堤防隐患综合物探技术及应用

2019-10-23

长江科学院院报 2019年10期

(长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

1 研究背景

堤防工程作为我国流域防洪体系的重要基础，按功能作用可分为河堤、江堤、湖堤、海堤、围堤等。按建筑材料结构形式，主要有土堤、石堤、土石混合堤、浆砌石防洪墙和混凝土防洪墙[1]。据全国水利发展统计公报[2]，截止2017年底，我国堤防总长度41.36万km，长江流域堤防总长3.4万km，长江中下游干堤约3 904 km，且大多有数百年历史，普遍存在不同程度的安全隐患。因此及时查明堤防质量状况、隐患分布范围对工程除险加固方案的设计与施工具有重要指导意义。

目前堤防隐患的探测方法主要有钻探法、人工探视法和物探法。钻探法具有高成本、低效率和盲目性等缺点。人工探视法靠长期经验，效率低，难以找到隐蔽隐患。物探法利用隐患部位物理性质发生变化的特点，采用物理探测手段研究堤防结构物理特征变化规律，进而判断堤防内部隐患的埋深、规模和形态[3]。

我国堤防隐患物探工作始于20世纪60年代[4]，山东黄河河务局采用放射性钴60进行堤防隐患探测试验。20世纪70年代，鞍山电子研究所研制了YB-1型暗缝探测仪。随后江苏省农业科学院开展利用同位素探测堤坝渗流研究[5]。20世纪90年代后，“堤防隐患探测技术研究”列入国家重点科技攻关项目和水利部、能源部等部委重大科技攻关项目[6-7]，隐患探测技术得到蓬勃发展，涌现出一批重要研究成果。例如：基于自然电场法的土坝渗漏通道探测[8]；基于高密度电法的堤防裂缝[9]、破碎区、空洞、脱空区[10]、渗漏探测[11]及堤防隐患监测方案[12]；基于瞬变电磁法的堤防渗漏隐患、松散体、含水砂层等探测[13-14]；基于地质雷达法的浅部空洞、松散不均匀体、老口门等探测[15-16]；基于瑞雷面波法的堤防管涵、蚁穴、空洞、疏松带等探测[17]。1999年，依据水流场与电流场的相似性，何继善院士[18]提出探测堤防渗漏入水口的流场法。此外，根据堤防渗漏水物理化学特征，基于温度场的分布式光纤测温技术[19]、基于渗漏水运动状态的同位素示踪技术、基于渗漏水的分子结构特征的核磁共振技术[20]、水下多波束[21]等都被应用于堤防渗漏通道探测和堤防监测中。2000年后国家防汛抗旱总指挥部先后多次组织堤防隐患探测方法现场测评工作[22]，结果表明，各种探测方法均有局限性和适用性。自然电场法受外界自然条件、场地因素干扰较大。高密度电阻率法的体积效应较明显，对浅部缺陷更敏感。瞬变电磁法主要对低阻体敏感，浅部探测存在盲区。地质雷达法存在探测分辨率和探测深度的矛盾，探测深度相对较浅。瑞雷面波法探测分辨率受震源频率和能量限制。流场法仅适用于查找渗漏入水口，不能进行其他隐患探测。

堤防线路长，隐患分布范围广、隐患类型复杂多变，仅依靠单一物探方法难以满足实际堤防隐患的探测需求[23]。为了避免单一物探方法的局限性和成果解释的多解性，综合物探方法得到了越来越广泛的应用。即采用至少2种物探方法，不同物探方法的互相补充，以更精确地查明堤身、堤基隐患分布特征。白玉慧等[24]运用探地雷达、高密度电法和瑞雷面波法3种方法对堤防防渗墙进行现场检测，并与钻孔取芯的实际检测结果比对分析。石明等[25]应用探地雷达、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。陆俊等[26]采用探地雷达法和高密度电阻率法等综合物探技术对堤坝白蚁巢穴进行探测。

本文基于堤防隐患地球物理场特征，归纳总结常见堤防隐患物探方法。通过土工室内试验，分析建立堤防土体地球物理参数与含水率、密实度的相关关系，以期为提高物探结果解译准确性提供试验和理论依据。在此基础上，结合实际工程案例，对堤防隐患综合物探方法选择、工作测线布置、综合地质解译及探测效果进行分析，对堤防质量进行全方位多层次综合探测，提高隐患探测准确率。

2 常见堤防隐患物探方法

我国堤防大多是不透水黏性覆盖层和透水砂砾石层、细沙层的二元结构。堤防隐患种类多且复杂多变，堤身隐患主要是有洞穴、裂缝、松散体、脱空区等，堤基类隐患主要是渗透破坏。根据堤防隐患物性特征的不同，目前常用的隐患物探方法主要是电法勘探、电磁法勘探等。

2.1 电法勘探

电法勘探主要根据堤防隐患与周围介质的导电性差异，研究隐患引起的电阻率畸变规律，结合地质情况和坝体结构特征，推断隐患的性质、产状和埋深等情况。影响堤防土质导电性的因素主要有岩性、含水率、密实度等。当堤防土质均匀无隐患时，电阻率从堤顶向下呈层状逐渐下降。

图1(a)给出密实度为85%条件下，长江干堤粉质黏土的实测电阻率随含水率的变化曲线。可见在含水率<25%的情况下，土体含水率与电阻率呈负相关关系，电阻率随含水率的增加而呈指数递减，含水率的变化对堤防土体的导电性影响很大，但当含水率增加到25%以上，电阻率变化缓慢，含水率对土体导电性能的影响不大。

图1(b)给出在含水率为16%的条件下，实测粉质黏土的电阻率随密实度的变化曲线。可见在非饱和土层中，电阻率与密实度呈近似线性负相关关系，随着密实度的增加，电阻率逐渐减少，土体导电性逐渐变好。由此可见，电法勘探在查找堤防含水体、裂缝、空洞等隐患异常效果较好。

图1 粉质黏土电阻率与含水率、密实度的关系

高密度电阻率法是一种高效的直流电阻率探测法，测点密度高，一次性布置全部电极，利用电极转换开关，自动转换电极装置形式、极距及测点，实现高效自动采集数据。该方法还具有一定的成像功能，能直观展示地电断面的结构与分布形态。当堤防存在裂缝，高密度电阻率剖面图呈条带状高阻分布；当堤防有洞穴，电阻率呈小范围、变化梯度大的圆形或椭圆形高阻分布；当堤防土质松散、土质不均时，出现大范围、不规则的高阻分布。

2.2 电磁法勘探

堤防隐患与正常介质之间的电磁性和介电常数差异是电磁法勘探的物理基础。介质之间的介电常数差异越大，探测效果越好。含水率是影响介电常数的主要因素之一，其表达式为

ε=(1-θ)εmr+ωεwr+(θ-ω)ε0。

(1)

式中：θ为介质的孔隙度；ε为物质的介电常数；εmr为介质的相对介电常数；εwr为水的相对介电常数，一般为84；ε0为空气的相对介电常数，一般为1；ω为含水率。由式(1)可知，物质的介电常数ε与含水率呈正相关关系。

图2(a)给出密实度为80%条件下，长江干堤粉质黏土的实测介电常数值随含水率的变化情况。由实测结果可见，堤防土体介电常数与含水率呈线性正相关关系。堤防土体的含水量越大，介电常数越大，因此电磁法探测对堤防隐患的含水性比较敏感。

图2(b)给出含水率为19%条件下，粉质黏土实测介电常数与密实度的关系曲线。由实测结果，介电常数与密实度呈线性正相关关系，密实度越大，土体介电常数越大。由土工试验分析可知，电磁勘探法在探测松散体、空洞、破碎带等隐患异常体效果较好。

图2 粉质黏土介电常数与含水率、密实度的关系

地质雷达属于电磁法勘探，通过接收介电特性差异界面产生的高频脉冲反射电磁波，分析反射波的波形、幅值和频率等特征，推断隐患结构和分布。雷达波图像能直观反映堤防内部结构变化。介电差异接触面两侧介质均一性较好，雷达波同相轴连续性较好；裂缝发育时雷达波同相轴错断；非均质体或空洞部位的雷达波为弧状反射且振幅、频率变化；隐患位于水位以下，雷达信号衰减强烈，波长增加。由于黏性土对高频电磁波吸收作用强，探地雷达法主要用于浅部空洞、松散不均匀体、老口门等。

瞬变电磁法是一种时间域电磁探测方法，用一个不接地的回线向地下发射脉冲电磁波作为激发场源，探测目标体在激发场的作用下，其内部会产生感应涡流。这种涡流与目标体的空间特征和电性特征有关，通过观测涡流产生电磁场的强弱、空间分布和时间特性，达到在时间上由早到晚、深度上由浅到深的勘探目的，从而解决有关地质问题。瞬变电磁法具有分辨率高、探测效率高、操作简便等优点，适用于探测裂缝、空洞、松散不均匀体及渗漏等隐患类型。

3 工程实例分析

长江中游某干堤的泵站由8台机组和8条管道组成，每条管道间隔5 m，真空泵房位于堤顶背水面。本次探测目的是探查泵房后方堤顶内侧长35 m，深度8 m以内，管道间是否存在脱空或不密实情况。

工程区地表以第四系全新统冲湖积相松散沉积物为主，具明显的二元结构。上部以粉质黏土和粉土为主，下部为粉砂和细砂。根据探测任务要求和工程区地质情况特点，拟采用高密度电阻率法和瞬变电磁法联合开展探测工作。

图3 高密度电阻率法测线布置剖面示意图

高密度电阻率法的测线布置如图3所示，以靠近1号管口的真空泵房边墙脚作为零点。测线Ⅰ紧靠真空泵房后方墙体，一次性布置24根电极通道，测线长度为23 m。测线Ⅱ位于堤顶内侧，一次性布置48根通道，测线长度为47 m，所有测线的电极道间距为1 m。对于堤顶的混凝土路面，电极埋设采取预打钻眼、泥土覆盖、浇盐水等措施以降低接地电阻，增加导电能力。

瞬变电磁法仅布置1条测线，测线布置在堤顶内侧，与高密度电阻率Ⅱ号测线位置基本重合，测线零点位于1号管口往外 1.5 m，顺堤从1号管口往8号管口方向测，测线长度为39 m，测点间距为1 m。本次发射线圈采用边长为3 m的正方形回线，发射回线紧贴地面，多余的导线呈S形摆放，接线头保持离地。接收回线采用边长为0.5 m的正方形，接收回线总长2 m，利用引线连接到接收机。

3.1 高密度电阻率法探测结果

Ⅰ号测线位置分别采用温纳装置和偶极装置开展高密度电阻率探测，经数据处理得到的电阻率云图如图4所示。根据电阻率等值线图，深度2 m范围内，视电阻率背景值为80 Ω·m左右，对比温纳装置和偶极装置探测结果，该测线存在3处高阻异常。第1处位于测线方向K1+8—K1+10处，深度0～1.3 m，异常呈椭圆形，视电阻率极大值约为300 Ω·m，极小值约为130 Ω·m；第2处位于测线方向K1+13—K1+17处，深度0～1.8 m左右，异常呈椭圆形，视电阻率极大值约为500 Ω·m，极小值约为150 Ω·m，视电阻率梯度变化较大；第3处位于测线方向K1+19—K1+22处，深度0～1.3 m，异常形状不完整，视电阻率极大值约为500 Ω·m，极小值约为180 Ω·m，视电阻率梯度变化大。

图4 Ⅰ号剖面温纳装置和偶极装置的视电阻率云图

Fig.4 Apparent resistivity nephograms of No.1 linewith Wenner device and Dipole device

据视电阻率断面图，深度2 m以下，实测视电阻率整体呈层分布，从堤顶向下呈降低趋势，推断该范围大堤土质相对均匀，无明显隐患。

由温纳装置和偶极装置的探测结果，可见高密度电阻率法的装置布置方式对探测效果影响较大，温纳装置对电性在垂直方向变化反应比较灵敏。

高密度电阻率Ⅱ号测线布置于堤顶内侧，沿堤身走向，起点与测线Ⅰ一致，采用温纳装置测量，经数据处理得到的视电阻率云图如图5所示。

图5 Ⅱ号剖面视电阻率云图(温纳装置)

根据视电阻率等值线图，测线表面为混凝土覆盖路面，地表浅层整体视电阻率值较大，约为200 Ω·m。深度1.5 m以内，存在3处较为明显的高阻异常。第1处位于测线方向K2+8—K2+14.5处，深度约1.3 m以内，异常呈条带状，视电阻率极大值约为450 Ω·m。第2处位于测线方向K2+23—K2+24处，深度约1 m以内，异常变化梯度大，视电阻率极大值约为1 000 Ω·m，极小值约为200 Ω·m，经现场踏勘可知，该处附近为电缆管道，推测此异常为电缆管道干扰造成。第3处位于测线方向K2+33—K2+43处，深度约1.2 m以内，异常呈长条带状，视电阻率极大值约为500 Ω·m，极小值约为190 Ω·m。

3.2 瞬变电磁法探测结果

瞬变电磁法测线布置在堤顶内侧，与高密度电阻率Ⅱ号测线位置基本重合，经数据处理得到的瞬变电磁波测深剖面图如图6所示。

图6 瞬变电磁测深剖面图

剖面图反映的出水管管道埋深大致为3 m，所在剖面泵站出水管管道位置大致分布于桩号K3+1, K3+5, K3+34, K3+10, K3+14, K3+19, K3+24, K3+29附近2 m范围内。除去管道引起的高阻异常，测线方向K3+18—K3+27，埋深2 m范围内为高阻异常，推断为大范围的不密实区域或脱空区。测线方向K3+11—K3+13，埋深约3 m为高阻异常，推断该范围也可能存在局部裂缝。测线方向K3+1—K3+8，埋深约1.5 m的电阻率相对较高，推测为范围较大的不密实区或脱空区。

3.3 物探综合地质解译

此次长江干堤的探测目的是查明堤防内侧不密实或脱空情况，为堤防工程的除险加固提供指导建议。不密实或脱空在电阻率反演结果中主要表现为高阻异常。根据高密度电阻率法和瞬变电磁法的探测结果，对堤防内侧真空泵房附近的隐患分布情况进行分析解释。

结合已知地质资料和现场踏勘结果，将高密度电阻率法和瞬变电磁法探测中所有电阻率异常进行分类并解译推断，具体特征如表1所示。

表1 高密度电阻率法和瞬变电磁法地质解译

由瞬变电磁法测深剖面(图6)可知，上部电阻率较高，对应堤顶和坡面干燥覆盖土层或被空气填充的穿堤管道。剖面深部电阻率相对较低，对应堤坡和堤身含水量相对较高的黏土或砂土层。

由于高密度电阻率法的Ⅱ号测线与瞬变电磁法测线重合，由这2条测线反映的异常特征看，高密度电阻法和瞬变电磁法均存在2个大范围的高阻异常，异常重合的区域为高密度电阻法Ⅱ号测线K2+9—K2+13和K2+35—K2+40，推测这2个区域附近存在不密实或脱空隐患。此外，高密度电阻率法Ⅰ号测线K1+13—K1+17和K1+19—K1+22段电阻率异常高，有可能为脱空发育区。