(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

堤防是沿河、江、渠、湖、海岸、水库和分蓄洪区等周围修建的挡水建筑物，是抵御洪水、保证人民生命和财产安全的重要工程。但由于堤防线路长、结构复杂、修建年代久远，普遍存在洞穴、裂缝、松散体、高含砂层、渗漏等安全隐患，当遭遇洪水时，存在隐患的堤防极易诱发管涌、漫顶、散浸、滑坡、崩岸、坍塌等险情。及时探查堤防质量状况，消除堤防隐患，是现代水利工程迫切需要解决的技术难题。

物探检测法是堤防隐患无损探测的最佳方法，通过物理探测手段，研究堤防物理特征变化，判断堤防隐患埋深、规模和形态。电法勘探是应用最早和最广泛的堤防隐患物探方法，被用于土坝渗漏、侵蚀、水平破碎区等探测中[1-2]；薛敏等[3]设计堤坝隐患快速电法测试系统。房纯纲等[4]最先将瞬变电磁法应用于堤坝渗漏隐患探测；冷元宝等[5]用瞬变电磁法普查软弱层分布范围；基于多匝小回线装置[6]、长方形小回线装置[7]、偶极+小线框装置[8]等线圈布置方式成为堤防隐患瞬变电磁探测的研究重点。牛志国等[9]验证探地雷达法探测堤防隐患的有效性。王国群等[10]分析獾洞的典型雷达图像特征。高建华[11]采用地震横波反射和纵波折射层析成像技术探测赣江大堤填筑质量。近年来，通过散射理论提高探测精度的方法成为热点[12]。利用水流场与电流场的相似性，何继善院士发明用于检测管涌渗漏入水口的流场法[13-14]。随着技术发展，地面核磁共振、示踪法、红外成像、测温法和多波束等方法均被用于堤防隐患探测中。为避免单一方法的局限性，综合物探方法得到广泛应用[15]。2008年，水利行业标准《堤防隐患探测规程》出台并规范常见隐患物探工作方法[16]。

在堤防隐患探测仪器设备研制方面，我国曾开展不少研发工作。辽宁省水利科学院研制了YB-1型堤坝暗裂缝探测仪和89-I型堤坝隐患探测仪。黄河设计院研制了覆盖式高密度电阻率探测系统MIR-1C/MIS和HGH-III型分布式高密度电测系统。重庆奔腾自动化研究所生产了WDJD型和HWH-1型数字直流激电仪。黄河河务局开发ZDT-I型和FD2000型智能堤坝隐患综合探测仪。吉林大学研制Geopen E60CN型分布式高密度电法仪。2007年，黄河水利科学研究院研制了JT-1聚束直流电阻率探测系统。此外，还有中国水利科学研究院的SDC-3型堤坝渗漏瞬变电磁仪，中南大学的DB和DP型堤坝管涌渗漏检测仪等。这些仪器在长江、黄河、鄱阳湖等堤防隐患探测中取得一定成效。随着防洪工作的增加，近年来堤防隐患探测与治理得到进一步重视。2017年，“堤防隐患快速探测技术与装备”被列入“国家重点研发项目”重点研究课题，该项目由长江科学院承担。

本文从堤防隐患的物理参数出发，分析各种物探方法在堤防隐患探测中的技术原理，总结堤防物探技术的发展概况，分析各方法的适用性和不足，对堤防隐患物探技术的未来发展方向提出展望，以期为堤防隐患新仪器和新技术的研发提供帮助。

2 我国堤防隐患物探特点

我国堤防通常是二元结构型式，上层是不透水覆盖层，下层是透水的砂砾石层和细沙层。隐患探测深度一般为30 m以内，按分布位置可分为堤身隐患、穿堤建筑物隐患和堤基隐患。堤身和穿堤建筑物类隐患主要是裂缝、洞穴、软夹层、高含砂层、脱空区等。堤基类隐患主要与堤防所处地质条件有关，存在渗透破坏、滑动稳定等问题。

不同于大尺度的资源勘探，堤防隐患分布范围广，体积小，埋深浅，种类多，物性特征各异且物性差异小。此外，堤防隐患还具有可变性和突发性，随着汛情发展而变化。这要求堤防隐患探测技术具有高灵敏度和高分辨率，能探测性态不同的隐患；具有强抗干扰性，能识别微弱有效信号；能探测地下水位线及浸润线以下的隐患信息；还能动态监测隐患的发生发展。

目前堤防隐患物探检测方法可分为以高密度电阻率法为代表的传导类方法和以弹性波法、电磁波法为代表的波动类方法。下面从堤防隐患的地球物理参数出发，归纳总结堤防物探检测方法。

3 堤防隐患物探检测方法

3.1 电导率

堤防通常为分层填筑的均质坝体，其导电性呈层状分布。砂土电导率σ可表示为

σ=αΦmsnσw+σc。

(1)

式中:Φ为孔隙率;m,α,n为常数;s为孔隙水百分比;σw为孔隙水电导率;σc为砂土颗粒电导率。

由式(1)可知，砂土电导率与孔隙率、孔隙水百分比及其电导率呈正相关关系，即砂土电导率随砂土中水的含量、孔隙度增加而增大。当堤防内部存在裂缝、渗漏等隐患时，其孔隙率和孔隙水增加，对坝体导电性更为敏感。干燥时表现为高阻异常，存在渗漏水时表现为低阻异常。

根据实测电阻率值，研究隐患引起的电阻率变化规律并推断其产状和埋深等，这是基于电导率参数的物探方法的基本原理。

3.1.1 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特殊形式，其基本原理是通过给AB极供电，测量MN间电位差，计算堤身视电阻率。通常将全部电极一次性布置在等间距的测点上，再通过转换开关自动完成电极装置形式、极距及测点转换，实现数据高效采集。高密度电阻率法采集速度快、灵敏度较高、仪器操作简单，还能获取地电断面的结构和分布形态。

但是，高密度电阻率法体积效应明显，探测纵向分辨率不高，要求隐患相对其埋深具有一定规模，难以查明埋深大的弱小隐患。此外，高密度电阻率法假设地下为半无限的导电均质体，而堤防电阻率实际是随地形变化，这影响探测解释精度。

3.1.2 瞬变电磁法

瞬变电磁法是利用不接地回线向地下发射一次脉冲电磁场，在一次场作用下，探测目标体产生感应涡流。该涡流与目标体的分布和电性特征有关，观测由涡流衰减产生的二次电磁场，推测目标体的导电性和分布特征等。瞬变电磁法具有分辨率高、探测速度快、无接地电极等优点。

不同于高密度电阻率法，瞬变电磁法利用电磁波场探测目标体的电性分布，根据接收信号感应电压，计算目标体的视电阻率。瞬变电磁早期信号反映浅部电性特征，晚期信号反映较深地层特征。由于仪器关断时间短和自感互感效应明显，早期接收信号复杂，难以有效识别堤防浅表层结构特征。减小发射线框边长和控制关断时间，是提高浅埋地质体探测分辨率的有效方法。

瞬变电磁法主要对低阻体敏感，适用于探测渗漏通道、含水砂体等隐患。未来需加强研究线圈尺寸、形状、圈数等因素对隐患识别的影响，加快瞬变电磁法的3D正演和反演问题研究。

3.1.3 流场法

流场法是基于水流场和电流场的数学物理相似性，利用人工特殊波形编码电流场拟合渗漏通道的水流场，通过测量电流场的分布预测水流场的流向和流速，从而查明渗漏入水口。该方法突破了只在堤防坝体或水面探测的局限，适用于汛期探查渗漏、管涌一类重大险情的入水口，但无法查找堤防内部渗漏通道，也不能用于其它隐患探查。

基于流场法，DB和DP型堤坝管涌渗漏检测系列仪器相继问世，该仪器主要包括向水中传输电流的发送机、在水中测量电流密度的接收探头和船载接收机3部分。

3.2 介电常数

介电常数是物质在外加电场作用下，储存极化电荷的能力。水相对介电常数为78.5，空气相对介电常数为1，干砂相对介电常数为3～15。通过测量相对介电常数ε，可判断堤防结构的含水量、孔隙率、压实度等，从而评估堤防质量。由回归分析，相对介电常数与含水量关系式为：

ε=3.03+9.3θw+146(θw)2-76.7(θw)3。(2)

式中:θw是含水量;ε是砂土相对介电常数。据此可估算砂土的孔隙率Φ为

(3)

式中:εw是水的相对介电常数;εs是砂土的相对介电常数；ε是含水砂土的相对介电常数。

由式(3)可计算出堤防砂土层的孔隙率，进而估算其渗透系数。因此，基于介电常数的物探方法适用于查找含水砂层、裂缝、洞穴、坝体浸润线探测等。

3.2.1 探地雷达法

探地雷达法是利用高频脉冲电磁波在介电特性差异界面发生反射的特点，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。该方法具有采集方便、速度快、抗干扰性强、分辨率高和对场地条件要求低等优点，成为隐患探测的有效方法。

雷达波图像能直观反映堤防内部结构变化。雷达波同相轴错断反映裂缝发育；弧状反射且振幅、频率变化为非均质体或空洞部位；信号衰减强烈，波长增加表明隐患可能含水。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。为了提高探测精度，相控阵雷达探测技术、多次覆盖技术、雷达散射波传播理论等被引进以增强信号能量。

3.3 弹性波速度

基于弹性波速度的探测方法通过测量在堤防土体内传播的弹性波速度，推断堤身结构完整性。Wylie等提出的时间平均方程经验公式给出了速度与孔隙率的关系：

(4)

式中:V为波在岩石中的实际传播速度;Vm为岩石骨架中波的传播速度;Vl为波在孔隙流体中的速度。

由该式可知，致密岩石速度大，疏松软弱层波速小。根据横波的分裂程度可判断堤防裂缝的延伸方向和发育程度。基于弹性波速度的方法适用于查找裂缝、软弱层、洞穴、滑坡体等隐患。

3.3.1 浅层地震勘探法

地震波勘探法是基于堤防隐患与背景土体的波阻抗差异，人工激发地震波场，根据接收波场信息进行隐患检测。

瑞雷面波法利用瑞雷波的频散特性，根据传播速度与频率的频散曲线，分析浅部构造的变化规律。瑞雷面波法主要用于探测堤防管涵、蚁穴、空洞、疏松带等17]。在堤防病害探测中，折射波法主要用于探测基岩起伏、覆盖层厚度或古河道分布等[18]。但折射波探测需满足下层介质波速大于上层介质，且入射角大于等于临界角的条件。反射波法利用反射地震数据探测堤防土质疏松带、裂缝、土洞、高含砂层、脱空区或堤身加固效果评价等，隐患的厚度或规模尺寸需大于反射波波长的1/4。

3.3.2 声波检测法

声波检测通过测定岩体中声波波形、振幅、频率等确定岩体的力学参数，判定岩体工程性质。根据声波频率分为声波和超声波检测，根据观测方式分为单孔声波、跨孔声波和声波CT等。声波检测法主要用于堤身护坡浆砌石、闸机混凝土等浅表面质量检测。长江科学院于1996年在加拿大OttoHolden大坝上开展超声波CT检测。近年来，基于模拟退火、神经网络、正则化等的非线性反演方法被应用于声波层析成像，以提高混凝土坝缺陷识别能力。此外，阵列超声检测技术的研究与应用，极大提高了声波探测能量、扩展其应用范围。

3.4 其他物理参数与检测方法

红外成像技术利用不同温度目标体的红外辐射场不同，远距离测量温度变化，对管涌、散浸等大面积隐患效果好。同位素示踪法通过天然或人工放射性示踪剂测量地下水流运动状态及渗漏；地面核磁共振找水技术可用于探测堤坝浸润面；声发射法利用水流声和水与土体摩擦声定位渗漏通道。此外，还可根据较大缺陷导致的堤防土质密度变化，利用微重力仪发现缺陷部位。

近年来，随着技术发展，以缆控水下机器人为载体，装备有声、光、电等多种先进传感器的综合水下机器人三维成像技术被用于检测水下地形地貌，查找水下滑坡、堤防冲刷缺陷、堤防表面裂隙分布等。机器人中搭载有与堤防扫描相关的设备，包括多波束测深仪、侧扫声纳、水下摄像机等，还有控制运动的定位传感器。水下机器人可实时探测并传输高质量图像，对水下隐患探测具有较好的应用效果。

4 堤坝隐患物探检测技术展望

堤防隐患物探技术近几十年发展快速，探测方法和探测仪器进步明显。总体而言，电磁法相对有效，但在方法技术和仪器性能等方面仍需提高。当前，要使隐患探测技术有新突破，必须针对堤防结构特点和现有探测方法存在的问题，开辟新思路。下面就堤防隐患物探技术发展方向做一些展望：

4.1 加强堤防隐患物性特征研究

堤防内部土体的土性参数，如成分、含水量、密实度、颗粒大小、矿化度等都会对电阻率、介电常数、波速等物性参数产生影响，增加堤防隐患物探检测的复杂性。如果不针对堤防特点，直接使用已有的物探技术，只会导致探测效果不佳。这是长期以来，堤防隐患探测技术得不到重大突破的原因。

因此要真正解决堤防隐患探测问题，首先从堤防隐患特点出发，研究堤防土体物性参数变化与隐患地球物理参数的相关关系，加深认识堤防隐患物性变化特征，提高物探结果解读的准确性，为隐患探测技术的完善提供理论支撑。

4.2 深化综合物探方法

各种物探方法都有其应用前提，传导类方法的精度受到测点距的影响，波动类方法存在探测深度和探测精度的矛盾。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广泛应用。当前，综合物探方法还只是通过采用多种物探方法，从不同角度分析堤防隐患信息。但综合物探不仅局限于简单罗列几种方法的探测结果，应深化物探资料的综合分析和地质解释，研究建立多种地球物理参数统一反演表达式，基于电场、电磁场、弹性波场等观测数据，利用统一反演方法，全面获得堤防隐患的分布情况。综合物探还应结合地质、钻探、化探等不同手段进行补充验证，从而更好地探查堤防隐患的分布特征。

4.3 加强正反演研究

目前，堤防隐患物探技术侧重于探测仪器的研发和探测手段的更新，但对于地球物理方法的正反演研究相对欠缺。在正演计算方面，地球物理正演模拟一般假设介质为半无限各向同性，但堤防结构是有边界、各向异性。应结合堤防结构、组成成分和典型隐患类型等信息，研究堤防物探正演模拟方法，获得真实反映堤防结构特征的地球物理数据，这对于验证探测方法的有效性、提高数据处理精度意义重大。

在反演方面，目前主要采用线性反演方法，而堤防物探数据反演实际上是多维度和多极值的非线性问题。线性反演结果的精度有限，研究基于非线性反演的探测数据处理方法，对提高探测精度具有重大意义。

4.4 引入堤防三维物探技术

目前堤防隐患物探技术多为二维探测，随着对探测精度要求的提高，应开展堤防隐患三维物探的研究工作，实现面积观测，重建堤防地下结构或病害体的全三维立体空间模型，真实反映堤防隐患的结构图像。

与二维物探技术相比，三维探测对地表条件适应性强，观测系统灵活多变，适用于地形地物多变的堤防工程；三维测网密集，采集信息丰富，可以有效压制空间噪音，提高资料的信噪比和分辨率；可真实地定位病害体的三维空间位置。三维探测技术能获得最佳探测效果和经济效益，未来堤防隐患探测必将进入一个全新的三维探测时代。

4.5 研究堤防隐患时移探测

堤防隐患是动态的工程质量问题，隐患物性随汛枯期的转变而变化，甚至发生物性反转，单靠某一时刻的物探检测很难完全确定隐患异常体的分布。因此，应转变探测思路，从探测隐患目标体转变为探测其物理属性随时间变化特征。时移探测是通过采集多期数据，对堤防隐患进行实时监测，追踪异常体的发生发展动态过程，实现更准确判定隐患的存在和位置。时间推移勘探技术目前在油气地震勘探中应用较多，在工程地球物理勘探领域，尤其是堤防隐患的地球物理探测中尚未开展方法与技术的系统研究。

4.6 堤防隐患物探成果信息化

随着网络信息技术的发展，未来不仅要在探测方法理论、仪器设备等技术性问题上取得突破，还要加强堤防物探技术与高新技术的系统融合。基于大数据云平台，研究海量探测数据远程传输技术，搭建物探结果与防汛抢险地理信息系统对接平台，建立堤防安全性评价专家系统，实现对堤防的实时安全监测与预警。

5 结 语

堤防隐患探测作为我国堤防安全监测的重要内容，虽然已取得了很大进步，但隐患的多样性、可变性、环境的复杂性等因素制约了隐患探测技术的发展。近年来，长江沿岸一带洪涝灾害频发，堤防工程安全检测刻不容缓，堤防隐患的探测得到进一步重视。本文总结我国堤防隐患探测技术的发展情况，指出各种探测方法的优势与不足，并对未来堤防隐患探测技术的发展提出了几点见解，期望能为堤防隐患探测新方法、新技术和新设备的研发提供帮助。