堤坝隐患无损探测研究应用进展

2013-08-15张辉杨天春

大坝与安全 2013年1期

张辉，杨天春

（湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭411201）

0 引言

我国江河堤防约26万km，水库8万多座，这些堤防大多是在历史遗留的民堤基础上逐步加高培厚而成，堤基没有经过处理，堤身填土未进行有效的碾压、夯实，加上白蚁、獾等动物的破坏，堤坝存在一些隐患。一旦发生洪水，当大堤堤身含有细颗粒且颗粒为均匀松散的非粘性土层时，在长期高水位浸泡作用下，其土层会变成饱和土，此时极易产生渗漏、管涌、塌陷等险情[1]，给国民经济和人民财产造成严重威胁。因此，堤坝隐患探测越来越受到人们的重视。

堤坝隐患探测过去主要采用地质钻探、人工探视等方法，但这些方法对堤坝本身有破坏性和局限性，且费时费力又难于发现隐患，不具有快捷、精细、准确和无破损等要求，无法全面推广应用。近几年来，我国堤坝隐患探测技术更多地倾向于研究无破损的地球物理探测技术。

20世纪90年代以前，地球物理探测堤坝隐患及渗漏的研究工作一直没间断，取得了一些成果。江苏省农业科学研究院原子能研究所、河海大学自1991年至今，进行了大量堤坝渗漏探测的试验研究和生产实践，所完成的“坝基渗流场探测中多含水层稳定流混合井流理论与综合示踪法研究”项目于1996年获国家科技进步二等奖；1992年，由黄河水利委员会物探总队承担的“堤防隐患探测技术研究”列入国家“八五”重点科技攻关课题，经过3年努力，取得突破性成果。

20世纪90年代之后，随着我国对堤坝工程的日益重视，堤坝隐患及渗漏探测技术的研究工作得到较大进展。特别是1998年特大洪水过后，地球物理勘探技术成为堤坝隐患快速无损探测的首选方法。山东黄河河务局研制的ZDT-1型智能堤坝隐患探测仪，1998年用于湖南、九江等地堤防隐患汛期探测取得成效，曾受到有关防汛部门的嘉奖；1999年国家防汛抗旱总指挥部办公室组织有关部门在湖南益阳堤坝隐患探测试验场对多种检测方法、探测仪器进行测评；1999年11月，水利部重大科技项目“堤防隐患和险情探测仪器开发”正式启动；2000年8月，国家防汛抗旱总指挥部办公室与水利部一起，组织有关部门对国内外的探测仪器设备在北京大兴永定河一段废堤上进行了模拟隐患比测工作；2000年9月，国家防汛抗旱总指挥部办公室等单位在郑州召开了“全国堤坝隐患及渗漏探测技术研讨会”。2001年9月9-11日，国家防汛抗旱总指挥部办公室、中国地球物理学会勘探地球物理委员会、水利水电工程物探科技信息网、黄委会勘测规划设计研究院在河南郑州召开了“全国堤坝隐患及渗漏探测学术研讨会”，全国各地从事物探工作的专家、代表就堤坝隐患和渗漏探测中的实践经验、存在问题、探测方法及发展方向进行了研讨和学术交流。2002年，国家防汛抗旱总指挥部办公室主持并组织有关单位开始编制《堤防隐患探测技术规程》，规范了我国的堤防隐患探测工作。

上述一系列研究和实践工作，有力地推动了我国堤坝隐患探测技术的进步与发展。

1 各种无损探测技术在堤坝隐患探测中的应用

堤坝隐患是影响堤坝安全的关键因素，当堤坝处于高洪水位时，堤坝隐患将可能导致溃堤垮坝。因此，开展堤坝隐患探测，既开拓了地球物理勘探应用的新领域，也为堤坝隐患的治理提供了可靠的科学依据。隐患探测的首要任务是确定堤坝隐患存在的位置、规模、形态，分析形成隐患的原因，以便针对性地采取有效的治理方法和技术。利用地球物理方法查明堤坝隐患是较为有效的方法之一，从该技术近几年的发展看，主要应用电法、电磁法、流场法、弹性波法和放射性法等物探方法。

1.1 常规电法

常规电法主要指自然电场法、电阻率法、高密度电法、激发极化法、充电法等方法。一般来说，大多数堤坝都是由填筑土层构成的均质坝体，其介质的导电性较均匀。但堤坝大多经分层填筑而成，正常情况下，其导电性能的差异也是呈层状分布的。如果堤坝中某处存在渗漏隐患，渗漏水流会逐步带走渗漏通道中较细的土壤颗粒，从而导致隐患处介质的含水率增高，介质的导电性能变好，堤坝隐患与周围介质之间存在明显导电性能差异，使该部位电性差异呈层状分布规律遭受破坏，这就是采用电阻率法探测堤坝隐患的地球物理前提。

中南大学陈绍求等曾于2000年前后利用电阻率法对各类堤坝隐患进行探测，采用反射系数K法对结果进行解释，提高了电阻率法对隐患的分辨能力。2003年，吕玉增、阮百尧通过分析常见堤坝渗漏模型，用三维有限元法对堤坝渗漏模型进行电阻率成像法模拟，并对结果进行解释，取得了较好效果[2]。2004年，浙江大学的王振宇、刘国华等利用电阻率层析成像的方法对水库大坝隐患进行探测，并采用基于点源二维电场理论的有限单元法对实测资料进行反演解释，得到了一些有益的结论。

高密度电阻率法是20世纪80年代由日本地质株式会社提出的，其基本原理与传统的直流电阻率法完全相同，所不同的是它在观测中设置了较高密度的测点，以电极转换开关控制多根电极，可一次性完成纵、横二维勘探过程，它是电剖面法和电测深法的结合。

由于高密度电阻率法具有成本低、效率高等优点，该方法近几年在堤坝隐患探测中应用较多。如中科院的底青云教授曾将高密度直流电阻率法用于珠海某防波堤的堤防隐患探测；青岛海洋大学的郭秀军等通过分布式高密度电测系统在天津某水库大坝和北京市某池塘大堤上的实践应用，说明该系统在堤坝裂缝、堤坝内埋设物探测中所取得的良好效果；2001年，中国地质大学的王传雷等采用高密度电阻率法通过定点重复观测来研究不同水位下堤坝隐患电阻率图像的动态变化，并在武汉长江大堤上进行了实测对比工作[3]；2008年，成都理工大学的肖宏跃等将高密度电阻率法延时性勘探用于堤坝的渗漏探测中，研究在汛期随时间的延长渗漏通道周围电阻率的变化情况，由此检测堤坝渗漏通道大小变化情况[4]。此外，中南大学的汤井田等采用有限元模拟的方法，对堤坝渗漏开展了高密度电阻率法成像方面的理论研究。

自然电场法通过研究自然电场的分布规律来解决地质问题。当堤坝中存在集中渗漏隐患时，水溶液会在松散层或岩层孔隙、裂隙中流动，在渗透过滤、扩散吸附和氧化还原等作用下，隐患位置附近会产生自然电位异常，由此可分析确定渗漏隐患的位置。笔者曾于2000年采用该方法对湖南慈利县江垭电站大坝的渗漏问题进行过实地探测。2005年，山东水利科学研究院的郑灿堂根据现场测试资料，较为系统地归纳总结了自然电场法检测土坝渗漏隐患的一些可贵经验成果，他将集中渗流在自然电位曲线上的反映归纳为五种基本异常形态，并以此来推断集中渗漏带的宽度、埋深、走向和渗流的时空动态等特征[5]。2008年，山东黄河河务局的刘建伟等将自然电位法应用于长江大堤和江西九江高泉水库大坝的渗漏探测[6]。

尽管直流电阻率法已广泛运用于堤坝隐患探测的实践中，但其探测隐患的纵向分辨率问题一直未得到很好解决，仪器所能探测的极限埋深和裂缝宽度难以定量[7]。如高密度电阻率法对浅部缺陷比较敏感，但随着深度的增加，其纵向分辨率急剧降低；根据电法勘探理论，其探测目标体的洞径与埋深之比的极限为1∶10左右。激电法还可利用极化率的大小，但管涌渗漏通道中水所引起的极化率一般较小，很难测得非常明显的异常，因此在实践中应用该参数进行解释分析的例子比较少。自然电位法是根据渗漏部位越大、电位越低的特点来确定渗漏的位置、埋深及流向，所以该方法对散浸或渗漏量较小的隐患反映不明显；此外，由于天然场较弱，很容易受周围环境的干扰。

1.2 电磁法

应用于堤坝隐患探测的电磁法主要包括瞬变电磁法、探地雷达法、频率域电磁法、甚低频电磁法等方法。瞬变电磁法是基于电磁感应原理，即以介质的电（磁）性差异为基础，通过不接地回线或接地电极向地下发射垂直方向的一次脉冲磁场，使地下低阻介质产生感应涡流，进而产生二次磁场，观测并研究该磁场的时空分布特征，以探查地下介质的性质及分布特征。

中国水利水电科学院房纯刚教授等于1998年将瞬变电磁法（TEM）方法应用于土坝、堤防渗漏隐患探测中，并研制成功SDC-1型堤坝渗漏探测仪；同时，还采用从国外引进的频率域电磁法仪器EM34-3型大地电导率仪和SDC-1型堤坝渗漏探测仪对大坝和堤防等开展了现场渗漏隐患探测和管涌通道定位探测[7]。2003年，中国科学院南京土壤研究所的刘广明、杨劲松、李冬顺等采用EM31和EM38大地电导仪对江苏省新、老海堤的隐患进行探测，确定了海堤内孔洞或质地相对疏散的危害位置，但该仪器设备探测深度有限，单次探测的最大有效深度为6 m[8]。

总体上看，瞬变电磁法比较适用于堤坝中深部隐患探测，探测深度可达数十米，但它对浅部不均匀体反映不够明显。而大地电导率仪的优点是可直接读取大地视电导率，再根据电导率大小判断堤段填料的密实情况、是否容易产生大面积散浸，其缺点是沿深度方向分辨率较低，只能探测几种不同深度大地的视电导率，因而难以发现堤身内埋深较浅、体积较小的异常体。

地质雷达基本原理是基于高频电磁波理论，高频电磁波（主频10～2.5×103MHz）以宽频带短脉冲形式由地面通过发射天线送入地下，经地下地层或目标体反射后返回地面，为另一接收天线R所接收。根据接收波的旅行时间、反射电磁波强度与波形变化情况，可推断介质的内部结构。

作为一种新的浅层物探方法，地质雷达已被广泛应用于堤坝隐患探测中。如吴相安等于1997年就研究了探地雷达探测堤坝隐患的可行性。2000年，中国地质大学的曾校丰教授等举例证明了探地雷达技术应用于水库坝体结构层检测的问题，说明当采集和处理参数选取合理、探测目标空间位置和尺度大小与探地雷达信号的频率与强度匹配适当时，就能取得较好的探测效果；同年，邓世坤探讨了探地雷达技术在拦洪闸闸底板现状探测、海滨防浪堤隐患探测和江堤滑塌成因探测中的应用效果[9]。2001年，吉林大学的薛建等将SIR-2型地质雷达系统应用于黑龙江甘南某大型水库的坝体散浸探测以及吉林省辉南县某水库的渗漏通道检测[10]。2001年，武汉大学光电信息工程学院研制出“双频多普勒相控阵地质雷达”，该设备克服了常规地质雷达电磁波能量分散、探测深度浅、分辨率低等弱点，提高了探地雷达的探测深度，同时为地表以下20 m内蚁穴、鼠洞、管涌等的探测提高了精度。此外，浙江水利研究院的葛双成、南京水利科学研究院的何开胜等也应用探地雷达开展过渗漏病害和管涌隐患探测[11]。

地质雷达应用的物性基础是介质之间介电常数的差异，由于水的相对介电常数是81，因此它对含水量少、埋藏较浅的隐患才有较好的探测效果；同时，如果堤坝的渗漏隐患位于浸润面以下，由于雷达波的衰减非常大，此时隐患就很难被探测到。水利工程中存在的隐患种类很多，探地雷达技术由于受探测深度和分辨率这一矛盾的制约，过分夸大其作用是不合理的。

1.3 地震勘探

利用堤坝隐患与周围介质之间的波速或波阻抗差异，可采用纵波、横波技术或面波勘探方法开展堤坝隐患探测。

黄河水利委员会物探总队曾将瞬态瑞雷波法应用于黄河大堤老口门堤段隐患探测，探测结果表明，当深度小于30 m时，频散曲线与介质弹性界面有较好的对应关系，可直接推断界面位置，且可据异常幅值判断软弱层的强度特性和范围。在陕西渭北某水库左坝肩渗漏探测、红石峡水库坝基和坝体质量检测、陕西滴水岩水库坝体渗漏探测中，瑞雷波法都起到了较好的效果。另外，陕西水利电力勘测设计研究院的任健于2003年将瞬态面波剖面法技术应用于病险水库探查中，通过实践应用可知，该方法在病险库勘探中能较好地探测坝体沉陷变形和软弱夹层等工程地质问题；浙江省水利河口研究院曾将SWS21G工程勘探与检测系统较好地应用于黄岩长潭水库坝体隐患调查、玉环里墩水库坝基处理效果检测、东苕溪防洪工程西险大塘加固工程套井回填质量检测以及椒江外沙海塘和温岭东浦新塘探测[12]。上海市地质调查研究院也曾运用面波法勘探对土坝管涵、土洞、白蚁巢穴、土体疏松带等水库大坝隐患进行探测，并取得了一定的应用效果[13]。

水利工程堤坝渗水通道一般为细长的通道或裂隙等，其断面尺寸一般较小，地震反射法和折射波法难以有效分辨，因此目前的应用主要以面波法为主。

1.4 示踪法

由于某些管涌的埋深较大，采用地质雷达、地震勘探、电法等物探手段进行无损探测受到有效探测深度和探测分辨率的影响，难以达到探测的目的。在某些情况下，示踪方法是较为理想的探测方法之一。

同位素示踪法就是利用放射性同位素作标记物，根据放射性同位素在地下水中的迁移变化来研究地下水渗流运动规律的方法，包括单孔稀释法、单孔和多孔示踪法，一般要求渗漏流速大于10-6m/s。利用环境同位素探测堤防渗漏是近几十年发展起来的一种探测手段，因为河水、地下水都来自大气降水，它们受大气降水的稀有同位素的高程效应、纬度效应、陆地效应、季节效应等因素的影响，不同来源的水体呈现不同的同位素特征，因此可根据水体的同位素特征判断其来源。该方法可通过天然示踪方法测出地下水中的放射性强度、电导率、pH值等参数，然后利用同位素示踪单孔稀释法测定各地层渗透流速，利用单孔同位素示踪测定水平流向、利用同位素多孔示踪测定注水和不注水条件下的垂向流，进而确定堤坝管涌及管涌区的渗透性。此外，还可利用温度场探测堤坝渗漏，它是物探技术检测堤坝安全的发展和延伸，一般把这种方法归为天然示踪法的一种。该方法是通过测量水面温度差、地层温度特性等，确定水下渗漏点出口与渗流通道。

在示踪法探测堤坝隐患渗漏方面，国内主要以河海大学陈建生教授及其指导的学术团队在此方面做了比较多的工作。他们不仅研究了堤防管涌产生集中渗漏通道的原理，还做过大量的实践工作，如1999年在夏季和冬季两种不同水位条件情况下对龙羊峡大坝进行同位素综合示踪探测，此后还先后对北江大堤石角段堤坝、南水北调京杭大运河堤防、小浪底水库左坝肩、江都高水河船厂段堤防、刘家峡水电站坝体、广东北江大堤某堤段以及深基坑开挖的渗漏问题进行过探测[14-18]。另外，他们还建立了示踪模型，开展理论研究，并将模型用于生产实践[19,20]。

此外，2000年，李端有等探讨了温度示踪法监测长江堤防渗流问题；2007年，付兵等将同位素示踪技术应用于洪泽湖大地渗漏检测，并将检测结果与DB-3Ⅰ型堤坝管涌渗漏检测仪的结果进行对比。

1.5 流场法

治理水患、防洪减灾在国民经济建设中占有举足轻重的地位。1998年我国长江流域和松花江流域遭受百年不遇的特大洪水，造成的直接经济损失达1666亿元。为此，何继善院士首次提出了适合在汛期快速探测堤坝渗漏险情和渗漏、管涌进水口的“流场法”[21]，并研制出了世界上第一台能在汛期探测堤坝渗漏及管涌的专用查漏仪器。

一般情况下，水流的正常分布有其自身规律，在无渗漏情况下，流场为正常场；一旦出现管涌、渗漏，就会出现从迎水面向背水面的渗漏通道，同时在堤坝的渗漏管涌入水口会产生微弱的水流场，但这种水流场在汛期很难用仪器直接测量出来，只能采用间接的方法进行测量。事实上，水流场和电流场的控制方程都为拉普拉斯方程，具有相同的数学形态，流场法正是基于以上物理事实，利用水流场与电流场在一定条件下数学物理上的相似性，通过研究“伪随机”电流场与渗漏水流场之间的内在联系，建立电流场和异常水流场之间的时空分布规律，从而通过测定电流场来确定渗漏水流场。

自何院士发明堤坝管涌渗漏检测仪后，该设备在全国各地得到了普遍应用，并取得了非常好的实践效果。如黄委会基本建设工程质量检测中心于2001年应用DB-3普及型堤坝管涌渗漏检测仪在东平湖水库和小浪底水库进行试验探测；陈斌等在洪泽湖大堤上进行了渗漏检测，同时将DB-3的检测结果与“同位素示踪法”进行对比分析，结果表明运用管涌渗漏检测仪探测管涌渗漏具有经济、快速和操作方便的优势[22]；戴前伟等运用伪随机流场法在四川铜街子大坝进行探测，其探测结果比传统波速测井、钻孔电视以及压水试验等方法的结果更精确，为堤坝探测提供了更多的有效信息[23]。

2004年前后，刘文伟等运用管涌探测仪在洪泽湖大堤、江西新余市石牛滩水库开展管涌渗漏探测实践；2005年，邹声杰等开展了流场法的物理模拟实验和汛期的现场实践[24]。2006年，董延朋等将DB-3检测仪应用于山东沂源县芦芽水库、郭家上峪水库管涌渗漏探测；易三莉、陈一平等就DB-3管涌渗漏检测仪在缩微环境中进行仿真建模，对该仪器进行性能仿真测试方法研究，以便为该仪器在生产过程中的综合性能和企业标准的制订提供理论依据。2007年，董延朋等应用DB-3检测仪对山东新泰市的黄花岭水库渗漏问题进行探查[25]。2008年，四川省汶川县地震造成多座水库出险，湖南继善高科技有限公司应用堤坝管涌渗漏检测仪为灾区水库查险排险。目前，管涌探测仪已在水电部门得到普遍应用。

2 综合物探方法的应用

物探方法可用于堤坝隐患的探测、确定堤坝结构及隐患性质与分布情况，但每种物探方法都有其应用前提和局限性，仅以某一种参数作为解释依据会产生多解性。所以，实践应用中一般针对可能的隐患性质及分布特点，选用合适的探测方法及其组合进行综合探测与分析，以提高信号采集和处理解释水平。近年来，流场法在我国抗洪抢险中发挥了重要作用，它可非常准确地找到渗漏的入水口，但无法确定渗漏水通道在坝身的具体位置。

在实践中，采用综合物探方法探测堤坝隐患的实例很多。如1999年，奚家鉴等人采用高密度电阻率、探地雷达、瞬态瑞利波和自然电场等方法对广西恭城县蓝洞水库均质大坝的散渗等病险进行综合勘探，查明了水库病险的水源流向，为评估坝体的稳定性和加固处理设计提供依据；王传雷等在一个多次投入单一物探方法探测堤内管涌隐患未见成效的工区，经过认真踏勘和细致调查之后，选择了综合物探方法（包括充电法、自然电场法、地下管道探测、地质雷达探测等），其工作成果指导用于隐患治理方案的选择，治理后的堤坝经受住了后期特大洪水的考验；周治绩等采用α杯和电测深方法对广西大王滩水库六、七副坝的坝基渗漏位置进行探测，查明了堤坝坝基漏水部位和管涌通道，划定了含水层和非含水层分布情况。

2000年，张琦伟等采用自然电场法、高密度电法、超声波法对内蒙古巴盟总干渠分水枢纽渗漏隐患问题进行探测，取得了比较好的应用效果。2002年，戴呈祥运用浅层高分辨率地震勘探、自然电法对广东新跃进水库大坝、长岭皮水库大坝的渗水通道进行探测，查清了通道的具体位置。

2004年，陈洁金、朱自强等采用综合地球物理方法对海口市某大坝进行了渗漏隐患探测，查明了大坝的渗漏部位。2006年，王延刚等采用探地雷达和高密度电阻率法对黑龙江延寿县的新城水库坝体渗漏进行探测，指明了渗漏通道的实际位置。2006年左右，葛双成等将高密度电阻率法、探地雷达法、瑞雷波法等方法综合运用于堤坝渗漏原因探测[26]。石明、冯德山等采用探地雷达、高密度电法、地震勘探等综合物探方法对大源渡堤防质量进行检测，查明堤防隐患的分布位置与埋深[27]。2008年，鞠海燕等选用高密度电法和探地雷达对江西某矿山堤坝渗漏隐患进行探测，查明了大坝渗漏的主要原因[28]。

综合物探方法可从不同的角度提取地质信息，便于解译成果的相互印证，提高解释成果的精度和可靠性。

3 结语

随着科学技术的发展，地球物理方法及其仪器设备都取得了长足的进步和发展，堤坝隐患无损探测的技术水平不断提高。但各种无损探测方法都有其自身的应用前提和局限性，在实际应用中，目前大多数方法都只是将仪器现代化，方法本身并没有创新，所以在堤坝隐患探测中采用单一的方法有时很难取得较好的效果。因此，在今后的应用中，科技人员应根据现场介质物理性质与地球物理特征，选择合理的组合方法。

流场法是一种在方法和仪器上具有创新性的方法技术，近年来已在我国抗洪抢险中发挥了重要作用，但要确定渗漏水通道在坝身的具体位置，还得采用其它物探方法或者发明新的地球物理方法技术。■

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