī)律，進而有效地查明地下異常體，明確地下地質(zhì)構造的一種檢測方法。經(jīng)過大量的調(diào)查與研究發(fā)現(xiàn)，堤壩隱患主要有四大類，具體表現(xiàn)為：一、縫：橫縫、縱縫、開口縫、隱蔽縫以及斜縫等；二、洞：爛樹根、蟻穴以及塌陷等所產(chǎn)生的空洞或者是基礎內(nèi)細顆粒土被沖走所形成的孔洞；三、松：密實度過低，壩基為砂礫土或者為沙土；四、小構造：基巖中存在著裂縫、斷層等。為此，在這里勻從堤壩隱患中存在的問題入手，在前人理論分析的基礎上，通過大量的試驗性探測以及工程應用的實例進行分析：

在電子手段探測中，最為常用的方法是電阻率法，在實際應用中，通常采用兩個電極從地下向地下供電，同時，用另外兩個電極測量電位差，以此來了解地下電性的分布情況，簡單來講，就是通過通過兩個地面異性點電流源電場，了解地下電性的分布，在這里我們通過具體的事例來分析，假設地表水平，地下充滿均勻的各向同性半無限介質(zhì)，在地面上任意兩點用供電極A、B供電，另用兩點用測量電極M、N測定電位差，具體如圖5所示：

圖5 大地電阻率測定裝置圖

根據(jù)電場的疊加原理，結合巖石的介電性、導電性以及電化學性質(zhì)，對巖層發(fā)生變化以及出現(xiàn)異常情況進行觀測，同時，利用其電學性質(zhì)，隨時觀察沿水平方向和垂直方向的異常變化，全面了解地面電磁場的空間分布情況以及相應的變化情況，并且通過計算得到以下公式：

其中，UM為AB兩電極在M點產(chǎn)生的電位，I為電流，AM、BM分別為AB極到M的距離。在分極時，還要通過對電磁場異常特征進行科學的分析與判斷，準確判斷異常體形狀、大小以及位置，同時，還要通過分析，得到相應的物性參數(shù)，確定了質(zhì)量隱患的埋藏深度，通過對巖體空間異常分布特征的分析，利用某一點所產(chǎn)生的電位，從而得到科學、合理的探測結果。另外，在電阻率中，所使用的這個電阻率值，并不是直接測量所得到的參數(shù)，而通過一對電極向地下供電，對另一對電極之間的電位差進行測量，結合相關的電流強度以及測量所得到的電位差值，通過電阻率公式計算所得到的。

圖6

在地電觀測中，通常會采用電極排列的的形式或者是移動方式，去解決不同的地質(zhì)問題，這是因為一定地質(zhì)條件下穩(wěn)定的電流場的存在，在實際的測量，通過對地面磁場分布規(guī)律的分析與研究，結合不變的供電極距，將地質(zhì)中存在的問題解決。在檢測時，其主要了解的剖面方向，而對于地下某一深度的不同電性物質(zhì)的分布情況，則需要通過樣度裝置以及偶級裝置等進行全面分析，并且利用敷設不接地回線通以脈沖電流，具體如圖6所示：

根據(jù)圖6所示：當供電與測量均在地面進行時，可以通過無限介質(zhì)的電場分布情況與感渦電流所產(chǎn)生的二次磁場的分布情況進行全面的分析，同時對球外的電場分布情況進行分析，這個球體主要代表地面的影響，假設球心的深度為h0，球體半徑為r0，若是球體的埋藏比較深，那么利用靈敏度較高高的接收線圈或者是接收機進行地下探測，同時，在計算時，可以將球體對地面上鏡像的作用忽略，這時，通過中間梯度法所得到的電阻率表達公式如下：

在探測過程中，可以視電阻率的變化特征反映了不均勻土層中的電場分布情況，利用水平電流偶極子的電場頒規(guī)律，對堤壩土體中的異常體異常特性進行分析，針對探測的堤壩電導率，計算出堤壩的土性參數(shù)，并進行堤防安全性評估。而對于均勻電流場中的不同產(chǎn)關的低阻脈狀體而言，類似于堤壩基礎內(nèi)存在的軟弱夾層，而且由于其對于電流具有不同程度的吸引作用，那么其異常幅值也會有所變化，為此，可以在尋找堤壩內(nèi)高阻值立脈狀裂縫與低阻水平異常狀況時，采用中間梯度最有利。

4 結語

總而言這，堤壩隱患探測是比較復雜的，而且具有一定的困難，隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展與科技水平的不斷提高，電子手段探測法得到很好地的應用與推廣，實現(xiàn)了堤壩隱患的無損檢測。而且我國各類堤壩工程眾多，為了消除隱患，即時進行加固處理，必須要加強堤壩隱患定期探測，以便于及時發(fā)現(xiàn)隱患并進行整治，應用現(xiàn)代新技術和新思路，提高檢測的快速性、無損性、可靠性、經(jīng)濟性以及安全性，使得水利工程實現(xiàn)數(shù)字化管理。

[1]冷元寶，朱文仲，何劍，劉建明.我國堤壩隱患及滲漏探測技術現(xiàn)狀及展望[J].水利水電科技進展，2012（02）

[2]劉廣明，楊勁松，李冬順.基于電磁感應原理的堤壩隱患探測技術及其應用[J].巖土工程學報，2009（02）

[3]冷元寶，黃建通，張震夏，王銳，趙圣立.堤壩隱患探測技術研究進展[J].地球物理學進展，2012（03）

[4]葛雙成，章曉樺，劉超英，陳夷，蘇全.堤壩隱患物理探測方法及其應用[J].浙江水利科技，2009（05）

[5]張震夏.堤壩隱患檢測的方法與儀器[J].大壩與安全，2011（01）