電磁法堤壩探測方法技術綜述

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者的關注。本文從物探技術的電磁法方向入手，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用，論述了其相關理論方法研究及探測實例，并對四種方法進行了簡單對比。其中，由于電阻率法引入國內較早且發展較為成熟，所以率先被應用于堤壩隱患探測中去。探地雷達對壩身的充填物壓實度不高、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用前景。核磁共振作為一種可以直接找水的新方法，運用于堤壩隱患檢測中有一定的優勢。

關鍵詞：堤壩探測;電磁法;地球物理

由于近些年國內外屢次出現堤壩潰壩事件，對人民的生命財產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期自身堅固性不佳，再加上常年疏于管理導致堤壩內部出現了病患且并未被及時發現。這些堤壩隱患可能隨時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部的隱患。

我國的堤壩探測工作主要是從1960年開始的，當時水利部門已經提出將地球物理方法應用于堤壩探測方面的想法。1974年，山東省將直流電法應用于堤壩的安全評價工作。從20世紀80年代開始，我國加大了對堤壩探測相關研究項目的資助，同時地球物理領域在堤壩探測方面也有了快速發展。目前研究和應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用，本文進行了總結及分析，目的是梳理上述幾種方法的優缺點，促進物探在堤壩隱患探測領域的發展。

1 直流電法

目前主要應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電性差異為物質基礎的。[1]一般可以認為一座堤壩內部為均勻層狀的電性結構，當堤壩內部出現裂隙、管涌等并充水時，會導致與堤壩電阻率有明顯差異。通過建立穩定的人工電場，觀測和研究電流場的分布規律來尋找隱患所在位置。

我國早在20世紀70年代就將直流電阻率法應用于江河湖泊堤壩隱患探測工程之中。目前主要運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果，但是現實情況下堤壩環境并不能簡單地認為是半空間情況，因此2004年朱自強等采用將實測的視電阻率曲線逐點地比上相對應點純地形異常后，結果即為修正后的視電阻率曲線，并通過水槽模擬實驗驗證了修正后的視電阻率容易合理解釋測量結果。2005年，郭慶華將高密度電阻率技術運用于堤壩防滲墻的無損、快速檢測。運用GEOPEN的E60高密度電阻率測試系統完成了關于防滲墻埋深深度、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內經行檢測。2005年，杜華坤等運用有限元方法對堤壩滲漏通道進行三維數值模擬計算，分析得出當水位上升時，堤壩整體視電阻率會降低，但堤壩深部視電阻率較淺部變化幅值大;運用多個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內發射一次場后瞬間關斷，探測其介質內部的二次場的一種地球物理勘探方法。目前已經成功應用于煤礦采空區探查、資源勘查等工程領域中。[2]由于瞬變電磁法對低阻體靈敏、無損高效且操作簡單，逐漸被應用于堤壩隱患探測中。

早在1996年，張保祥等人已經通過對王營盤混凝土護坡質量及下伏土層隱患存在的部位進行了探測，通過實際工程證明了瞬變電磁法可以應用于堤壩隱患的中，并取得了不錯的效果，但是還需進一步深入研究。2012年，茹浩用全區視電阻率及“煙圈”反演法對堤壩物理模擬數據進行了處理，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，應該多布置測點減少體積效應。2018年趙煥碩及劉航均采用三維數值仿真技術，用有限差分方法來計算瞬變電磁的相應及場的分布。通過數值模擬計算來論證了瞬變電磁法可以對堤壩隱患進行探查。

3 探地雷達法

探地雷達主要利用較高頻的電磁波來探查介質的內部特征及內部介質分布的一種地球物理探測方法。[3]由于發射的電磁波頻率較高，探地雷達方法精度高，且施工效率也高。已成功應用于考古調查，工程質量檢測等領域。

1990年王惠濂等使用加南大的EKKO IV探地雷達系統，對黃河大壩壩身的隱患經行了探查。探地雷達查明了壩身內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行了探測，發現了水庫填土總體密實度不高、松散、填充不均勻且裂隙多，由于壩身長期滲漏，在部分區域已經形成了洞穴，對比不同時期的探測成果推測其滲漏破壞過程。2010年，魏永強等將探地雷達和高密度電阻率法聯合解釋運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，從理論及數值模擬方面論證了探地雷達可以運用于堤壩的隱患探測。2017年，徐洪苗等研究了探地雷達在土質堤壩隱患探查中的應用，取得了較好效果，同時也給出了探地雷達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拉莫爾頻率的交變電流，水中氫質子會產生能級躍遷，大量的氫質子躍遷到高能級上。[4]當撤去供電電流，這些高能級氫質子便逐漸回到低能級狀態，釋放出大量的具有拉莫爾頻率的能量子，在接收線圈中感應出核磁共振信號。

2004年潘玉玲等人將核磁共振方法應用于遼寧大連海濱地下擋水大壩勘查中，通過結果分析，發現一條斷裂帶，核磁共振方法可以用于堤壩地基選址及堤壩穩定性的監測工作。2012年，蔣川東等采用我國自主研發的JLMRS型核磁共振儀，對崔家街大壩進行探測，提出了水體對探測結果有影響并修正了它，從結果中發現了大壩存在3處滲漏點和兩個滲漏區，與實際情況相符。2019年，李宏恩等將核磁共振與高密度電法聯合解釋的方法運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，現在越來越多的學者們開始研究和應用多種方法聯合解釋，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法相結合的策略，高密度電法用于堤壩裂縫、洞穴、松軟層等土質不均勻隱患詳查，對深部缺陷較為敏感，探地雷達可探測與壩身填筑材料有明顯差異且一定規模的異常體，兩種方法結合提高了準確性。2017年，余金煌等在安徽省內對堤壩內部白蟻蟻巢進行了研究，在堤壩上探測蟻巢采用高密度和探地雷達相結合的方法，兩者均能反映出蟻穴異常區域，且結果一致性較好，但是探地雷達對探測環境要求較高，受地下水水位影響較大而高密度電法抗干擾能力較好，信號可靠性強。2019年，張明財等人通過實踐證明滲漏入口處偽隨機波電流信號會增大，偽隨機流場法可以檢測滲漏入口，而探地雷達和瞬變電磁法可以找出堤壩內部的滲漏通道。

6 結論與展望

目前，堤壩隱患無損、快速探測依然是一個值得我們深入研究的問題。就地球物理方法來說，應用最多且最為成熟的方法是直流電法已經成功的應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，導致探測結果不精確，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用前景。探地雷達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度不高、松散、裂隙有著較好的探測效果。但是探地雷達的探測深度有限，當隱患埋得較深時效果不佳。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相結合方法。本文對比分析了這些方法的特點及應用范圍，對于這些技術的進一步發展及應用有指導性意義。

為了解決當下及未來越來越復雜的堤壩隱患探測問題，需要提出新方法或者提高現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行聯合解釋或者聯合反演，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：

[1]李金銘.地電場與電法勘探[M].地質出版社，2005.

[2]李貅.瞬變電磁測深的理論與應用[M].陜西科學技術出版社，2002.

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

[4]林君，段清明，王應吉，等.核磁共振找水儀原理與應用[M].科學出版社，2011.