水利工程地球物理探测技术发展与展望

尹剑 徐磊 陈爽爽 汪思源 王少博 林永燊

摘要： 目前，地球物理探测技术已被广泛应用于水利工程建设的全生命周期，在水利工程质量控制中发挥着缺陷判断、质量验收与警示威慑作用。在参考国内外相关研究与应用资料的基础上，结合地球物理探测技术在水利工程中的应用情况，分析了水利工程地球物理探测技术的发展现状，并重点介绍了几种常用的物探检测技术，包括混凝土质量高精度检测技术、堆石体密实度检测技术、数字钻孔技术、高分辨率层析成像CT技术、库坝渗漏精细探测技术、堤防隐患检测技术、隧洞超前地质预报技术和综合管网探测技术。研究认为未来地球物理探测技术将会不断进步与完善，向“更全、更快、更准”的方向发展。

关键词： 物探技术; 工程勘察; 工程质量检测; 工程健康诊断; 水利工程

中图法分类号：P631 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.02.006

文章编号：1006 - 0081（2022）02 - 0032 - 08

0 引 言

随着水利行业的飞速发展和科学技术的日新月异，水利工程地球物理探测技术也得到了快速发展。从20世纪中叶的单一手段，发展到现在门类齐全、仪器精良的综合手段，具有科技含量高、工作效率高、探测精度高、勘察费用低等优势，可以服务于水利工程从前期勘察到施工期检测以及运营期健康诊断的全生命周期，在水利工程的安全建设与质量控制环节中发挥着至关重要的作用。

中国水利工程地球物理探测起始于20世纪50年代，由原燃料工业部水力发电总局北京勘测设计院组建了第一支水利工程物探电法队伍。早期水利工程物探多采用直流电阻率法勘探，用以解决勘察期的工程地质和水文地质问题，勘探精度相对较低。80年代，随着弹性波理论的发展，地震类勘探方法，如地震反射波法、地震折射波法、地震波层析成像技术等得到了广泛应用，显著提高了勘探精度。90年代，水利工程物探技术的应用由勘察期逐渐进入到施工期，1998年，由长江水利委员会地球物理勘测研究院提交的《长江三峡水利枢纽一期主体工程建基面弹性波检测工程》正式通过专家评审验收，载入了三峡工程建设史册，标志着工程物探检测技术在水利工程中的正式大规模成功应用。21世纪以来，物探技术又逐渐被应用到水利工程运行期，通过采用时移电阻率法、时移地震反射波法等探测技术，进行工程运行状态监测等[1-2]。

本文从地震勘探、电法勘探、电磁法勘探、层析成像CT技术、综合测井技术等几个大类，介绍了水利工程地球物理探測技术发展现状与应用情况;介绍了物探技术在水利工程质量检测中的应用现状，并重点介绍了几项新技术新方法;结合目前的发展现状与关键问题，对水利工程地球物理探测技术发展趋势进行了展望。

1 水利工程地球物理探测技术发展现状

工程物探技术根据技术原理与工作模式，可以分为：地震勘探、电法勘探、电磁法勘探、层析成像CT技术以及综合测井技术等。每种技术大类都可以获取岩体、工程结构物的某些物性参数，从而实现地层结构、不良地质构造、工程岩体问题的探测。本节简要介绍各类工程物探技术的技术原理与发展现状。

1.1 地震勘探技术发展现状

地震勘探技术主要基于岩石等介质的弹性差异，根据地震波场理论，地震波在地下介质中传播时会遇到由于介质弹性差异形成的弹性界面，从而产生反射波、折射波、透射波和面波等，根据接收到的地震波的旅行时间、振幅、频率及地层速度等信息，研究地下介质的弹性分布情况，实现地质构造的识别与定位。

地震勘探相对于电法勘探发展时间较晚，虽然地震波场理论可以追溯到1660年发表的胡克定律，但是其正式应用与发展起始时间为1913年，Fessenden利用水中声波探测冰山。中国的第一支地震勘探队成立于1951年;随着技术的发展，地震勘探的记录道数不断增加，从1937年地震反射法的6～8道，发展到目前三维地震勘探的成千上万道;地震检波器从早期的电感检波器发展到现在的压电检波器、数字检波器等;地震震源也从常规的炸药震源、重锤震源发展到目前常用的可控震源、电火花震源以及水中的空气枪震源等，种类丰富多样，满足不同的探测需求[3]。

在水利工程中，地震勘探技术主要应用于覆盖层探测、隐伏构造破碎带探测、软弱夹层探测、滑坡体探测、岩溶探测、库坝渗漏探测、防渗帷幕线探测、堤防隐患探测、水库淤积探测以及隧洞超前地质预报等方面[4-5]。图1为安哥拉卡卡电站采用的地震折射波法探测坝址区域地层结构。

1.2 电法勘探技术发展现状

电法勘探技术主要基于岩石等介质的电性差异，物性参数主要包括导电性、介电性、导磁性、激发极化性、自然极化性、压电性和震电性等，通过观测天然存在或人工建立的电场分布，研究地下介质的电性分布情况，从而实现地质构造的识别与定位。

电法勘探发展始于19世纪末，国外地球物理学者提出了电阻率法，并逐渐发展成熟。1920年，法国学者施伦贝尔热发现了激电效应，并由加拿大、前苏联等国学者开展深入研究形成了激发极化法。中国的电法勘探工作始于20世纪40年代初，利用电法勘探在金属矿区开展了相关试验工作。近年来，中国自主研发的电法勘探设备越来越多，包括直流电法仪、高密度电阻率仪、直流激电仪以及交流激电仪等，仪器设备的性能越来越高，已达到国际领先水平[6]。

在水利工程中，电法勘探技术主要应用于覆盖层探测、隐伏构造破碎带探测、滑坡体探测、岩溶探测、库坝渗漏探测、地下水探测、防渗帷幕线探测、堤防隐患探测、水库淤积探测以及隧洞超前地质预报等方面。图2为采用高密度电法探测山体坡积物。

1.3 电磁法勘探技术发展现状

电磁法勘探技术属于电法勘探的分支，根据发射场性质的不同，可以分为时间域电磁法和频率域电磁法，主要基于岩石等介质的导电性、导磁性和介电性的差异，根据电磁感应原理，通过观测电磁场的空间与时间分布规律，研究地下介质的电磁响应特征，从而实现地质构造的识别与定位。

电磁法勘探发展于20世纪初，1925年国外学者利用电磁剖面法探测金属矿。20世纪50年代，前苏联和法国学者建立了大地电磁测深法，用于探测地球深部的电性分布特征。1949年以来，中国的电磁法勘探得以发展，初期研究与发展了小功率瞬变电磁场法、地下电磁波法、大地电磁测深法等。目前，瞬变电磁法、音频大地电磁测深法、可控源音頻大地电磁测深法、探地雷达法以及电磁感应法等大量新技术广泛应用于工程勘察与检测中[7]。

在水利工程中，电磁法勘探技术主要应用于覆盖层探测、隐伏构造破碎带探测、滑坡体探测、岩溶探测、库坝渗漏探测、地下水探测、防渗帷幕线探测、堤防隐患探测以及隧洞超前地质预报等方面。图3为云南省滇中引水工程大地电磁测深法探测引水线路隐伏构造及断裂带。

1.4 层析成像CT技术发展现状

层析成像技术是借鉴医学CT，以波的透射原理为基础，根据射线扫描，对所得到的信息进行反演计算，重建被测范围内岩体弹性、电性分布规律的图像，从而实现推断目标地质体结构和形状的地球物理手段。根据所使用的地球物理场的不同，层析成像又分为弹性波层析成像、电磁波层析成像、电阻率层析成像等。

19世纪初期，数学家 Radon 提出了Radon变换，奠定了层析成像的数学理论基础。20世纪50年代，前苏联科学家首先对波场幅值及相位的理论进行较为系统的研究及应用，打下了井间CT应用的基础。80年代，G.McMachan首次提出了井间层析成像的概念，随后该方法在美国得到了迅速发展，方法原理越来越完善。90年代初，中国以吴律为代表的研究人员首先引进了井间层析成像理论与技术，开展了射线理论和波动理论反演研究工作[8]。

在水利工程中，层析成像技术主要应用于覆盖层探测、库坝渗漏探测、岩溶探测、库坝渗漏探测、堤防隐患探测以及防渗帷幕线探测等方面。图4为乌东德水电站采用地震CT技术探测大型岩溶。

1.5 综合测井技术发展现状

综合地球物理测井技术涵盖了大部分地面地球物理技术方法，以地下空间不同岩石的各种地球物理物性差异为基础，通过对应的地球物理方法，连续观测、测量相应地球物理物性参数的变化规律，从而实现地质构造的识别与定位。

现代意义的地球物理测井技术始于1927年，法国学者利用电阻率测井进行地层岩性对比;1942年G.E.Archie提出了阿尔奇公式，定量表述了纯地层条件下的电阻率、孔隙度和含水饱和度之间的关系，并应用于储层评价。20世纪60年代末，综合测井技术的采集方式逐步由模拟方式向数字方式过渡。90年代，测井技术逐渐朝成像测井方向发展。目前，综合测井技术种类繁多，主要包括：① 电法类，如视电阻率测井以及感应测井等;② 电化学性类，如自然电位测井等;③ 弹性波类，如声波以及地震测井等;④ 核测井类，如自然伽马测井以及中子测井等;⑤ 成像类，如钻孔全景数字成像、微电阻率成像测井以及核磁共振成像测井等;⑥ 其他类，如井径测井、井温测井以及井斜测井等[9]。

在水利工程中，综合测井技术主要应用于覆盖层探测、隐伏构造破碎带探测、滑坡体探测、岩溶探测、堤防隐患探测、地下水水位监测、地下水污染监测、水库坝基岩石力学参数测定及评价以及水利工程质量检测等方面。图5为乌东德水电站采用的钻孔声波、全景数字成像综合测井。

2 物探技术在水利工程质量检测中的应用

随着三峡工程等水利工程的建设，水利工程地球物理探测技术逐渐由地质勘察向工程质量检测方向发展，在水利工程质量控制环节中发挥着至关重要的作用。通过物探检测“透视眼”技术，能够精准查明工程内部情况，找出质量缺陷、消除安全隐患、保障工程质量，发挥着缺陷判断、质量验收与预警警示作用。目前，水利工程地球物理探测技术在质量检测中应用广泛，本节将着重介绍几项物探质量检测关键技术。

2.1 混凝土质量高精度检测技术

水利工程中涉及的混凝土结构众多，包括地下厂房、输水隧洞、渡槽、倒虹吸、箱涵、闸室、混凝土面板等，混凝土施工质量直接关系到水利工程的整体施工质量，一旦混凝土存在结构缺陷，包括裂缝、脱空、不密实、强度不足、钢筋分布不符合设计要求、保护层厚度不足等，将严重威胁水利工程的运行安全。目前，常用的混凝土质量检测技术包括探地雷达法、脉冲回波法、声波法以及超声横波反射成像技术等。

超声横波反射成像技术是一项近年来新发展的混凝土质量高精度检测技术，具有干耦合、阵列发射、超声横波反射、合成孔径聚焦成像四大特点，能够用于混凝土质量检测，精度可达毫米级[10]。图6为南水北调工程采用超声横波反射成像技术检测隧洞衬砌混凝土脱空示意。

2.2 堆石体密实度检测技术

传统土石坝堆石体密实度检测一般采用坑测法，需要人工进行挖坑，检测效率低，且采样具有随机性，不能反映整个土石坝的堆石体密实度分布情况。目前常用的堆石体密实度检测技术包括：附加质量法、核子水分-密度法等。

附加质量法相对于传统坑测法，具有检测效率高、无损检测、成本低等特点，能够及时反馈堆石体质量缺陷，从而实时控制施工填筑质量[11-12]。图7为四川省两河口水电站采用附加质量法检测土石坝三维堆石体密实度示意。

2.3 数字钻孔技术

在水利工程勘察与检测过程中，需要进行大量的地质钻孔或混凝土取芯，但是由于实物岩心存在取样、运输、存储以及管理等方面的不便，数字钻孔技术显得尤为重要。

数字钻孔技术利用钻孔高清录像、声波等技术获取钻孔岩体信息，利用孔壁图像与实物岩芯的耦合原理，形成数字岩芯代替实物岩芯，能够有效解决上述问题，成果形象、直观[13]。图8为乌东德水电站采用数字岩芯技术获取钻孔岩芯三维体示意。

2.4 高分辨率层析成像CT技术

水利工程中利用地表和单钻孔中的物探勘察技术只能对工程质量问题进行较粗略的识别与定位，特别是针对岩溶等复杂地质问题，往往需要在初步的物探成果上，在异常区附近施作多个钻孔，利用高分辨率层析成像CT技术了解钻孔之间的地质问题。

高分辨率层析成像CT技术利用高灵敏度的物探检测设备以及优良的成像算法，可实现对工程质量缺陷、岩溶等地质构造的精确定位[14]。图9为武汉市地铁工程采用高分辨率电磁波CT技术精确定位地下溶洞示意。

2.5 库坝渗漏精细探测技术

目前，中国已建成的各类水库、大坝近10万座，但随着水库、大壩的长年运营，一些水库出现渗漏等安全隐患。库坝渗漏精细探测技术在库坝安全运营过程中起着至关重要的作用[15]。

磁电阻率法是一种新型的水库大坝渗漏通道快速探测技术，该技术具有三维无损探测、探测效率高、探测深度大、定位精度高等特点，有效地弥补了传统渗漏探测技术的不足。图10为江西省高泉水库采用磁电阻率法获取渗漏通道三维分布情况。

2.6 堤防隐患检测技术

目前，中国已建成堤坝总里程数超31.2万km，堤防在长期服役过程中，受到水位涨落、气候剧变、地质灾害等影响，可能会产生渗漏、破损、甚至溃堤现象，严重威胁堤防及周边安全。

目前常用的堤防隐患检测技术包括：面波法、电测深法、电剖面法、高密度电法、激发极化法、探地雷达法、瞬变电磁法、伪随机流场法，各种方法都有其优势与特点，在堤防隐患检测中扮演着重要的角色[16]。图11为南水北调工程堤防段采用高密度电法探测堤防隐患示意。

2.7 隧洞超前地质预报技术

隧洞超前地质预报工作是保障隧洞施工安全的前提。特别是深埋长隧洞，由于前期勘察的局限性，难以查明隧洞沿线的所有地质风险，通过以物探技术为主的综合超前地质预报手段，能够较精细地探明隧洞掌子面前方的断层、裂隙、溶洞、地下水等不良地质条件，为隧洞风险处置提供可靠依据。

目前，按照探测距离，隧洞超前地质预报技术可分为：①长距离预报技术，以地震波法为主，例如TSP，TGS，TRT，TGP等技术;②中距离预报技术，以瞬变电磁法为主要代表;③短距离预报技术，包括地质雷达法、聚焦激发极化法等[17-18]。图12为云南省滇中引水工程采用TGS技术探测隧洞前方溶洞示意。

2.8 综合管网探测技术

随着城市水利工程建设速度加快，查明水利工程布置与现有地下管网的空间位置关系对保障勘察、施工期作业安全及减少设计变更至关重要。城市地下管网复杂，具有埋深变化大、材质、管径种类多等特点，综合管网探测一般采用多种地球物理勘察技术进行。

目前，常用的综合管网探测技术包括：感应电磁法、高密度电阻率法、探地雷达法、主动源面波法等。其中，感应电磁法、高密度电阻率法以探测电缆、金属类管线为主，探地雷达法、主动源面波法以探测非金属管线为主。图13为采用探地雷达法探测地下管道示意。

3 水利工程地球物理探测技术发展趋势

今后，水利工程地球物理探测技术的发展面临着较大挑战：① 由于地球物理探测技术本身还存在较多的技术难题亟待突破;② 水利工程对勘察与检测的精度要求也越来越高。水利工程地球物理探测技术需要随着水利行业和物探技术的发展，不断完善、提升与突破，发挥自身高效、无损、高精度的优势，完成水利工程质量控制任务。

3.1 三维探测与建模分析技术

三维设计是水利行业发展的主流方向与必然趋势，但是目前由于技术所限，水利工程物探工作还是以一维和二维探测为主，探测成果也是以一维波形与二维剖面展示为主，三维探测技术还处于起步与发展阶段，大多数技术尚未实现真三维探测，不符合水利行业未来发展趋势。同时，目前的物探成果展示也只是以工作布置图加二维成果剖面的展示为主，不便于成果的理解与分析，缺少对探测目标或者区域的建模分析。因此，地球物理探测技术的三维探测与建模分析是未来发展的主流方向。图14为物探三维探测与建模分析技术示意。

3.2 空中高效物探技术

水利工程特别是引调水工程，存在工程线路长、地形地貌复杂、勘察工期紧等特点，常规的地面勘探技术在地势复杂的山区探测效率较低，特别是在陡崖和植被茂密处，开展地表物探工作难度极大。近年来，航空（地空）物探技术有所发展，具有探测效率高、不受地势影响等优势（图15）。该技术依然还处于起步阶段，存在探测精度低、无人机续航差等特点，无法完全满足水利工程线路勘察的需求。因此，空中高效物探技术也是未来水利工程地球物理探测技术的发展重点。

3.3 水域物探勘察与检测技术

目前，水利工程对水域勘探的需求越来越大，从水下地层结构探测到河湖采砂探测，淤积层厚度探测、水下地形探测再到库坝水下渗漏探测，以及过水隧洞运营期质量检测等。但是，水域物探勘察与检测技术还处于起步阶段，不像地表和孔中物探技术已经发展到相对成熟的阶段。目前已发展有水上地震、水上电法、浅剖、水下机器人等技术（图16）。但是，这些技术都具有一定局限性，受外界检测环境影响较大，例如水上地震技术受水深、淤积层厚度和震源等因素影响。因此，水域物探勘察与检测技术还需要开展进一步的研究工作。

3.4 时移物探监测技术

水利工程运营期安全监测工作是保障水利工程运营安全的基础。时移物探监测技术则是一项新兴的安全监测技术，通过在不同时间对目标体进行物性参数的采集，观察与分析物性参数的变化特征，从而实现对目标体安全隐患的识别。例如堤防工程，可以通过时移物探监测技术获取其波速和电阻率等物性参数随时间的变化，实现对堤防的安全隐患进行实时监测，有效避免渗漏、溃堤等安全事故发生。因此，作为水利工程安全运营基本保障的时移物探监测技术亟待大力发展。图17为三维地震堤防时移物探监测技术示意。

3.5 物探智能检测技术与装备

智能化是科技发展的趋势、更是科技进步的体现，水利工程地球物理探测技术也是一样，需要不断朝智能化这个大方向发展。目前，一些学者已经开始了相关研究工作，将智能算法加入到物探的数据处理与解译分析过程中，同时，越来越多的智能物探检测机器人也开始开展相关试验工作。通过物探智能检测技术与装备能够显著提升检测效率，同时减少人为误差，特别是高空作业或者水下作业时，智能检测装备的优势更加明显。因此，在水利行业的发展中，物探智能检测技术与装备的研究和发展必不可少。图18为探地雷达智能检测装备。

4 结 语

地球物理探测技术作为水利工程勘测的重要手段，在水利工程建设中发挥了不可替代的作用。通过地球物理探测“透视眼”技术，能够高效、无损、精准地查明岩体或者工程内部情况，找出不良地质构造与工程质量缺陷，在水利工程质量控制环节中发挥着缺陷判断、质量验收与预警警示作用。

目前，物探勘察、检测与监测技术的服务范围已覆盖了水利工程建设的全生命周期，从前期地质勘察探测地层结构与地质构造，到施工期检测工程结构缺陷与状态，到工程运营期进行工程健康诊断与物探安全监测，地球物理探测技术都发挥了重要作用并不断取得了新进展。

水利工程地球物理探测技术未来的主要发展趋势与方向包括：① 三维探测与建模分析技术;② 空中高效物探技术;③ 水域物探勘察与检测技术;④ 时移物探监测技术;⑤ 物探智能检测技术与装备。面对水利工程发展的机遇与挑战，地球物理探测技术也会不断进步与完善，向“更全、更快、更准”的方向发展。

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（编辑：李 慧）