高密度電法探測堤防隱患研究

宋朝陽 王銳 李長征

摘 要：為掌握堤防安全狀況，保障堤防安全運行，采用高密度電法對堤防進行隱患探測。電法探測通常建立在半無限空間理論基礎上，而堤防斷面并不滿足半無限空間這個條件。為降低堤防地形條件對電法探測結果的影響，提高高密度電法探測分辨率，從電法裝置選擇和電極距選取的角度出發，通過建立梯形堤防斷面進行數值模擬，對比不同電法裝置和電極距的數值模擬結果，并通過模型試驗進行了驗證。結果表明：在梯形堤防隱患探測中宜選用施倫伯格裝置;為保證電法探測分辨率，電極距不宜大于1.0 m。

關鍵詞：堤防隱患;高密度電法;梯形堤防斷面

中圖分類號：TV82 ? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.07.023

Abstract：The application of resistivity tomography to detection for hidden dangers of embankment can grasp the safety status of embankment and ensure their safe operation. Electrical detection is usually based on the theory of semi-infinite space， but the section of embankment does not satisfy the condition of semi-infinite space. In order to reduce the impact of embankment terrain to the electrical method and improve the detecting precision of resistivity tomography， the paper established a trapezoidal embankment. Through changing the arrays and the distance of electrodes， the paper established a numerical simulation and model test. It is better to choose Schlumberger array in the detection of the hidden dangers. Electrode distance should not be more than 1.0 m to ensure the the detection resolution.

Key words： hidden dangers of embankment; resistivity tomography; trapezoidal embankment section

堤防是修建在江、河、湖、海岸邊的擋水建筑物。高效、精確、無損探測堤防可能存在的隱患，是保障堤防安全運行和及時了解堤防安全狀況的有效途徑。堤防隱患常以裂縫、孔洞等形式存在，進而造成堤身不均勻沉降和滲水等現象，危及堤防安全及周邊居民的人身財產安全。堤防裂縫、孔洞常被水或者空氣填充，而水、空氣與堤身填筑料的物性差異為高密度電法、紅外線溫度測量法、流場法、探地雷達法、自然電場法、地震法、示蹤法、瞬變電磁法等物探方法進行隱患探測提供了條件[1-6]。

高密度電法集電測深和電剖面于一身，通過陣列電極實現對探測區域的供電和電壓采集，最終經過反演實現圖像重建[7-11]。電法探測通常基于半無限空間理論[12-13]，而實際工程中堤防橫斷面并非半無限空間。為降低堤防地形條件對高密度電法探測結果的影響，提高高密度電法對堤防隱患的分辨率，筆者以梯形堤防斷面為例建立模型，進行數值計算，通過選取不同的電法裝置和電極距對計算結果進行分析，并通過模型試驗進行驗證。

1 基本原理

2 數值模擬

2.1 建 模

為模擬堤防地形條件對高密度電法探測結果的影響，此次建立的堤防計算模型橫斷面為等腰梯形，模型長40 m、高5 m，頂面寬5 m，底面寬35 m，斜邊坡比1∶3。以堤頂矩形表面中心為原點、平行堤身軸向方向為X軸、垂直堤頂方向為Z軸建立直角坐標系。在距堤頂2 m處增加一管狀異常體，模擬穿堤孔洞，其半徑為0.5 m。背景電阻率設為100 Ω·m，異常體電阻率分別設為10、10 000 Ω·m，用來模擬空氣孔洞和含水孔洞。

2.2 裝置選擇與電極布設

選用不同的測量裝置和電極距進行數值模擬，陣列電極布設于X軸，位于孔洞正上方，測量裝置分別選擇三級、偶極、施倫伯格和溫納，電極距分別選擇0.5、1.0、1.5、2.0 m，電極位置見表1。

2.3 數值模擬結果處理與分析

根據式（2）計算堤防電阻率，利用RES2DINV軟件對視電阻率進行反演。

含水孔洞溫納裝置和施倫伯格裝置的反演結果見圖1、圖2。

從圖1（a）～（d）可以看出，對于含水孔洞，當電極距為0.5、1.0 m時溫納裝置能準確探測出異常的位置，但當電極距大于1.0 m時，對異常探測分辨率不夠。從圖2（a）～（d）可以看出，對于含水孔洞，當電極距為0.5、1.0、1.5、2.0 m時施倫伯格裝置分辨率較高，均能準確探測出異常的位置。對比溫納裝置和施倫伯格裝置對含水孔洞的探測結果可知，電極距對溫納裝置探測分辨率影響較大。

空氣孔洞溫納裝置和施倫伯格裝置的反演結果見圖3、圖4。

從圖3（a）～（d）可以看出，對于空氣孔洞，當電極距為0.5、1.0、1.5、2.0 m時，溫納裝置反演結果中存在假高阻異常，對于異常幅度較弱的空氣孔洞，真正的異常被一定程度掩蓋，反演誤差較大。從圖4（a）～（d）可以看出，對于空氣孔洞，當電極距為0.5、1.0 m時，施倫伯格裝置對于異常幅度較弱的空氣孔洞的反演結果受假高阻異常影響;當電極距為1.5、2.0 m時，對于異常幅度較弱的空氣孔洞，真正的異常被一定程度掩蓋，反演誤差較大。對比溫納裝置和施倫伯格裝置對空氣孔洞的探測結果，施倫伯格裝置在電極距較小時可以探測出異常的位置。

從數值模擬結果可以看出，受梯形堤防地形條件的影響，數值模擬成果圖中下部視電阻率偏高，易造成對隱患的誤判。對于含水孔洞，反演結果中下部存在假高阻異常。對于空氣孔洞，真正的異常被一定程度掩蓋，反演結果與實際情況相差較大。對于溫納裝置，要保證半徑0.5 m左右的含水孔洞體的探測精度，電極距應不大于1.0 m。

3 模型試驗

3.1 模型參數

為驗證數值模擬的準確性，選用堤身填筑土料常用的粉質壤土和粉質黏土設計梯形堤防模型。梯形堤防模型的長、高分別為5、1 m，頂部和底部寬度分別為0.5、2.5 m。不同大小的隱患用不同直徑的PVC管來模擬，模型試驗隱患參數見表2。

3.2 試驗裝置與設備

采用偶極裝置、溫納裝置和施倫伯格裝置分別對梯形堤防模型進行測試。在堤頂隱患正上方布設測線，每條測線均采用40根電極、0.05 m電極距。電極為實心銅導線，橫截面為0.25 mm2。采用美國AGI高密度電法儀對隱患模型進行探測，其主要技術指標見表3。

3.3 模型試驗結果處理與分析

溫納裝置、偶極裝置和施倫伯格裝置對空氣孔洞模型探測的反演結果見圖5～圖7。

從圖5可以看出，空氣孔洞直徑為30 mm時，溫納裝置模型反演結果中存在假高阻異常現象，影響了對真異常的判斷。從圖6可以看出，空氣孔洞直徑為70 mm時，偶極裝置模型反演結果中存在多處假高阻異常，影響了對真異常的判斷。從圖7（a）～（d）可以看出，空氣孔洞直徑為30、45、70 mm時，施倫伯格裝置對不同直徑的空氣孔洞均有較好的探測效果。

從模型試驗探測結果可以看出，溫納、施倫伯格、偶極三種裝置對所設置的空氣孔洞都有探測效果，在孔洞直徑相對較小時，溫納裝置的分辨率較差;孔洞直徑相對較大時，偶極裝置的分辨率較差。而孔洞的尺寸對施倫伯格裝置探測效果影響較小，即施倫伯格對孔洞的探測分辨率較高。

4 結 論

通過對存在隱患的梯形堤防模型進行模型試驗和數值模擬分析，得出如下結論：

（1）從數值模擬結果看，受梯形堤防地形條件影響，視電阻率呈現下部偏高的現象。對于含水孔洞，溫納裝置和施倫伯格裝置都能較好地探測出異常的位置，但溫納裝置電極距不宜大于1.0 m。對于空氣孔洞，溫納裝置和施倫伯格裝置反演結果中均存在假高阻，造成對真異常位置的誤判，但電極距為0.5、1.0 m時，施倫伯格裝置對高阻異常體有一定的反映。

（2）從模型試驗結果看，溫納裝置對直徑相對較小的空氣孔洞探測分辨率較低，偶極裝置對直徑相對較大的空氣孔洞探測分辨率較低，而施倫伯格裝置對孔洞的探測分辨率不受隱患尺寸的影響。

（3）綜合數值模擬和模型試驗結果，在進行堤防隱患探測時選取施倫伯格裝置能夠保證隱患探測的分辨率，在進行電極布設時電極距不宜大于1.0 m。

參考文獻：

[1] 毛昶熙，段祥寶，李思慎，等.堤防工程手冊[M].北京：中國水利水電出版社，2009：10-12.

[2] 汪自力，周楊，張清明，等.堤防工程安全評價導則[M].北京：中國水利水電出版社，2015：8.

[3] 杜華坤，喻振華，湯井田.高密度電阻率法用于堤防滲流監測的數值模擬研究[J].物探裝備，2005，15（4）：229-231.

[4] 周楊，李新，冷元寶，等.黃河堤防隱患探測技術研發及展望[J].人民黃河，2009，31（4）：27-28.

[5] 馬海濤，吳永鋒，王云海，等.尾礦壩浸潤線的壩面快速觀測方法研究[J].中國安全生產科學技術，2010，6（1）：31-34.

[6] 冷元寶，黃建通，張震夏，等.堤防隱患探測技術研究進展[J].地球物理學進展，2003，18（3）：370-379.

[7] 孫衛民，孫大利，李文忠，等.基于時移高密度電法的堤防隱患探測技術[J].長江科學院院報，2019，36（10）：157-160，184.

[8] 譚彩，潘展釗，袁明道，等.綜合物探技術在堤防滲漏搶險探測中的應用[J].水資源與水工程學報，2019，30（5）：184-188.

[9] 李文忠，孫衛民，周華敏.堤防隱患時移高密度電法探測技術研究[J].人民長江，2019，50（9）：113-117，174.

[10] 郝燕潔，張建強，郭成超.堤防工程險情探測與識別技術研究現狀[J].長江科學院院報，2019，36（10）：73-78.

[11] 賈海磊，李軍，張敏.高密度電法在堤防滲漏搶險探測中的應用[J].水利水電技術，2018，49（10）：165-172.

[12] 朱博然.高密度電法探測堤防隱患技術試驗研究[D].邯鄲：河北工程大學，2018：9-10.

[13] 李金銘.地電場與電法勘探[M].北京：地質出版社，2005：61-62.

[14] 何曉輝.基于高密度電法的地方隱患探測技術實驗研究[D].鄭州：鄭州大學，2012：11-12.

【責任編輯 張華巖】