高密度电法在水利工程中的应用进展研究

林悦奇，袁明道，徐云乾，李思平，史永胜，张旭辉

(1.广东省水利水电科学研究院，广州 510635；2.河口水利技术国家地方联合工程实验室，广州 510635；3.广东省山洪灾害突发事件应急技术研究中心，广州 510635)

1 概述

高密度电法(High-Density Electrical Method，HDEM)是一种电性测深方法，通过在地下注入电流并测量地下电场来获取地下介质的电性结构。HDEM技术具有高精度、非侵入式、多参数探测等优势，在地质勘探、矿产勘探、环境调查、水利工程等领域得到了广泛应用[1-5]。

高密度电法的研究起源于20世纪60年代末期，当时主要应用于地质勘探和矿产勘探领域。随着电子技术和计算机技术的发展，HDEM技术的测量、数据处理和成像方法不断得到改进和完善[6-9]。近年来，随着水利工程建设的不断推进和技术手段的持续提升，高密度电法已经成为水利工程勘探的重要手段之一，可用于地下水资源勘探、岸坡稳定性评估、土石坝监测等方面。随着技术的不断进步，高密度电法的应用领域还将不断扩大，对于加强水利工程日常运行管理和安全监测具有重要的意义。

2 高密度电法在水利工程中的应用情况

高密度电法原理是利用不同地下介质电性结构差异，通过地下介质视电阻率来反映地下介质空间分布情况，常见的地下介质视电阻率统计见表1所示。

表1 常见地下介质视电阻率[10-26]

目前，高密度电法在水利工程勘探和监测中，主要应用于以下几个方面。

1)地下水资源勘探

随着城市化进程的加速和人口增长，地下水资源已经成为城市和农村饮水的主要来源之一。张建峰等[10]综合利用电阻率测深法、高密度电阻率法和激发极化法进行潜层地下水的探测，对这些方法的实测数据进行反演，较好地圈定潜水层的基本范围，其中测深法和激电法的勘探结果更加精确，而高密度电法对地层的刻画更直观。张加刚等[11]利用高密度电法对内蒙古西部地区干旱少水开展地下水资源勘探工作，通过反演获得地下水资源分布情况，并通过地质钻孔进行了验证，钻探结果与探测结果互相印证，证明高密度电法可以快速对地下水资源分布情况进行探测。高密度电法可以在较短时间内获取地下介质的电性结构信息，从而精确地划分地下水层的空间分布和厚度，为地下水的勘探和管理提供重要的参考依据(见图1～图2)。

图1 地下潜水层视电阻率示意，潜水层视电阻率20～30 Ω·m[8]

图2 地下水资源空间分布视电阻示意，富水区视电阻率15～40 Ω·m[11]

2)水利工程稳定性评估

一些水库大坝、堤防等工程在长期使用过程中，存在土体松散、破坏等安全隐患[12-13]。宋朝阳等[14]通过数值模拟论证高密度电法在堤防稳定探测中运用的可行性，用以检测土体中不同层位的电阻率变化，从而判断土体的稳定性和破坏状态，为工程的安全运行提供依据。谭彩等[15]使用高密度电法和地质雷达法对堤段稳定性进行探测评价，通过对比分析电阻率数据变化，查明堤段隐患部位，为堤防稳定性评估提供数据支撑。徐云乾等[16]利用高密度电法对坝肩渗漏进行探测，查明坝肩渗漏隐患分布情况，为大坝稳定评估提供依据(见图3～图4)。

图3 桩号K0+615形成集中渗漏通道，视电阻率2.18～4.45 Ω·m[13]

a 大坝坝肩绕渗探测结果

b 坝体中部集中渗漏通道探测结果图4 坝体渗漏隐患典型视电阻率示意[16]

3)水利工程渗流监测。

堤坝是水利工程中的重要组成部分，为确保其安全运行需要进行定期监测。林悦奇、杨文滨等[17-18]总结了常见隐患对应的视电阻率参考值，使用高密度电法对大坝浸润线进行探测，比与测压管实测浸润线对比，证明高密度电法在堤坝渗流监测中应用的可行性。刘晓等[19]通过建立两组典型的堤坝渗漏地电模型，结合正演模拟分析其响应特征，将视电阻率拟断面图和反演结果结合分析，可以排除一些假异常干扰，提高对目标体的识别。在对某大坝的渗流异常监测中，结合实测资料拟断面图和反演结果，通过对低阻异常体的连续追踪，推断出异常渗流的原因及渗漏通道的位置。高密度电法可以通过监测土石坝周围地下介质的电性结构变化，判断土石坝是否出现渗漏或破坏，为土石坝的安全运行提供依据[20]。孙卫民等[21]通过时移高密度电法对洪湖长江干堤的险工险段进行了长期监测，时移探测技术突破了原有的一次性检测理念，将探测目标从单一的研究地质缺陷转换到对隐患的全生命周期的动态监测，实现了堤防隐患探测方法的精细化，是堤防隐患探测技术的创新(见图5)。

图5 长江干堤时移高密度电法探测结果示意[21]

3 高密度电法在水利工程中的优势与局限

3.1 高密度电法探测的优势

1)无损探测。高密度电法无需在地面上开挖大型钻孔或者安装传感器，可以实现非侵入性勘测，与传统钻探探测相比，避免对水利工程的有损破坏。

2)高效灵活。高密度电法可适应不同的勘测环境和勘测目的，可在不同的介质、深度和范围内进行勘测，具有较高的灵活性；且探测速度快，可在短时间内获取大量的数据，从而实现对地下介质的全面勘测和分析。以一座坝高30 m的大坝为例，从布线到探测完成只需要3～4 h，当天即可完成数据分析处理。

3)可重复，时移对比分析。高密度电法的勘测数据可以在相同运行工况或者不同的运行工况下进行多次测量和分析，具有较高的可重复性和可对比性。通过对多次测量数据的比对和分析，可以更加准确地判断地下介质的电性结构变化。

可见高密度电法在水利工程中具有非常突出的优势，可以为水利工程的管理和维护提供高精度、高效率、经济性的技术支持。

3.2 高密度电法探测的局限性

1) 数据解释复杂(多解性)。高密度电法获取的数据比较复杂，需要对数据进行综合解释，包括数据处理、模型反演、地质解释等，需要专业的技术人员进行处理和分析。当水库大坝处于正常蓄水位时，探测到低阻异常的区域通常是渗流隐患所在部位；当水库处于低水位或死水时，渗流隐患部分由于坝体内部浸润线下降，土体孔隙水消散，此时渗流隐患部位表现为孤立高阻异常。如穿堤涵管、孤立的大块石或处于无水状态下的渗漏通道在视电阻率云图上均反映为孤立高阻异常。因此数据的多解性需要技术人员结合工程特点进行解读分析。

2) 地质条件多样。水利工程的地质条件多样，地下介质的电性参数也会受到多种因素的影响，如土壤湿度、盐度等，这些因素可能导致勘测数据的误差和偏差，需要对勘测数据处理和结果分析等方面进行有效的误差控制和精度评估进行精细分析。

3) 仪器设备要求高。高密度电法的仪器设备需要高精度、高稳定性，同时还需要有较强的适应性，能够在不同的勘测环境中进行工作，这对设备的研发和制造提出了较高的要求。高密度电法在施测过程中，影响探测结果的因素有以下几个：一是探针与地表土层接触是否良好，对于干燥的土层，探针与地表土层容易接触不良，导致电阻率偏高使数据失真，可在探针局部添加电解液改善探针与土体接触；二是探针与电极之间的接触，探针与电极之间接触不良会导致该处电阻率或者松动脱落会导致该处电压为零导致测点数据丢失，可重接电极后重新施测或人工剔除异常电阻值进行数据修正；三是高密度电法野外作业环境较差，受温度、雨水及灰尘等影响，施测电压不稳会导致测线结果失真，严重影响结果准确性，对高密度电法的主机设备及电源的稳定性提出了更高的要求。

因此，需要在技术和方法上不断进行创新和改进，以实现更加精准、高效的勘测结果。

4 高密度电法技术应用及发展趋势

随着技术的不断发展和应用的深入，高密度电法在水利工程中的技术发展趋势包括以下几个方面。

1)多物理场联合勘测

随着多物理场联合勘测的发展，高密度电法将会与其他地球物理勘测方法如探地雷达、地震勘探、重力勘探、磁法勘探等相结合，以获得更全面的地下信息。通过综合不同物理量的勘测结果，可以提高地下介质模型的精度和可靠性，为水利工程的设计和施工提供更加准确的地质数据。李宏恩等[22]提出了一种地面核磁共振法与高密度电阻率法联合探测堤坝渗漏隐患的思路和方法，验证了地面核磁共振法与高密度电阻率法联合探测堤坝渗漏隐患的可行性，该方法可为土石坝工程的安全诊断与应急处置提供技术支撑(见图6)。

图6 高密度电法多测线堤坝渗流隐患探测结果示意[22]

2)精细化勘测设计

在勘测设计方面，高密度电法将会更加注重勘测网格的密度和布局，以提高勘测精度和可靠性[3，23]。此外，高密度电法还将会采用更加先进的勘测仪器和技术，如三维电极阵列、多频段勘测等，以进一步提高勘测效率和精度。陈松等[24]通过高密度电法多剖面探测法对广州南沙厚覆盖区近地表地层结构分析，查明了勘测研究区覆盖层厚度空间分布特征并取良好效果(见图7)。

图7 高密度电法厚覆盖层厚度探测结果示意[13]

3)多尺度反演技术

在数据处理和结果分析方面，高密度电法将会发展多尺度反演技术，以克服地下介质的非均质性和复杂性。通过将勘测数据分为不同尺度进行反演，可以更好地刻画地下介质的空间变化规律，提高反演结果的可靠性和准确性。潘卫东等人[25-27]通过多尺度反演技术，通过剔除高阻值异常数据，增大阻尼系数和圆弧系数的方法进行反演，减少了地下空间异常电介质及噪声干扰影响，使反演模型的电阻率更平滑，从而有助于探测结果的精确解译，准确的判别地下空间溶洞分布情况(见图8)。

a 原始数据反演结果

b 剔除高阻值异常数据，增大阻尼系数和圆弧系数的方法进行反演图8 高密度电法地下溶洞探测多尺度反演结果对比示意[25]

4)人工智能辅助分析

随着GPT等人工智能技术的不断发展，高密度电法将会运用机器学习、深度学习等技术，对大规模、复杂的勘测数据进行分析和解释，提高勘测数据的自动化处理能力和精度。此外，人工智能还将会应用于地下介质模型的预测和优化，为水利工程的设计和施工提供更加可靠的地质信息。

5)三维反演成像技术应用

三维反演算法是指通过对三维电场数据进行反演计算，得到地下介质的三维电学参数分布。目前常用的三维反演算法包括基于全空间反演、区域反演、约束反演等方法[30-31]。这些方法均是基于高密度电法数据的特点和地下介质的物理特性来设计的。在高密度电法三维成像中，需要将三维反演结果进行可视化和分析。这一步骤包括三维图像的渲染、切片和裁剪等操作，以及与地质数据的对比和分析，从而更好地理解地下介质的特征和结构。黄启帆等人[20]采用高密度电法获取尾矿库中深部信息，绘制反演数据二维等值线图和三维等值面图，查明了地下尾矿的空间分布情况和基岩分布情况(见图9)。

a 高密度电法地层视电阻率二维等值线图与钻孔验证对比[24]

b 地下覆盖层厚度三维等值面分布[24]

c 尾矿库地下岩层与砂层空间分布探测结果，红色为岩层、蓝色为砂层[29]图9 高密度电法三维反演成像技术应用案例[25，29]

5 结论与展望

高密度电法是一种新兴的现代地球物理勘测技术，能够通过在地表布置大量电极，采集大量电场数据，建立三维电学模型，无损、高效、精确地探测地下介质的特征和结构。在水利工程中，高密度电法具有广泛的应用前景和优势，在实际应用中也面临一些挑战和问题，如数据处理和反演解析、设备性能和探测精度等方面的限制。因此，在未来的研究中，需要进一步加强技术研发，高密度电法探测技术在水利工程中的应用有以下三大发展方向。

1)技术不断升级。基于人工智能和机器学习的数据处理和解释技术的不断发展，海量的探测数据将更容易进行识读和处理，地下目标的识别和定位也将更快速准确。

2)应用范围扩大。高密度电法无损高效精确的探测特点，在水库、堤防、地下水资源勘测、河流治理等方面有广阔的应用前景，将成为一种不可或缺的技术手段。

3)多物理场联合勘测。高密度电法与其他地球物理勘测技术相结合和综合应用，能够获得更加全面、精细的地下介质信息，从定性探测转向定量探测。

未来高密度电法在水利工程中将具有广阔的发展前景和应用前景。通过不断升级和改进技术手段，高密度电法将成为一种重要的水利工程勘测技术，为水利工程的建设和管理提供更加科学、准确的数据支撑。