電磁法堤壩探測方法技術(shù)綜述

摘 要：近些年對于堤壩隱患的無損、快速探查得到了越來越多學(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中的研究及應(yīng)用，論述了其相關(guān)理論方法研究及探測實(shí)例，并對四種方法進(jìn)行了簡單對比。其中，由于電阻率法引入國內(nèi)較早且發(fā)展較為成熟，所以率先被應(yīng)用于堤壩隱患探測中去。探地雷達(dá)對壩身的充填物壓實(shí)度不高、松散、裂隙有著較好的探測效果。瞬變電磁法擁有施工簡單，對低阻體敏感的特性，在堤壩隱患探測方面有很大的應(yīng)用前景。核磁共振作為一種可以直接找水的新方法，運(yùn)用于堤壩隱患檢測中有一定的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：堤壩探測;電磁法;地球物理

由于近些年國內(nèi)外屢次出現(xiàn)堤壩潰壩事件，對人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了重大損失。通常來說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方法對堤壩隱患進(jìn)行探查。物探作為一種快速、有效的探測方法，可以有效地探測堤壩內(nèi)部的隱患。

我國的堤壩探測工作主要是從1960年開始的，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)用于堤壩的安全評價(jià)工作。從20世紀(jì)80年代開始，我國加大了對堤壩探測相關(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的勘探方法。主要是以堤壩自身與被探測隱患之間的導(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。通過建立穩(wěn)定的人工電場，觀測和研究電流場的分布規(guī)律來尋找隱患所在位置。

我國早在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，李長海主要采用中間梯度法對東平湖水庫圍壩進(jìn)行了裂隙隱患探查，采用電測深剖面法對堤壩壓力灌漿效果經(jīng)行檢測，分析得出直流電阻率法可以探測出堤壩中的裂隙、洞穴、松散土層等壩身隱患。由于以前總是用半空間理論來解釋電阻率法的測量結(jié)果，但是現(xiàn)實(shí)情況下堤壩環(huán)境并不能簡單地認(rèn)為是半空間情況，因此2004年朱自強(qiáng)等采用將實(shí)測的視電阻率曲線逐點(diǎn)地比上相對應(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損、快速檢測。運(yùn)用GEOPEN的E60高密度電阻率測試系統(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缺陷位置反映較為準(zhǔn)確，但是對缺陷范圍反映不佳，其中DP-P裝置探測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。2005年，杜華坤等運(yùn)用有限元方法對堤壩滲漏通道進(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

瞬變電磁法是通過向介質(zhì)內(nèi)發(fā)射一次場后瞬間關(guān)斷，探測其介質(zhì)內(nèi)部的二次場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]由于瞬變電磁法對低阻體靈敏、無損高效且操作簡單，逐漸被應(yīng)用于堤壩隱患探測中。

早在1996年，張保祥等人已經(jīng)通過對王營盤混凝土護(hù)坡質(zhì)量及下伏土層隱患存在的部位進(jìn)行了探測，通過實(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橫向精度較高，但是垂向存在一定偏差，應(yīng)該多布置測點(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)，用有限差分方法來計(jì)算瞬變電磁的相應(yīng)及場的分布。通過數(shù)值模擬計(jì)算來論證了瞬變電磁法可以對堤壩隱患進(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題，探測出直徑1m的引水閘洞，但是50cm以下的小洞探測效果不佳并給出了探測深度為20m。2005年，何開勝等對震后的李橋水庫經(jīng)行了探測，發(fā)現(xiàn)了水庫填土總體密實(shí)度不高、松散、填充不均勻且裂隙多，由于壩身長期滲漏，在部分區(qū)域已經(jīng)形成了洞穴，對比不同時(shí)期的探測成果推測其滲漏破壞過程。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，綜合分析后得到了拋石層的厚度，取得了較好的探測效果。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。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^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)測工作。2012年，蔣川東等采用我國自主研發(fā)的JLMRS型核磁共振儀，對崔家街大壩進(jìn)行探測，提出了水體對探測結(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題，現(xiàn)在越來越多的學(xué)者們開始研究和應(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提高探查的準(zhǔn)確度。

2008年，鞠海燕對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，對深部缺陷較為敏感，探地雷達(dá)可探測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)對堤壩內(nèi)部白蟻蟻巢進(jìn)行了研究，在堤壩上探測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)對探測環(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^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)流場法可以檢測滲漏入口，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，堤壩隱患無損、快速探測依然是一個(gè)值得我們深入研究的問題。就地球物理方法來說，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及壩身檢測，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損、快速地探測低阻異常體，但是由于易受干擾，導(dǎo)致探測結(jié)果不精確，目前瞬變電磁在堤壩探測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方法，較直流電法及瞬變電磁法有著較好的分辨率，對壩身的充填物壓實(shí)度不高、松散、裂隙有著較好的探測效果。但是探地雷達(dá)的探測深度有限，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方法，相對于其他三種方法，核磁共振法可以直接探測出堤壩中的滲漏水體。就目前的綜合物探方法來說，普遍采用的是高密度電法和探地雷達(dá)相結(jié)合方法。本文對比分析了這些方法的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍，對于這些技術(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)下及未來越來越復(fù)雜的堤壩隱患探測問題，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)：

[1]李金銘.地電場與電法勘探[M].地質(zhì)出版社，2005.

[2]李貅.瞬變電磁測深的理論與應(yīng)用[M].陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2002.

[3]孟美麗.堤壩隱患探測中的探地雷達(dá)技術(shù)[J].山西建筑，2010，36（32）：363-364.

[4]林君，段清明，王應(yīng)吉，等.核磁共振找水儀原理與應(yīng)用[M].科學(xué)出版社，2011.