高密度電法在水利工程中的應用進展研究

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研究院，廣州 510635；2.河口水利技術國家地方聯合工程實驗室，廣州 510635；3.廣東省山洪災害突發事件應急技術研究中心，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的電性結構。HDEM技術具有高精度、非侵入式、多參數探測等優勢，在地質勘探、礦產勘探、環境調查、水利工程等領域得到了廣泛應用[1-5]。

高密度電法的研究起源于20世紀60年代末期，當時主要應用于地質勘探和礦產勘探領域。隨著電子技術和計算機技術的發展，HDEM技術的測量、數據處理和成像方法不斷得到改進和完善[6-9]。近年來，隨著水利工程建設的不斷推進和技術手段的持續提升，高密度電法已經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、岸坡穩定性評估、土石壩監測等方面。隨著技術的不斷進步，高密度電法的應用領域還將不斷擴大，對于加強水利工程日常運行管理和安全監測具有重要的意義。

2 高密度電法在水利工程中的應用情況

高密度電法原理是利用不同地下介質電性結構差異，通過地下介質視電阻率來反映地下介質空間分布情況，常見的地下介質視電阻率統計見表1所示。

表1 常見地下介質視電阻率[10-26]

目前，高密度電法在水利工程勘探和監測中，主要應用于以下幾個方面。

1)地下水資源勘探

隨著城市化進程的加速和人口增長，地下水資源已經成為城市和農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極化法進行潛層地下水的探測，對這些方法的實測數據進行反演，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蒙古西部地區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，并通過地質鉆孔進行了驗證，鉆探結果與探測結果互相印證，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獲取地下介質的電性結構信息，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(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，富水區視電阻率15～40 Ω·m[11]

2)水利工程穩定性評估

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]通過數值模擬論證高密度電法在堤防穩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，從而判斷土體的穩定性和破壞狀態，為工程的安全運行提供依據。譚彩等[15]使用高密度電法和地質雷達法對堤段穩定性進行探測評價，通過對比分析電阻率數據變化，查明堤段隱患部位，為堤防穩定性評估提供數據支撐。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，為大壩穩定評估提供依據(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果

b 壩體中部集中滲漏通道探測結果圖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測。林悅奇、楊文濱等[17-18]總結了常見隱患對應的視電阻率參考值，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測中應用的可行性。劉曉等[19]通過建立兩組典型的堤壩滲漏地電模型，結合正演模擬分析其響應特征，將視電阻率擬斷面圖和反演結果結合分析，可以排除一些假異常干擾，提高對目標體的識別。在對某大壩的滲流異常監測中，結合實測資料擬斷面圖和反演結果，通過對低阻異常體的連續追蹤，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測土石壩周圍地下介質的電性結構變化，判斷土石壩是否出現滲漏或破壞，為土石壩的安全運行提供依據[20]。孫衛民等[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測，時移探測技術突破了原有的一次性檢測理念，將探測目標從單一的研究地質缺陷轉換到對隱患的全生命周期的動態監測，實現了堤防隱患探測方法的精細化，是堤防隱患探測技術的創新(見圖5)。

圖5 長江干堤時移高密度電法探測結果示意[21]

3 高密度電法在水利工程中的優勢與局限

3.1 高密度電法探測的優勢

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，可以實現非侵入性勘測，與傳統鉆探探測相比，避免對水利工程的有損破壞。

2)高效靈活。高密度電法可適應不同的勘測環境和勘測目的，可在不同的介質、深度和范圍內進行勘測，具有較高的靈活性；且探測速度快，可在短時間內獲取大量的數據，從而實現對地下介質的全面勘測和分析。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，當天即可完成數據分析處理。

3)可重復，時移對比分析。高密度電法的勘測數據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，具有較高的可重復性和可對比性。通過對多次測量數據的比對和分析，可以更加準確地判斷地下介質的電性結構變化。

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

3.2 高密度電法探測的局限性

1) 數據解釋復雜(多解性)。高密度電法獲取的數據比較復雜，需要對數據進行綜合解釋，包括數據處理、模型反演、地質解釋等，需要專業的技術人員進行處理和分析。當水庫大壩處于正常蓄水位時，探測到低阻異常的區域通常是滲流隱患所在部位；當水庫處于低水位或死水時，滲流隱患部分由于壩體內部浸潤線下降，土體孔隙水消散，此時滲流隱患部位表現為孤立高阻異常。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。因此數據的多解性需要技術人員結合工程特點進行解讀分析。

2) 地質條件多樣。水利工程的地質條件多樣，地下介質的電性參數也會受到多種因素的影響，如土壤濕度、鹽度等，這些因素可能導致勘測數據的誤差和偏差，需要對勘測數據處理和結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) 儀器設備要求高。高密度電法的儀器設備需要高精度、高穩定性，同時還需要有較強的適應性，能夠在不同的勘測環境中進行工作，這對設備的研發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，導致電阻率偏高使數據失真，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致該處電阻率或者松動脫落會導致該處電壓為零導致測點數據丟失，可重接電極后重新施測或人工剔除異常電阻值進行數據修正；三是高密度電法野外作業環境較差，受溫度、雨水及灰塵等影響，施測電壓不穩會導致測線結果失真，嚴重影響結果準確性，對高密度電法的主機設備及電源的穩定性提出了更高的要求。

因此，需要在技術和方法上不斷進行創新和改進，以實現更加精準、高效的勘測結果。

4 高密度電法技術應用及發展趨勢

隨著技術的不斷發展和應用的深入，高密度電法在水利工程中的技術發展趨勢包括以下幾個方面。

1)多物理場聯合勘測

隨著多物理場聯合勘測的發展，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果，可以提高地下介質模型的精度和可靠性，為水利工程的設計和施工提供更加準確的地質數據。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急處置提供技術支撐(見圖6)。

圖6 高密度電法多測線堤壩滲流隱患探測結果示意[22]

2)精細化勘測設計

在勘測設計方面，高密度電法將會更加注重勘測網格的密度和布局，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，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近地表地層結構分析，查明了勘測研究區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果示意[13]

3)多尺度反演技術

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

a 原始數據反演結果

b 剔除高阻值異常數據，增大阻尼系數和圓弧系數的方法進行反演圖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等人工智能技術的不斷發展，高密度電法將會運用機器學習、深度學習等技術，對大規模、復雜的勘測數據進行分析和解釋，提高勘測數據的自動化處理能力和精度。此外，人工智能還將會應用于地下介質模型的預測和優化，為水利工程的設計和施工提供更加可靠的地質信息。

5)三維反演成像技術應用

三維反演算法是指通過對三維電場數據進行反演計算，得到地下介質的三維電學參數分布。目前常用的三維反演算法包括基于全空間反演、區域反演、約束反演等方法[30-31]。這些方法均是基于高密度電法數據的特點和地下介質的物理特性來設計的。在高密度電法三維成像中，需要將三維反演結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，以及與地質數據的對比和分析，從而更好地理解地下介質的特征和結構。黃啟帆等人[20]采用高密度電法獲取尾礦庫中深部信息，繪制反演數據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應用案例[25，29]

5 結論與展望

高密度電法是一種新興的現代地球物理勘測技術，能夠通過在地表布置大量電極，采集大量電場數據，建立三維電學模型，無損、高效、精確地探測地下介質的特征和結構。在水利工程中，高密度電法具有廣泛的應用前景和優勢，在實際應用中也面臨一些挑戰和問題，如數據處理和反演解析、設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研發，高密度電法探測技術在水利工程中的應用有以下三大發展方向。

1)技術不斷升級。基于人工智能和機器學習的數據處理和解釋技術的不斷發展，海量的探測數據將更容易進行識讀和處理，地下目標的識別和定位也將更快速準確。

2)應用范圍擴大。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用前景，將成為一種不可或缺的技術手段。

3)多物理場聯合勘測。高密度電法與其他地球物理勘測技術相結合和綜合應用，能夠獲得更加全面、精細的地下介質信息，從定性探測轉向定量探測。

未來高密度電法在水利工程中將具有廣闊的發展前景和應用前景。通過不斷升級和改進技術手段，高密度電法將成為一種重要的水利工程勘測技術，為水利工程的建設和管理提供更加科學、準確的數據支撐。