水利工程地球物理探測技術發展與展望

尹劍 徐磊 陳爽爽 汪思源 王少博 林永燊

摘要： 目前，地球物理探測技術已被廣泛應用于水利工程建設的全生命周期，在水利工程質量控制中發揮著缺陷判斷、質量驗收與警示威懾作用。在參考國內外相關研究與應用資料的基礎上，結合地球物理探測技術在水利工程中的應用情況，分析了水利工程地球物理探測技術的發展現狀，并重點介紹了幾種常用的物探檢測技術，包括混凝土質量高精度檢測技術、堆石體密實度檢測技術、數字鉆孔技術、高分辨率層析成像CT技術、庫壩滲漏精細探測技術、堤防隱患檢測技術、隧洞超前地質預報技術和綜合管網探測技術。研究認為未來地球物理探測技術將會不斷進步與完善，向“更全、更快、更準”的方向發展。

關鍵詞： 物探技術; 工程勘察; 工程質量檢測; 工程健康診斷; 水利工程

中圖法分類號：P631 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.02.006

文章編號：1006 - 0081（2022）02 - 0032 - 08

0 引 言

隨著水利行業的飛速發展和科學技術的日新月異，水利工程地球物理探測技術也得到了快速發展。從20世紀中葉的單一手段，發展到現在門類齊全、儀器精良的綜合手段，具有科技含量高、工作效率高、探測精度高、勘察費用低等優勢，可以服務于水利工程從前期勘察到施工期檢測以及運營期健康診斷的全生命周期，在水利工程的安全建設與質量控制環節中發揮著至關重要的作用。

中國水利工程地球物理探測起始于20世紀50年代，由原燃料工業部水力發電總局北京勘測設計院組建了第一支水利工程物探電法隊伍。早期水利工程物探多采用直流電阻率法勘探，用以解決勘察期的工程地質和水文地質問題，勘探精度相對較低。80年代，隨著彈性波理論的發展，地震類勘探方法，如地震反射波法、地震折射波法、地震波層析成像技術等得到了廣泛應用，顯著提高了勘探精度。90年代，水利工程物探技術的應用由勘察期逐漸進入到施工期，1998年，由長江水利委員會地球物理勘測研究院提交的《長江三峽水利樞紐一期主體工程建基面彈性波檢測工程》正式通過專家評審驗收，載入了三峽工程建設史冊，標志著工程物探檢測技術在水利工程中的正式大規模成功應用。21世紀以來，物探技術又逐漸被應用到水利工程運行期，通過采用時移電阻率法、時移地震反射波法等探測技術，進行工程運行狀態監測等[1-2]。

本文從地震勘探、電法勘探、電磁法勘探、層析成像CT技術、綜合測井技術等幾個大類，介紹了水利工程地球物理探測技術發展現狀與應用情況;介紹了物探技術在水利工程質量檢測中的應用現狀，并重點介紹了幾項新技術新方法;結合目前的發展現狀與關鍵問題，對水利工程地球物理探測技術發展趨勢進行了展望。

1 水利工程地球物理探測技術發展現狀

工程物探技術根據技術原理與工作模式，可以分為：地震勘探、電法勘探、電磁法勘探、層析成像CT技術以及綜合測井技術等。每種技術大類都可以獲取巖體、工程結構物的某些物性參數，從而實現地層結構、不良地質構造、工程巖體問題的探測。本節簡要介紹各類工程物探技術的技術原理與發展現狀。

1.1 地震勘探技術發展現狀

地震勘探技術主要基于巖石等介質的彈性差異，根據地震波場理論，地震波在地下介質中傳播時會遇到由于介質彈性差異形成的彈性界面，從而產生反射波、折射波、透射波和面波等，根據接收到的地震波的旅行時間、振幅、頻率及地層速度等信息，研究地下介質的彈性分布情況，實現地質構造的識別與定位。

地震勘探相對于電法勘探發展時間較晚，雖然地震波場理論可以追溯到1660年發表的胡克定律，但是其正式應用與發展起始時間為1913年，Fessenden利用水中聲波探測冰山。中國的第一支地震勘探隊成立于1951年;隨著技術的發展，地震勘探的記錄道數不斷增加，從1937年地震反射法的6～8道，發展到目前三維地震勘探的成千上萬道;地震檢波器從早期的電感檢波器發展到現在的壓電檢波器、數字檢波器等;地震震源也從常規的炸藥震源、重錘震源發展到目前常用的可控震源、電火花震源以及水中的空氣槍震源等，種類豐富多樣，滿足不同的探測需求[3]。

在水利工程中，地震勘探技術主要應用于覆蓋層探測、隱伏構造破碎帶探測、軟弱夾層探測、滑坡體探測、巖溶探測、庫壩滲漏探測、防滲帷幕線探測、堤防隱患探測、水庫淤積探測以及隧洞超前地質預報等方面[4-5]。圖1為安哥拉卡卡電站采用的地震折射波法探測壩址區域地層結構。

1.2 電法勘探技術發展現狀

電法勘探技術主要基于巖石等介質的電性差異，物性參數主要包括導電性、介電性、導磁性、激發極化性、自然極化性、壓電性和震電性等，通過觀測天然存在或人工建立的電場分布，研究地下介質的電性分布情況，從而實現地質構造的識別與定位。

電法勘探發展始于19世紀末，國外地球物理學者提出了電阻率法，并逐漸發展成熟。1920年，法國學者施倫貝爾熱發現了激電效應，并由加拿大、前蘇聯等國學者開展深入研究形成了激發極化法。中國的電法勘探工作始于20世紀40年代初，利用電法勘探在金屬礦區開展了相關試驗工作。近年來，中國自主研發的電法勘探設備越來越多，包括直流電法儀、高密度電阻率儀、直流激電儀以及交流激電儀等，儀器設備的性能越來越高，已達到國際領先水平[6]。

在水利工程中，電法勘探技術主要應用于覆蓋層探測、隱伏構造破碎帶探測、滑坡體探測、巖溶探測、庫壩滲漏探測、地下水探測、防滲帷幕線探測、堤防隱患探測、水庫淤積探測以及隧洞超前地質預報等方面。圖2為采用高密度電法探測山體坡積物。

1.3 電磁法勘探技術發展現狀

電磁法勘探技術屬于電法勘探的分支，根據發射場性質的不同，可以分為時間域電磁法和頻率域電磁法，主要基于巖石等介質的導電性、導磁性和介電性的差異，根據電磁感應原理，通過觀測電磁場的空間與時間分布規律，研究地下介質的電磁響應特征，從而實現地質構造的識別與定位。

電磁法勘探發展于20世紀初，1925年國外學者利用電磁剖面法探測金屬礦。20世紀50年代，前蘇聯和法國學者建立了大地電磁測深法，用于探測地球深部的電性分布特征。1949年以來，中國的電磁法勘探得以發展，初期研究與發展了小功率瞬變電磁場法、地下電磁波法、大地電磁測深法等。目前，瞬變電磁法、音頻大地電磁測深法、可控源音頻大地電磁測深法、探地雷達法以及電磁感應法等大量新技術廣泛應用于工程勘察與檢測中[7]。

在水利工程中，電磁法勘探技術主要應用于覆蓋層探測、隱伏構造破碎帶探測、滑坡體探測、巖溶探測、庫壩滲漏探測、地下水探測、防滲帷幕線探測、堤防隱患探測以及隧洞超前地質預報等方面。圖3為云南省滇中引水工程大地電磁測深法探測引水線路隱伏構造及斷裂帶。

1.4 層析成像CT技術發展現狀

層析成像技術是借鑒醫學CT，以波的透射原理為基礎，根據射線掃描，對所得到的信息進行反演計算，重建被測范圍內巖體彈性、電性分布規律的圖像，從而實現推斷目標地質體結構和形狀的地球物理手段。根據所使用的地球物理場的不同，層析成像又分為彈性波層析成像、電磁波層析成像、電阻率層析成像等。

19世紀初期，數學家 Radon 提出了Radon變換，奠定了層析成像的數學理論基礎。20世紀50年代，前蘇聯科學家首先對波場幅值及相位的理論進行較為系統的研究及應用，打下了井間CT應用的基礎。80年代，G.McMachan首次提出了井間層析成像的概念，隨后該方法在美國得到了迅速發展，方法原理越來越完善。90年代初，中國以吳律為代表的研究人員首先引進了井間層析成像理論與技術，開展了射線理論和波動理論反演研究工作[8]。

在水利工程中，層析成像技術主要應用于覆蓋層探測、庫壩滲漏探測、巖溶探測、庫壩滲漏探測、堤防隱患探測以及防滲帷幕線探測等方面。圖4為烏東德水電站采用地震CT技術探測大型巖溶。

1.5 綜合測井技術發展現狀

綜合地球物理測井技術涵蓋了大部分地面地球物理技術方法，以地下空間不同巖石的各種地球物理物性差異為基礎，通過對應的地球物理方法，連續觀測、測量相應地球物理物性參數的變化規律，從而實現地質構造的識別與定位。

現代意義的地球物理測井技術始于1927年，法國學者利用電阻率測井進行地層巖性對比;1942年G.E.Archie提出了阿爾奇公式，定量表述了純地層條件下的電阻率、孔隙度和含水飽和度之間的關系，并應用于儲層評價。20世紀60年代末，綜合測井技術的采集方式逐步由模擬方式向數字方式過渡。90年代，測井技術逐漸朝成像測井方向發展。目前，綜合測井技術種類繁多，主要包括：① 電法類，如視電阻率測井以及感應測井等;② 電化學性類，如自然電位測井等;③ 彈性波類，如聲波以及地震測井等;④ 核測井類，如自然伽馬測井以及中子測井等;⑤ 成像類，如鉆孔全景數字成像、微電阻率成像測井以及核磁共振成像測井等;⑥ 其他類，如井徑測井、井溫測井以及井斜測井等[9]。

在水利工程中，綜合測井技術主要應用于覆蓋層探測、隱伏構造破碎帶探測、滑坡體探測、巖溶探測、堤防隱患探測、地下水水位監測、地下水污染監測、水庫壩基巖石力學參數測定及評價以及水利工程質量檢測等方面。圖5為烏東德水電站采用的鉆孔聲波、全景數字成像綜合測井。

2 物探技術在水利工程質量檢測中的應用

隨著三峽工程等水利工程的建設，水利工程地球物理探測技術逐漸由地質勘察向工程質量檢測方向發展，在水利工程質量控制環節中發揮著至關重要的作用。通過物探檢測“透視眼”技術，能夠精準查明工程內部情況，找出質量缺陷、消除安全隱患、保障工程質量，發揮著缺陷判斷、質量驗收與預警警示作用。目前，水利工程地球物理探測技術在質量檢測中應用廣泛，本節將著重介紹幾項物探質量檢測關鍵技術。

2.1 混凝土質量高精度檢測技術

水利工程中涉及的混凝土結構眾多，包括地下廠房、輸水隧洞、渡槽、倒虹吸、箱涵、閘室、混凝土面板等，混凝土施工質量直接關系到水利工程的整體施工質量，一旦混凝土存在結構缺陷，包括裂縫、脫空、不密實、強度不足、鋼筋分布不符合設計要求、保護層厚度不足等，將嚴重威脅水利工程的運行安全。目前，常用的混凝土質量檢測技術包括探地雷達法、脈沖回波法、聲波法以及超聲橫波反射成像技術等。

超聲橫波反射成像技術是一項近年來新發展的混凝土質量高精度檢測技術，具有干耦合、陣列發射、超聲橫波反射、合成孔徑聚焦成像四大特點，能夠用于混凝土質量檢測，精度可達毫米級[10]。圖6為南水北調工程采用超聲橫波反射成像技術檢測隧洞襯砌混凝土脫空示意。

2.2 堆石體密實度檢測技術

傳統土石壩堆石體密實度檢測一般采用坑測法，需要人工進行挖坑，檢測效率低，且采樣具有隨機性，不能反映整個土石壩的堆石體密實度分布情況。目前常用的堆石體密實度檢測技術包括：附加質量法、核子水分-密度法等。

附加質量法相對于傳統坑測法，具有檢測效率高、無損檢測、成本低等特點，能夠及時反饋堆石體質量缺陷，從而實時控制施工填筑質量[11-12]。圖7為四川省兩河口水電站采用附加質量法檢測土石壩三維堆石體密實度示意。

2.3 數字鉆孔技術

在水利工程勘察與檢測過程中，需要進行大量的地質鉆孔或混凝土取芯，但是由于實物巖心存在取樣、運輸、存儲以及管理等方面的不便，數字鉆孔技術顯得尤為重要。

數字鉆孔技術利用鉆孔高清錄像、聲波等技術獲取鉆孔巖體信息，利用孔壁圖像與實物巖芯的耦合原理，形成數字巖芯代替實物巖芯，能夠有效解決上述問題，成果形象、直觀[13]。圖8為烏東德水電站采用數字巖芯技術獲取鉆孔巖芯三維體示意。

2.4 高分辨率層析成像CT技術

水利工程中利用地表和單鉆孔中的物探勘察技術只能對工程質量問題進行較粗略的識別與定位，特別是針對巖溶等復雜地質問題，往往需要在初步的物探成果上，在異常區附近施作多個鉆孔，利用高分辨率層析成像CT技術了解鉆孔之間的地質問題。

高分辨率層析成像CT技術利用高靈敏度的物探檢測設備以及優良的成像算法，可實現對工程質量缺陷、巖溶等地質構造的精確定位[14]。圖9為武漢市地鐵工程采用高分辨率電磁波CT技術精確定位地下溶洞示意。

2.5 庫壩滲漏精細探測技術

目前，中國已建成的各類水庫、大壩近10萬座，但隨著水庫、大壩的長年運營，一些水庫出現滲漏等安全隱患。庫壩滲漏精細探測技術在庫壩安全運營過程中起著至關重要的作用[15]。

磁電阻率法是一種新型的水庫大壩滲漏通道快速探測技術，該技術具有三維無損探測、探測效率高、探測深度大、定位精度高等特點，有效地彌補了傳統滲漏探測技術的不足。圖10為江西省高泉水庫采用磁電阻率法獲取滲漏通道三維分布情況。

2.6 堤防隱患檢測技術

目前，中國已建成堤壩總里程數超31.2萬km，堤防在長期服役過程中，受到水位漲落、氣候劇變、地質災害等影響，可能會產生滲漏、破損、甚至潰堤現象，嚴重威脅堤防及周邊安全。

目前常用的堤防隱患檢測技術包括：面波法、電測深法、電剖面法、高密度電法、激發極化法、探地雷達法、瞬變電磁法、偽隨機流場法，各種方法都有其優勢與特點，在堤防隱患檢測中扮演著重要的角色[16]。圖11為南水北調工程堤防段采用高密度電法探測堤防隱患示意。

2.7 隧洞超前地質預報技術

隧洞超前地質預報工作是保障隧洞施工安全的前提。特別是深埋長隧洞，由于前期勘察的局限性，難以查明隧洞沿線的所有地質風險，通過以物探技術為主的綜合超前地質預報手段，能夠較精細地探明隧洞掌子面前方的斷層、裂隙、溶洞、地下水等不良地質條件，為隧洞風險處置提供可靠依據。

目前，按照探測距離，隧洞超前地質預報技術可分為：①長距離預報技術，以地震波法為主，例如TSP，TGS，TRT，TGP等技術;②中距離預報技術，以瞬變電磁法為主要代表;③短距離預報技術，包括地質雷達法、聚焦激發極化法等[17-18]。圖12為云南省滇中引水工程采用TGS技術探測隧洞前方溶洞示意。

2.8 綜合管網探測技術

隨著城市水利工程建設速度加快，查明水利工程布置與現有地下管網的空間位置關系對保障勘察、施工期作業安全及減少設計變更至關重要。城市地下管網復雜，具有埋深變化大、材質、管徑種類多等特點，綜合管網探測一般采用多種地球物理勘察技術進行。

目前，常用的綜合管網探測技術包括：感應電磁法、高密度電阻率法、探地雷達法、主動源面波法等。其中，感應電磁法、高密度電阻率法以探測電纜、金屬類管線為主，探地雷達法、主動源面波法以探測非金屬管線為主。圖13為采用探地雷達法探測地下管道示意。

3 水利工程地球物理探測技術發展趨勢

今后，水利工程地球物理探測技術的發展面臨著較大挑戰：① 由于地球物理探測技術本身還存在較多的技術難題亟待突破;② 水利工程對勘察與檢測的精度要求也越來越高。水利工程地球物理探測技術需要隨著水利行業和物探技術的發展，不斷完善、提升與突破，發揮自身高效、無損、高精度的優勢，完成水利工程質量控制任務。

3.1 三維探測與建模分析技術

三維設計是水利行業發展的主流方向與必然趨勢，但是目前由于技術所限，水利工程物探工作還是以一維和二維探測為主，探測成果也是以一維波形與二維剖面展示為主，三維探測技術還處于起步與發展階段，大多數技術尚未實現真三維探測，不符合水利行業未來發展趨勢。同時，目前的物探成果展示也只是以工作布置圖加二維成果剖面的展示為主，不便于成果的理解與分析，缺少對探測目標或者區域的建模分析。因此，地球物理探測技術的三維探測與建模分析是未來發展的主流方向。圖14為物探三維探測與建模分析技術示意。

3.2 空中高效物探技術

水利工程特別是引調水工程，存在工程線路長、地形地貌復雜、勘察工期緊等特點，常規的地面勘探技術在地勢復雜的山區探測效率較低，特別是在陡崖和植被茂密處，開展地表物探工作難度極大。近年來，航空（地空）物探技術有所發展，具有探測效率高、不受地勢影響等優勢（圖15）。該技術依然還處于起步階段，存在探測精度低、無人機續航差等特點，無法完全滿足水利工程線路勘察的需求。因此，空中高效物探技術也是未來水利工程地球物理探測技術的發展重點。

3.3 水域物探勘察與檢測技術

目前，水利工程對水域勘探的需求越來越大，從水下地層結構探測到河湖采砂探測，淤積層厚度探測、水下地形探測再到庫壩水下滲漏探測，以及過水隧洞運營期質量檢測等。但是，水域物探勘察與檢測技術還處于起步階段，不像地表和孔中物探技術已經發展到相對成熟的階段。目前已發展有水上地震、水上電法、淺剖、水下機器人等技術（圖16）。但是，這些技術都具有一定局限性，受外界檢測環境影響較大，例如水上地震技術受水深、淤積層厚度和震源等因素影響。因此，水域物探勘察與檢測技術還需要開展進一步的研究工作。

3.4 時移物探監測技術

水利工程運營期安全監測工作是保障水利工程運營安全的基礎。時移物探監測技術則是一項新興的安全監測技術，通過在不同時間對目標體進行物性參數的采集，觀察與分析物性參數的變化特征，從而實現對目標體安全隱患的識別。例如堤防工程，可以通過時移物探監測技術獲取其波速和電阻率等物性參數隨時間的變化，實現對堤防的安全隱患進行實時監測，有效避免滲漏、潰堤等安全事故發生。因此，作為水利工程安全運營基本保障的時移物探監測技術亟待大力發展。圖17為三維地震堤防時移物探監測技術示意。

3.5 物探智能檢測技術與裝備

智能化是科技發展的趨勢、更是科技進步的體現，水利工程地球物理探測技術也是一樣，需要不斷朝智能化這個大方向發展。目前，一些學者已經開始了相關研究工作，將智能算法加入到物探的數據處理與解譯分析過程中，同時，越來越多的智能物探檢測機器人也開始開展相關試驗工作。通過物探智能檢測技術與裝備能夠顯著提升檢測效率，同時減少人為誤差，特別是高空作業或者水下作業時，智能檢測裝備的優勢更加明顯。因此，在水利行業的發展中，物探智能檢測技術與裝備的研究和發展必不可少。圖18為探地雷達智能檢測裝備。

4 結 語

地球物理探測技術作為水利工程勘測的重要手段，在水利工程建設中發揮了不可替代的作用。通過地球物理探測“透視眼”技術，能夠高效、無損、精準地查明巖體或者工程內部情況，找出不良地質構造與工程質量缺陷，在水利工程質量控制環節中發揮著缺陷判斷、質量驗收與預警警示作用。

目前，物探勘察、檢測與監測技術的服務范圍已覆蓋了水利工程建設的全生命周期，從前期地質勘察探測地層結構與地質構造，到施工期檢測工程結構缺陷與狀態，到工程運營期進行工程健康診斷與物探安全監測，地球物理探測技術都發揮了重要作用并不斷取得了新進展。

水利工程地球物理探測技術未來的主要發展趨勢與方向包括：① 三維探測與建模分析技術;② 空中高效物探技術;③ 水域物探勘察與檢測技術;④ 時移物探監測技術;⑤ 物探智能檢測技術與裝備。面對水利工程發展的機遇與挑戰，地球物理探測技術也會不斷進步與完善，向“更全、更快、更準”的方向發展。

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（編輯：李 慧）