堤坝白蚁巢穴探测技术的现状和展望

邓 刚，李维朝，张茵琪，侯伟亚，黄 昊，严 俊，程森浩，陈 康

（中国水利水电科学研究院，100038，北京）

千里之堤，溃于蚁穴。我国现有水库大坝超过9万座，5级及以上堤防超过30万km，绝大多数为土石结构。土石堤坝及其周边环境土壤适宜、水源充足、食料丰富，为白蚁提供了良好生存生活环境。白蚁在堤坝上筑巢、修道、繁殖，形成复杂洞穴结构，破坏堤坝结构完整性，极易诱发渗漏、跌窝等险情，严重的甚至会造成垮坝、崩堤等事故，给我国堤坝安全运行带来重大风险隐患。

无论巢穴中蚁群是否存活，堤坝中存在的白蚁巢穴和蚁道都是堤坝安全的严重威胁。探测到隐蔽巢穴的位置并采取挖除或灌浆等措施进行处置，是解决白蚁危害的关键途径，越早处置越有利。白蚁巢穴埋置于堤坝坡面以下，位置、大小与泥被和泥线、分群孔等地面指示物的关系变异性大，如非发现鸡枞菌或炭杆菌等连接浅层巢穴的指示物，常难以准确探测巢穴，制约了进一步处置。

国内外学者考察了白蚁巢穴的特征，开展了大量探测方法研究，为白蚁巢穴探测技术的突破积累了经验。本文分析了国内外堤坝白蚁巢穴探测技术的物理基础，根据探测手段类别介绍了各探测技术的现状和前景，以期为进一步的发展和突破提供借鉴。

一、堤坝白蚁巢穴的一般特征

白蚁是一类古老和低等的社会性昆虫，群居、趋暗、趋湿、趋温、敏感、喜好清洁且有严格分工。白蚁常以干枯植物、活体植物或真菌为主要食物，一些种类的白蚁与以鸡枞菌为代表的真菌共生。

我国堤坝白蚁主要危害种类包括白蚁科土白蚁属、大白蚁属及鼻白蚁科乳白蚁属等，种类较多，如土栖的黑翅土白蚁、黄翅大白蚁、囟土白蚁、海南土白蚁及土木两栖的台湾乳白蚁等。堤坝中白蚁巢穴多分散分布于堤坝的坡面下、浸润线以上的土壤中，除蚁王、蚁后居住的主巢外，还有一些独立副巢（腔室）和连接主巢、副巢及通向外部的蚁道（图1）。

图1 白蚁巢穴在堤坝顶部的分布示意

白蚁巢穴具有很强的物种差异，不同种类白蚁的巢穴呈现出不同的形式和结构特征，且随巢龄不同存在持续变化。

从形式上看，白蚁巢穴一般随蚁群初建、成长到衰亡呈从单腔到多腔、从简单到复杂的发展过程。幼年巢经超过5 年的发展，形成熟巢后才开始产生分群孔，巢内有翅成虫经分群孔或其他蚁路出口向外移殖，飞翔超过100 m，并在雌雄配对后再次入土建筑新巢。从结构上看，巢体结构随巢龄发展阶段不同也存在差异。幼年巢一般为单腔，主巢中蚁王、蚁后直接居住在菌圃之下；以后菌圃下部被工蚁蛀空，形成一个小腔室供蚁王、蚁后居住；再往后才形成生化土围护起来的王室。成年巢中，生化土框架高度发育，王室直接建在王室菌圃腔中间的泥质框架内部，上部、周边有不同数量的卫星菌圃腔。进入老年期，菌圃多数萎缩，主巢上部形成大空腔，下部各室的菌圃一般最多充满半个腔室，这个时期的主巢、副巢均不饱满，一般又大又空。从尺寸上看，巢体直径一般随巢龄增长而增大。巢龄小于5年的幼年巢直径多小于0.25 m，巢龄大于20年的成年巢主巢直径可达1.0 m。

从组成上看，主巢包括菌圃腔（由生化胶结土框架和质轻多孔的海绵状菌圃组成）、空隙（空气流通和交通通道）和王室（由生化胶结土厚壳和内部空间组成的扁形相对封闭盒状物）等三个部分；副巢则仅包括菌圃腔和空隙两个部分。各主要组成部分如图2~4所示。

图2 白蚁巢穴中的菌圃腔

图3 白蚁巢穴中的生化胶结土框架

图4 白蚁巢穴中的王室和空隙

从材料组成上看，白蚁巢穴中的生化胶结土主要由细粒土、白蚁粪便和唾液组成，其中细粒土主要包括粒径小于0.01~0.05 mm的粉粒和黏粒。生化胶结土的钾、钙、镁、钠等无机物和有机物含量均显著高于巢外土体。根据国内报道，巢穴生化土框架的土粒粒径均小于巢外土壤，但不同白蚁对营巢位土壤的选择倾向有一定差异。如黑翅土白蚁巢位的营巢位（巢外）土壤质地较粗，砂粒含量略高；黄翅大白蚁营巢位土壤质地较细，细粒比例更高。

从材料状态看，白蚁巢穴中的生化胶结土格外致密，密度显著高于巢穴周边土体，天然密度多超过1.5×103kg/m3；巢穴整体潮湿，含水量高于周边，生化胶结土较为湿润，天然含水量达25%左右，菌圃含水量极高，多超过130%。生化土一般呈酸性，pH值多在4.0左右。

巢体内部二氧化碳、蚁酸含量显著偏高；巢体内温度、湿度相对保持稳定，一般均高于周边土壤。

从上述分析可见，一方面，白蚁巢穴与周边土体相比确实存在材料特性的明显差异；另一方面，主巢、副巢内部结构都呈致密—疏松、硬—软、潮湿—相对潮湿交互分布，巢穴结构和材料特征、巢室内充盈程度、生化胶结土材料与周边土体关系随白蚁种类、巢龄、周边土体等变化较大。因此，巢体的平均物探参数（介电常数、电阻率、波速等）与周边土体的关系并不明确，可识别度存在较高的变异性，导致白蚁巢穴的探测存在较高的技术难度。可以预期，充盈程度低的老年巢和死巢，在菌圃高度萎缩、出现大量空洞后，与周边土体的关系明晰化，可探测性应高于其他龄期巢穴。

也正是上述原因，尺寸更小的獾、鼠、狐等的洞穴，因结构和材料简单均匀——仅是土体中的空隙，洞穴平均物探参数与周边土体关系明确，识别难度反而低于内部不均匀而变异性大、尺寸也更大的白蚁巢穴，只是因洞穴尺寸较小，受探测方法的最小分辨率影响较为明显。中国水利水电科学研究院在漳卫南运河典型堤段的测试表明，浅层獾洞在物探图像上有明显体现。

二、堤坝白蚁巢穴探测技术的物理基础和分类

探测一般包括四种功能，即识别、测量、定位和检测。白蚁巢穴探测中较关心目标物即巢穴（特别是主巢）的识别和定位，其中核心是识别。是否能探测到，即方法可实现性是白蚁巢穴探测中最核心的问题，而白蚁巢穴探测中常说的“精度”，更多体现的是最小可识别能力，而不是测量或检测的精度。

按照是否对堤坝结构造成较大破坏，堤坝白蚁巢穴探测技术可分为有损探测和无损探测；按照是否将设备探入堤坝土体、洞室内部，可分为介入式探测和非介入式探测；按照是否将巢穴本体即主巢或副巢作为探测对象，可分为间接探测和直接探测。有损探测的典型方法是锥探法，破坏性大且效率低。介入式探测的典型方法是自蚁道孔口向内进行管道内窥，因蚁道曲折难以深入主巢。间接探测的典型例子之一是通过分群孔孔口推测主巢位置，由于分群孔孔口与主巢位置间关系复杂，应用较少；通过蚁酸、二氧化碳浓度差异探测蚁道出口，并间接推测主巢位置的方法，也因类似原因较少采用。

无损、非介入的直接探测方法不对堤坝结构造成损伤，效率更高，且对普查等环节依赖性小，是近年白蚁巢穴探测的重点研究方向。根据探测方法中所测定物理场的激发方式（天然源物理场，简称天然场；或人工源物理场，简称人工场），探测目标物指示信息的来源（目标物对外加信号的非自主响应如反射、折射等，或目标物自主对外释放的源发信号），探测设备是否发出信号（主动式探测或被动式探测），可以将白蚁巢穴探测技术分为人工场非自主响应主动式探测技术、天然场非自主响应被动式探测技术、天然场自主源被动式探测技术等三大类。

人工场非自主响应主动式探测技术采用专门仪器主动激发媒介信号，向探测场地施加、从探测场地接收特定媒介信号，如电磁波、电流、弹性波等，利用接收信号体现出的不同材料非自主响应中的物探参数差异，识别和定位探测目标。该类技术常用方法共有6 种，包括以电磁波为媒介、以介电常数为基本物探参数的探地雷达法（a）；以电流为媒介、以电阻率为基本物探参数的电阻率法（b）；以电磁波（发送）和电流（接收）为媒介、以电阻率为基本物探参数的时间域电磁法，即瞬变电磁法（c）和频率域电磁法（d）；以弹性波为媒介、以弹性波（瑞利波）波速为基本物探参数的面波法（e）；以弹性波为媒介、以弹性波（体波）波速为基本物探参数的声波散射法（f）。

天然场非自主响应被动式探测技术采用专门仪器被动接收探测场地中透射出的特定媒介物理信号，同样，利用不同材料非自主响应过程中的物探参数差异识别包括探测物在内的物理场中的不均匀因素。当前常用方法共两种，包括以弹性波（S 波）波速为基本物探参数的微动探测法（g）、以波阻抗为基本物探参数的地震频率谐振法（h）。

天然场自主源被动式探测技术采用专门仪器被动接收探测场地中透射出的特定媒介物理信号，利用探测目标即巢穴的自主源发信号与周边区域的物探参数差异直接识别和定位探测目标。主要包括两种方法，以弹性波（声波）为媒介、声强为基本物探参数的声波脉冲探测法（i），及以电磁波为媒介、辐射波长为基本物探参数的温度热辐射探测法（j）。

上述方法的物探技术基础和分类详见图5。通过含水量、蚁酸和二氧化碳浓度等测试搜索蚁巢的方法，应用较少，未列入上述分类。

图5 现有探测方法技术的物理基础和分类

三、堤坝白蚁巢穴探测技术的发展

1. 人工场非自主响应主动式探测技术

典型的人工场非自主响应主动式探测技术包括探地雷达法、高密度电阻率法、面波法等，基本都以所测的物理场命名。

（1）探地雷达法

探地雷达法发送并接收电磁波，通过巢穴与周围土体的介电常数差来识别和定位巢穴。涉及探地雷达法的关键基本物理参数包括电磁波的频率、特定电磁波在材料中的波速以及材料的介电常数。

探测目标与周边材料的介电常数差异是探测有效性的基础。前已述及，白蚁巢穴介电常数与周边土体关系变异性大且对该关系的研究尚不多，是探地雷达法在白蚁巢穴探测中应用效果不确定性大（识别度不足）的主要原因。理论和实践表明，通过相邻环境已探测成果反演或直接测量方法提前获知土体电磁波波速，估算介电常数，采用多种物探方法、物探结果和数值分析综合比对辅助判断，是改善识别度的重要方法。

电磁波频率决定了探测深度和精度（最小可识别尺寸）。与其他基于波的传播理论进行探测的方法类似，频率越高，衰减越快，则有效探测深度越小；衰减程度与传播土体的种类、状态等都有关系；加大功率、降低频率，可在一定程度上增大探测深度。相同波速情况下，频率越高，则波长越短，识别精度越高。探测精度为深度的1/10 是上述规则的一个经验性描述。已有研究认为，对特定土体，300 MHz 主频雷达探测深度为5 m左右，可探测出直径25 cm以上蚁巢，在特殊情况下甚至可测出更大蚁道，但对更小的蚁巢（幼龄巢）探测比较困难；500 MHz 主频分辨率高，但探测深度浅（1～2 m）。河南省白龟山水库管理局开展的探地雷达探测工作，也证明了上述经验规则，天线频率越高，探测深度越小。与其他物探方法相比，探地雷达测线连续、即扫即走、效率更高，受地形和气候影响相对较小，但受堤坝含水量、场地平整度等影响较大。

（2）高密度电阻率法

电阻率法发送和接收电流，通过白蚁巢穴与周边土体的电阻率差异来识别和定位巢穴，高密度电阻率法是其中较常用的方法。由于白蚁巢穴含水量较高（无论生化土框架还是菌圃），预期电阻率可能较低，在周边土体不太潮湿的情况下识别效果较好。虽目前尚不掌握白蚁巢穴实际电阻率特征，但关于该方法能够实现水库大坝和堤防中的白蚁巢穴探测已有较多报道。联合采用数值计算和物探方法，可以更好达成解译目标。与探地雷达法相比，高密度电阻率法存在仪器布设繁琐、探测时间长、效率较低、结果解译复杂等短板。

（3）面波法

面波法通过白蚁巢穴与周边土体可能的面波波速差异进行巢穴探测，在一些案例中也取得了良好效果。如云南省勐邦水库主、副坝和安徽省定远县青春水库，在波速不均匀体附近，波的同相轴会发生分叉等现象，还可观察到绕射特征形成“眼状”异常。

2023年，中国水利水电科学研究院在存在白蚁危害的长江支流典型堤段，组织开展了探地雷达法、高密度电阻率法等多种探测技术的现场测试。测试成果和既有研究成果表明，采用单一上述技术，在不预先测定波速等物理参数的基础上直接探测特定物探参数分布，将局部高值区或低值区判别为巢穴，虽在一定条件下可探测到白蚁巢穴，但不确定性较高。此外，这些探测技术多针对有限测线所在的单一竖向剖面开展，解译工作量大，对于表面积、体积规模巨大的堤坝而言，覆盖面小、效率较低。

通过引入临近环境的测试成果或室内测试结果等，提前获知介质传播速度等基本物理参数，并联合其他物探方法及数值计算方法，是改善探测效果的有效手段。此外，充分研究白蚁巢体结构和材料特征及与综合物探参数的关系，考察不同类型、状态营巢环境土体的物探参数特征，明确待测目标与环境土体的物探参数分布特征，构建识别的广义图谱，也是改善探测识别性能的重要途径。

2.天然场非自主响应被动式探测技术

典型的天然场非自主响应被动式探测技术包括微动探测法（g）和地震频率谐振法（h），其信号源均为土体中存在的天然弹性波场微动信号。微动探测法通过微动信号中的面波频散特征，进行反演获得地下剪切波速度分布；地震频率谐振法利用测得的剪切波谐振频率对地下介质波阻抗变化的敏感性来完成地下一定深度的地质体成像。与人工场的主动式探测方法相比，天然场非自主响应被动式探测技术在有效利用天然振动噪声的同时规避了噪声的不良影响，可以识别剪切波速和波阻抗的不均匀分布，预期可实现白蚁巢穴的探测。和前述人工场非自主响应主动式探测技术类似，经中国水利水电科学研究院组织的现场测试发现，该类方法也具有相当的不确定性。通过室内测试等方法预先掌握巢穴和周围土体的剪切波速、波阻抗（谐振频率）等的差异，与数值计算反演等方法联合，可能是取得更好探测效果的途径。

3.天然场自主源被动式探测技术

天然场自主源被动式探测技术中较为典型的是声波脉冲探测法和温度热辐射探测法。基于温度场的温度热辐射探测法的探索目前更多集中在原理层面。声波脉冲探测法在木白蚁的探测中应用较早，是一种较为成熟的探测技术。白蚁活动如进食、挖巢、交流和报警等会产生特定的声信号，土栖白蚁产生的声波信号频率较低，传播过程中能量吸收较少、衰减较慢，传播距离长，障碍突破能力较强。利用声频传感器感知声波，经放大和解译后可用于快速识别和定位，在堤坝土栖白蚁探测中预期有较大应用前景。声波探测方法面临的主要技术难题是降噪和传播不确定性误差控制。通过传感器感知到的声波中可能含有较多背景噪声，是影响基于声波探测技术的重要因素，而定位误差则主要来源于探测目标与各路传感器间传输路径上的波速变异性。

四、结 语

本文分析了堤坝白蚁巢穴的一般特征，根据探测信号来源、探测方式等对既有探测技术进行了分类，探讨了各类探测技术现状，提出了对发展方向的思考。

白蚁主巢、副巢内部呈致密—疏松、硬—软、潮湿—相对潮湿交互分布，巢穴结构和材料特征、巢室内充盈程度、胶结土框架材料与周边土体关系随白蚁种类、巢龄、周边土体不同而变化较大，是白蚁巢穴难以准确探测的主要原因。既有的基于探测目标非自主响应的主动或被动式探测技术，都以特定物探参数不均匀分布为基础，虽在一定条件下可探测到白蚁巢穴，但不确定性仍较高，效率较低。为切实提高白蚁巢穴探测的准确性和效率，建议从以下路径入手加快开展研究：

①综合既有物探参数数值测试、多种物探方法与数值计算，形成改良技术。引入波速、介电常数等实测物理参数数值，并联合数值计算方法及其他物探方法，改善现有技术的探测效果。

②构建基于物探参数特征的广义识别图谱，从根本上提高探测确定性，建立高确定性探测方法。充分研究白蚁巢体材料特性和结构特征与综合物探参数的关系，考察不同类型、状态土体的物探参数特征，构建识别的广义图谱，提高探测技术的识别确定性。

③探索基于白蚁及其巢穴生物学特征的感知定位方法，提出新型快速实用探测技术。考虑白蚁及其巢穴的生物学特征，利用白蚁巢穴发出的声波、辐射光谱并解决降噪、误差控制等技术难题，实现快速实用探测。