综合物探技术在堤坝隐患探测中的应用

邵伟

摘 要：现在的时代就是所有技术蓬勃发展的时候，在经济和技术的不断推动下，无论是建筑工程方面，还是生物技术，又或者是水利工程方面都得到了更进一步的飞速发展。人们居住的规模在不断的扩张着，对于资源的使用需求也越来越大，水作为人的生命之源，在生活中一直扮演着非常重要的作用。水对于我们来说是必不可少的，如今随着对水资源的大量需求出现了更多的水利工程设施，但由于缺乏足够的经验，建造的水利工程设施还存在着许多方面上的瑕疵，尤其是堤坝段出现过许多的问题，因此在水利工程中通过使用综合物探技术来减少堤坝隐患是非常有必要的。这篇文章就是希望通过对综合物探技术在水利工程堤坝中的应用探究来提高人们的认知度，提出有用的借鉴点。

关键词：综合物探技术;堤坝;隐患探测;应用

在水利工程中堤坝是需要格外注意的一个重要施工点，因此对于它所产生的隐患也需要格外注意，堤坝隐患的形成不仅是单纯的自然环境原因，还有人为因素，比如我们在生活中熟知的水流侵蚀、堤坝设施的常年失修，人为的破坏等隐患。诸如白蚁决堤的故事就说明了一些不起眼的事件也可能会是造成堤坝隐患的重要推手。在现阶段来说，对于堤坝隐患的探测方法还不是很多，以往我们所熟知的大概只有破损法和无损法两种方法，但随着水利技术的不断发展和需求的不断上涨，出现了高密度电阻率法，瑞雷波法，探地雷达法等一系列更加具有质量保障的探测技术，它们相对于使用计量坑探、槽探、井探、钻探的破损法和使用电阻率测深、自然电场法的无损法来说，更能够对堤坝的隐患探测起到重要的帮助作用。这些方法相较于传统的探测技术更加的完善和成熟，对于水利工程的维修带来更大的便利，对于工程的质量也更加的能够保证。

一、 河道堤防的特点和隐患探测技术在我国的现状

上述提到的无损法和破损法两种传统的探测方法，它们运用于堤坝探测时会耗费大量的时间，能够起到的成效甚微，而且单纯依靠人工的努力和简单的机械钻探技术取得的成效也很小。虽然这些方法有它的优点，但不可置否的是它们具有更多不好的影响，最重要的是运用这些探测方法对堤坝隐患进行探测会对堤坝造成一定程度的损害，因为此类的探测技术通常是在湖水不是汛期的时候才会进行。在引起全国人民提心吊胆的1998年发生的长江大洪水时期，在那段时间政府通过呼吁号召了人民群众进行了“徒步拉网式”的探测方式，人工的探测方式无疑就是通过眼睛，手和耳朵来进行勘测，但对于大型的工程来说，人力能进行的活动是远远不够的，毕竟人在进行勘测时所能观察到的现象都很有限，无法观察到堤坝内部的隐患，因此不能防患于未然。对于现在的堤坝隐患勘测中，我们经常处于被动的局面，对于打破僵局来说最好的方法就是采用更加先进的新型探测技术，全面提高堤坝隐患探测质量，保证堤坝的安全性。

二、 我国的堤坝隐患探测历程

最早的堤坝隐患探测工作是1974年山东省水利科学研究所进行的，他们运用电法对堤防灌浆进行了评价。1985年，山东省水利科学研究所通过坚持不懈的探索研发了一套运用电法进行探测的综合探测系统。在1991年的时候，江苏省也开始了堤坝隐患探测的研究，当时的江苏省农科院和河海大学共同努力进行了许多的探测研究，完成了“坝基渗流场探测中多含水层稳定流混合井流理论于综合示踪法研究”，进一步提高了对于堤坝隐患探测的影响力。随着影响力的逐步提升，1992年，黄河水利委员会物探总队冷元宝先生带领大家对堤坝隐患探测的技术进一步深入研究，进行多次实验后，取得了非常显著的成果，在当时的“九五”国家重点推广技术中就有它们的研究结晶。到了1996年的时候，高密度电阻率法开始应用于堤坝隐患探测，全国各地的水利探测也逐步使用各类新型方法技术。自1999年开始，国家十分重视堤坝隐患探测技术的研究，现如今，堤坝隐患探测技术的研究脚步从来没有停止过，一直在为了更好的堤坝安全而不断努力着。

三、 堤坝隐患探测技术简述

3.1 高密度电阻率法

高密度电阻率法是一种阵列勘探方法，属于直流电阻率法的范畴，是在常规电法勘探基础上发展起来的一种勘探方法。它以地下介质的电阻率差异为物质基础，观测和研究人工电场的变化和分布规律，进而探测地下介质和构造的分布特征，其反演结果为二维视电阻率断面。相对于传统电法而言，高密度电阻率法具有观测精度高、数據采集量大、地质信息丰富、生产效率高等特点，而且一次布极可以完成纵、横向二维勘探过程，既能反映地下某一深度沿水平方向的电性变化，同时又能提供地层岩性沿纵向的电性变化情况，具备电剖面法和电测深法两种方法的综合探测能力。

高密度电阻率法数据采集通过主机控制电极转换器形成供电、测量及数据采集的全自动控制。数据采集完成后，将原始数据传入计算机进行数据转换、地形校正、二维反演后，输出二维地电断面图。

运用高密度电阻率法探测堤坝隐患时，野外一般采用温纳装置采集数据。我们知道对于没有水分湿润的堤坝部分来说，很容易发生裂缝、渗漏等不安全隐患现象。假定坝体的整体都是水平的，若坝体存在裂缝或渗漏现象，那么隐患处的电阻率值由于充水会比周边介质的电阻率值低，那么根据二维地电断面的电性特征就能推断堤坝隐患处的位置、范围大小及埋深等特征，从而指导开展补救工作。

高密度电阻率法虽然有很大的优点，但同时也有一定程度上的不足，其探测水平会被局限于堤坝的深度上面。高密度电阻率法按照层状分布，对于测量堤坝表面上发生的渗漏、裂缝、土质不均匀等十分有效，但它并不适用于埋深较大的堤坝隐患的探测。因此对于堤坝隐患的探测来说，根据不同的地质特征来选择不同的探测方法是非常重要的。高密度电阻率法曾经在黄河大堤济阳城关段裂缝探测，浙江缙云白马水库坝体渗漏，邙金段獾鼠洞探测，黄岩长潭水库白蚁穴巢探测中发挥了重要作用。自从1992年的“九五”国家重点技术推广开展以来，对于高密度电阻率法的研究非常重视，随着电法仪器水平的不断提升，期望在今后的探测中高密度电阻率法能够得到更广泛的应用。

3.2 探地雷达法

探地雷达法也是上述提到的无损法中的一种常用的物理探测方法，它是通过对高频宽频带短脉冲电磁波的有效运用来进行堤坝隐患探测的一种方法。它可以很好的对堤坝上面的裂缝，土质的质量和渗漏等方面进行探测，探地雷达仪器可以把获得的电磁波反射数据直观的通过图像进行显示，对进行堤坝隐患的研究起到了很大的作用。

堤坝的建造一般选用的材质都是粘土，混凝土，砂石等，坝体密度比较大，相较于用土建造的堤坝来说，稳固性更高，防渗漏性更强，而且土坝更容易受到自然环境的影响，例如土坝的土质会更容易受到水分的干扰，在水分较少的情况下变得极为的干燥，容易出现裂缝等问题。土坝在经过长时间的挤压后，会形成很强的密度，而探地雷达法在如此紧密的坝体下它所能产生的功能就非常的有限，并且所产生的雷达波反射能力也会变得很弱。对雷达波进行反射后形成的图像状况要根据不同的情况进行区分，例如在含水分比较充实的地区中，一旦堤坝发生渗漏等问题时，隐患范围的增大会导致电导率随之也增大，因此会发生非常明显的电性界面，导致隐患处的电磁反射波同相轴出现错断、绕射现象，发生渗漏处界面上部的反射特征是高频率的波动，而且会产生多次叠加的反射效果。但是在干燥区的情况并不是这样的，对于干燥区来说，雷达探测到的电磁波反射后形成的图形都是呈现条带状的，而且波动的速率也是非常的不均匀，没有长时间的波动，更没有一个特定的部位进行反射，只有断断续续的能量很强的波动。综上所述对于运用探地雷达法进行堤坝隐患的探测的时候要具体问题具体分析。

探地雷达的适用的范围一般是在堤坝隐患的普遍的勘察和对它进行全方面的详细的勘测，尤其是在当隐患埋深小于十米的情况下，探地雷达法能发挥出更好的效果，它一般比较适合在进行洞穴，砂层等探测的时候使用。对于这类探测方法成功的案例也有很多，例如黑龙江某水库坝体散浸和渗流探测，阳春合水水库二副坝渗漏探测，广东枫树坪水库大坝塌陷和渗漏探测，椒江外沙海堤渗漏探测，长江九江段赤心堤淤泥软基及坝体裂缝探测，青年水库坝体滑坡探测，东浦新塘堤塘结构，都是一些很好的运用探地雷达法得以很好的解决的案例。

在运用探地雷达法技术对堤坝隐患进行探测的时候。会产生很多的问题，其中对于坝体本身来说，它的结构非常的复杂，而且具有多变性，探地雷达技术能进行探测的深度非常的有限，而且自身的分辨能力没有那么强大，因此对于探地雷达法技术的进一步发展就应该朝着更广阔的深度和提高分辨率的方向来努力研究。对于深度和分辨率较差这一问题，有好几个科学家进行过很多次的研究，得到了具有非常实用的科技成果，例如肖柏勋所带领的团队使用相控阵天线代替单极子天线，研制出相控阵探地雷达系统，大大提高了雷达探测的分辨率，得到探测对象内部结构的三维图。此外还有吉林大学研制出使用Vivaldi宽带天线的宽带探地雷达系统。Vivaldi天线具有馈电形式简单，制作方便和辐射方向性好等优点。宽带探地雷达系统具有高分辨率的特性，其天线的频带很宽，适合于各种领域的应用，推进了探地雷达探测技术向着更高层次的方向发展。

3.3 瑞雷波法

瑞雷波法探测技术的开展历史比较悠久，但它在堤坝隐患探测中的运用并不是很普遍。在上世纪九十年代，它在国内才被普遍的运用到了堤坝隐患探测中。瑞雷波是地震波中弹性面波的一种，它在1887年被Rayleigh首先发现并揭示了其在弹性半空间介质中的传播特性。在随后的很长一段时间中又有许许多多的科学家对它的缺陷进行了不断的完善，其中要提的就是Leon Knopoff，他提出的knopoff分解法对了解瑞雷波在介质内的运动特征提供了理论依据，也为复杂介质的正演问题奠定了基础。1982年，日本人梅雄和佐藤等人开发了GR-810型稳态面波勘探仪，又称佐藤式全自动地下勘查机。该机器可以进行地下勘查工作，而且还是全自动式的，但它最大的不足就是体积笨拙，建造成本非常昂贵，最终没有大范围的普及。如今的瑞雷波探测设备比较先进，不仅体积小、安置便捷，而且工作效率较高，因此得到了广泛的应用。

瑞雷波具有以下几方面的主要特征：

（1）瑞雷波的传播速度与介质的物理学性质密切相关。

（2）瑞雷波的波长不同，其在介质中所能穿透的深度也不同。

（3）瑞雷波在分层介质中具有频散的特性。

瑞雷波勘探是基于不同振動频率的瑞雷波沿深度方向衰减的差异，通过测量不同频率成分瑞雷波的传播速度来探测不同深度岩、矿层及其中的构造、洞穴、岩溶等地质异常体。由于各种岩、矿层及地质体的密度和弹性参数不同，导致瑞雷波的传播速度有明显差别，因此可以利用瑞雷波的传播速度作为区分地质体的重要标志。瑞雷波法的工作条件较其它浅层地震方法工作条件操作简单，其具有抗干扰能力强、浅层分辨率高、不受各地层速度关系的影响、资料处理快、工作效率高等优点。

其实在进行堤坝隐患探测的时候往往都是多种探测技术综合运用的，单方法探测得到的结果不够准确，但是运用多种方法综合探测就可以取长补短，这就跟“一根筷子容易折，一把筷子难折断”是一个道理的。运用综合探测方法进行堤坝隐患探测的成功案例非常多，例如椒江外沙海塘渗漏探测，安徽定远黄桥水库土洞及软弱层探测等等。通过这些例子可以很好的了解瑞雷波法、高密度电阻率法、探地雷达法等方法在堤坝隐患探测工程中的有效应用。

四、 结束语

对于堤坝隐患探测技术的研究是一个悠久而深远的课题，要想研究出能够有效解决隐患问题的探测技术，需要很长的时间和大量的资金，以及付出非常大的努力。通过了解物探技术在堤坝隐患中的探测应用，我们不仅对堤坝常见的隐患问题有了一定程度的了解，也对物探技术有了更深层次的了解，希望未来物探技术的发展能够朝着更高的方向发展。

参考文献：

[1]冷元宝.堤坝隐患及渗漏探测技术[J].人民黄河，2001，23（1）：4-5.

[2]谢向文.大堤洞穴隐患探测技术研究[J].人民黄河，1996（12）：15-18.