綜合物探技術(shù)在堤壩隱患探測中的應(yīng)用

邵偉

摘 要：現(xiàn)在的時代就是所有技術(shù)蓬勃發(fā)展的時候，在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的不斷推動下，無論是建筑工程方面，還是生物技術(shù)，又或者是水利工程方面都得到了更進(jìn)一步的飛速發(fā)展。人們居住的規(guī)模在不斷的擴(kuò)張著，對于資源的使用需求也越來越大，水作為人的生命之源，在生活中一直扮演著非常重要的作用。水對于我們來說是必不可少的，如今隨著對水資源的大量需求出現(xiàn)了更多的水利工程設(shè)施，但由于缺乏足夠的經(jīng)驗，建造的水利工程設(shè)施還存在著許多方面上的瑕疵，尤其是堤壩段出現(xiàn)過許多的問題，因此在水利工程中通過使用綜合物探技術(shù)來減少堤壩隱患是非常有必要的。這篇文章就是希望通過對綜合物探技術(shù)在水利工程堤壩中的應(yīng)用探究來提高人們的認(rèn)知度，提出有用的借鑒點。

關(guān)鍵詞：綜合物探技術(shù);堤壩;隱患探測;應(yīng)用

在水利工程中堤壩是需要格外注意的一個重要施工點，因此對于它所產(chǎn)生的隱患也需要格外注意，堤壩隱患的形成不僅是單純的自然環(huán)境原因，還有人為因素，比如我們在生活中熟知的水流侵蝕、堤壩設(shè)施的常年失修，人為的破壞等隱患。諸如白蟻決堤的故事就說明了一些不起眼的事件也可能會是造成堤壩隱患的重要推手。在現(xiàn)階段來說，對于堤壩隱患的探測方法還不是很多，以往我們所熟知的大概只有破損法和無損法兩種方法，但隨著水利技術(shù)的不斷發(fā)展和需求的不斷上漲，出現(xiàn)了高密度電阻率法，瑞雷波法，探地雷達(dá)法等一系列更加具有質(zhì)量保障的探測技術(shù)，它們相對于使用計量坑探、槽探、井探、鉆探的破損法和使用電阻率測深、自然電場法的無損法來說，更能夠?qū)Φ虊蔚碾[患探測起到重要的幫助作用。這些方法相較于傳統(tǒng)的探測技術(shù)更加的完善和成熟，對于水利工程的維修帶來更大的便利，對于工程的質(zhì)量也更加的能夠保證。

一、 河道堤防的特點和隱患探測技術(shù)在我國的現(xiàn)狀

上述提到的無損法和破損法兩種傳統(tǒng)的探測方法，它們運(yùn)用于堤壩探測時會耗費(fèi)大量的時間，能夠起到的成效甚微，而且單純依靠人工的努力和簡單的機(jī)械鉆探技術(shù)取得的成效也很小。雖然這些方法有它的優(yōu)點，但不可置否的是它們具有更多不好的影響，最重要的是運(yùn)用這些探測方法對堤壩隱患進(jìn)行探測會對堤壩造成一定程度的損害，因為此類的探測技術(shù)通常是在湖水不是汛期的時候才會進(jìn)行。在引起全國人民提心吊膽的1998年發(fā)生的長江大洪水時期，在那段時間政府通過呼吁號召了人民群眾進(jìn)行了“徒步拉網(wǎng)式”的探測方式，人工的探測方式無疑就是通過眼睛，手和耳朵來進(jìn)行勘測，但對于大型的工程來說，人力能進(jìn)行的活動是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，畢竟人在進(jìn)行勘測時所能觀察到的現(xiàn)象都很有限，無法觀察到堤壩內(nèi)部的隱患，因此不能防患于未然。對于現(xiàn)在的堤壩隱患勘測中，我們經(jīng)常處于被動的局面，對于打破僵局來說最好的方法就是采用更加先進(jìn)的新型探測技術(shù)，全面提高堤壩隱患探測質(zhì)量，保證堤壩的安全性。

二、 我國的堤壩隱患探測歷程

最早的堤壩隱患探測工作是1974年山東省水利科學(xué)研究所進(jìn)行的，他們運(yùn)用電法對堤防灌漿進(jìn)行了評價。1985年，山東省水利科學(xué)研究所通過堅持不懈的探索研發(fā)了一套運(yùn)用電法進(jìn)行探測的綜合探測系統(tǒng)。在1991年的時候，江蘇省也開始了堤壩隱患探測的研究，當(dāng)時的江蘇省農(nóng)科院和河海大學(xué)共同努力進(jìn)行了許多的探測研究，完成了“壩基滲流場探測中多含水層穩(wěn)定流混合井流理論于綜合示蹤法研究”，進(jìn)一步提高了對于堤壩隱患探測的影響力。隨著影響力的逐步提升，1992年，黃河水利委員會物探總隊冷元寶先生帶領(lǐng)大家對堤壩隱患探測的技術(shù)進(jìn)一步深入研究，進(jìn)行多次實驗后，取得了非常顯著的成果，在當(dāng)時的“九五”國家重點推廣技術(shù)中就有它們的研究結(jié)晶。到了1996年的時候，高密度電阻率法開始應(yīng)用于堤壩隱患探測，全國各地的水利探測也逐步使用各類新型方法技術(shù)。自1999年開始，國家十分重視堤壩隱患探測技術(shù)的研究，現(xiàn)如今，堤壩隱患探測技術(shù)的研究腳步從來沒有停止過，一直在為了更好的堤壩安全而不斷努力著。

三、 堤壩隱患探測技術(shù)簡述

3.1 高密度電阻率法

高密度電阻率法是一種陣列勘探方法，屬于直流電阻率法的范疇，是在常規(guī)電法勘探基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種勘探方法。它以地下介質(zhì)的電阻率差異為物質(zhì)基礎(chǔ)，觀測和研究人工電場的變化和分布規(guī)律，進(jìn)而探測地下介質(zhì)和構(gòu)造的分布特征，其反演結(jié)果為二維視電阻率斷面。相對于傳統(tǒng)電法而言，高密度電阻率法具有觀測精度高、數(shù)據(jù)采集量大、地質(zhì)信息豐富、生產(chǎn)效率高等特點，而且一次布極可以完成縱、橫向二維勘探過程，既能反映地下某一深度沿水平方向的電性變化，同時又能提供地層巖性沿縱向的電性變化情況，具備電剖面法和電測深法兩種方法的綜合探測能力。

高密度電阻率法數(shù)據(jù)采集通過主機(jī)控制電極轉(zhuǎn)換器形成供電、測量及數(shù)據(jù)采集的全自動控制。數(shù)據(jù)采集完成后，將原始數(shù)據(jù)傳入計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、地形校正、二維反演后，輸出二維地電斷面圖。

運(yùn)用高密度電阻率法探測堤壩隱患時，野外一般采用溫納裝置采集數(shù)據(jù)。我們知道對于沒有水分濕潤的堤壩部分來說，很容易發(fā)生裂縫、滲漏等不安全隱患現(xiàn)象。假定壩體的整體都是水平的，若壩體存在裂縫或滲漏現(xiàn)象，那么隱患處的電阻率值由于充水會比周邊介質(zhì)的電阻率值低，那么根據(jù)二維地電斷面的電性特征就能推斷堤壩隱患處的位置、范圍大小及埋深等特征，從而指導(dǎo)開展補(bǔ)救工作。

高密度電阻率法雖然有很大的優(yōu)點，但同時也有一定程度上的不足，其探測水平會被局限于堤壩的深度上面。高密度電阻率法按照層狀分布，對于測量堤壩表面上發(fā)生的滲漏、裂縫、土質(zhì)不均勻等十分有效，但它并不適用于埋深較大的堤壩隱患的探測。因此對于堤壩隱患的探測來說，根據(jù)不同的地質(zhì)特征來選擇不同的探測方法是非常重要的。高密度電阻率法曾經(jīng)在黃河大堤濟(jì)陽城關(guān)段裂縫探測，浙江縉云白馬水庫壩體滲漏，邙金段獾鼠洞探測，黃巖長潭水庫白蟻穴巢探測中發(fā)揮了重要作用。自從1992年的“九五”國家重點技術(shù)推廣開展以來，對于高密度電阻率法的研究非常重視，隨著電法儀器水平的不斷提升，期望在今后的探測中高密度電阻率法能夠得到更廣泛的應(yīng)用。

3.2 探地雷達(dá)法

探地雷達(dá)法也是上述提到的無損法中的一種常用的物理探測方法，它是通過對高頻寬頻帶短脈沖電磁波的有效運(yùn)用來進(jìn)行堤壩隱患探測的一種方法。它可以很好的對堤壩上面的裂縫，土質(zhì)的質(zhì)量和滲漏等方面進(jìn)行探測，探地雷達(dá)儀器可以把獲得的電磁波反射數(shù)據(jù)直觀的通過圖像進(jìn)行顯示，對進(jìn)行堤壩隱患的研究起到了很大的作用。

堤壩的建造一般選用的材質(zhì)都是粘土，混凝土，砂石等，壩體密度比較大，相較于用土建造的堤壩來說，穩(wěn)固性更高，防滲漏性更強(qiáng)，而且土壩更容易受到自然環(huán)境的影響，例如土壩的土質(zhì)會更容易受到水分的干擾，在水分較少的情況下變得極為的干燥，容易出現(xiàn)裂縫等問題。土壩在經(jīng)過長時間的擠壓后，會形成很強(qiáng)的密度，而探地雷達(dá)法在如此緊密的壩體下它所能產(chǎn)生的功能就非常的有限，并且所產(chǎn)生的雷達(dá)波反射能力也會變得很弱。對雷達(dá)波進(jìn)行反射后形成的圖像狀況要根據(jù)不同的情況進(jìn)行區(qū)分，例如在含水分比較充實的地區(qū)中，一旦堤壩發(fā)生滲漏等問題時，隱患范圍的增大會導(dǎo)致電導(dǎo)率隨之也增大，因此會發(fā)生非常明顯的電性界面，導(dǎo)致隱患處的電磁反射波同相軸出現(xiàn)錯斷、繞射現(xiàn)象，發(fā)生滲漏處界面上部的反射特征是高頻率的波動，而且會產(chǎn)生多次疊加的反射效果。但是在干燥區(qū)的情況并不是這樣的，對于干燥區(qū)來說，雷達(dá)探測到的電磁波反射后形成的圖形都是呈現(xiàn)條帶狀的，而且波動的速率也是非常的不均勻，沒有長時間的波動，更沒有一個特定的部位進(jìn)行反射，只有斷斷續(xù)續(xù)的能量很強(qiáng)的波動。綜上所述對于運(yùn)用探地雷達(dá)法進(jìn)行堤壩隱患的探測的時候要具體問題具體分析。

探地雷達(dá)的適用的范圍一般是在堤壩隱患的普遍的勘察和對它進(jìn)行全方面的詳細(xì)的勘測，尤其是在當(dāng)隱患埋深小于十米的情況下，探地雷達(dá)法能發(fā)揮出更好的效果，它一般比較適合在進(jìn)行洞穴，砂層等探測的時候使用。對于這類探測方法成功的案例也有很多，例如黑龍江某水庫壩體散浸和滲流探測，陽春合水水庫二副壩滲漏探測，廣東楓樹坪水庫大壩塌陷和滲漏探測，椒江外沙海堤滲漏探測，長江九江段赤心堤淤泥軟基及壩體裂縫探測，青年水庫壩體滑坡探測，東浦新塘堤塘結(jié)構(gòu)，都是一些很好的運(yùn)用探地雷達(dá)法得以很好的解決的案例。

在運(yùn)用探地雷達(dá)法技術(shù)對堤壩隱患進(jìn)行探測的時候。會產(chǎn)生很多的問題，其中對于壩體本身來說，它的結(jié)構(gòu)非常的復(fù)雜，而且具有多變性，探地雷達(dá)技術(shù)能進(jìn)行探測的深度非常的有限，而且自身的分辨能力沒有那么強(qiáng)大，因此對于探地雷達(dá)法技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展就應(yīng)該朝著更廣闊的深度和提高分辨率的方向來努力研究。對于深度和分辨率較差這一問題，有好幾個科學(xué)家進(jìn)行過很多次的研究，得到了具有非常實用的科技成果，例如肖柏勛所帶領(lǐng)的團(tuán)隊使用相控陣天線代替單極子天線，研制出相控陣探地雷達(dá)系統(tǒng)，大大提高了雷達(dá)探測的分辨率，得到探測對象內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維圖。此外還有吉林大學(xué)研制出使用Vivaldi寬帶天線的寬帶探地雷達(dá)系統(tǒng)。Vivaldi天線具有饋電形式簡單，制作方便和輻射方向性好等優(yōu)點。寬帶探地雷達(dá)系統(tǒng)具有高分辨率的特性，其天線的頻帶很寬，適合于各種領(lǐng)域的應(yīng)用，推進(jìn)了探地雷達(dá)探測技術(shù)向著更高層次的方向發(fā)展。

3.3 瑞雷波法

瑞雷波法探測技術(shù)的開展歷史比較悠久，但它在堤壩隱患探測中的運(yùn)用并不是很普遍。在上世紀(jì)九十年代，它在國內(nèi)才被普遍的運(yùn)用到了堤壩隱患探測中。瑞雷波是地震波中彈性面波的一種，它在1887年被Rayleigh首先發(fā)現(xiàn)并揭示了其在彈性半空間介質(zhì)中的傳播特性。在隨后的很長一段時間中又有許許多多的科學(xué)家對它的缺陷進(jìn)行了不斷的完善，其中要提的就是Leon Knopoff，他提出的knopoff分解法對了解瑞雷波在介質(zhì)內(nèi)的運(yùn)動特征提供了理論依據(jù)，也為復(fù)雜介質(zhì)的正演問題奠定了基礎(chǔ)。1982年，日本人梅雄和佐藤等人開發(fā)了GR-810型穩(wěn)態(tài)面波勘探儀，又稱佐藤式全自動地下勘查機(jī)。該機(jī)器可以進(jìn)行地下勘查工作，而且還是全自動式的，但它最大的不足就是體積笨拙，建造成本非常昂貴，最終沒有大范圍的普及。如今的瑞雷波探測設(shè)備比較先進(jìn)，不僅體積小、安置便捷，而且工作效率較高，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

瑞雷波具有以下幾方面的主要特征：

（1）瑞雷波的傳播速度與介質(zhì)的物理學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。

（2）瑞雷波的波長不同，其在介質(zhì)中所能穿透的深度也不同。

（3）瑞雷波在分層介質(zhì)中具有頻散的特性。

瑞雷波勘探是基于不同振動頻率的瑞雷波沿深度方向衰減的差異，通過測量不同頻率成分瑞雷波的傳播速度來探測不同深度巖、礦層及其中的構(gòu)造、洞穴、巖溶等地質(zhì)異常體。由于各種巖、礦層及地質(zhì)體的密度和彈性參數(shù)不同，導(dǎo)致瑞雷波的傳播速度有明顯差別，因此可以利用瑞雷波的傳播速度作為區(qū)分地質(zhì)體的重要標(biāo)志。瑞雷波法的工作條件較其它淺層地震方法工作條件操作簡單，其具有抗干擾能力強(qiáng)、淺層分辨率高、不受各地層速度關(guān)系的影響、資料處理快、工作效率高等優(yōu)點。

其實在進(jìn)行堤壩隱患探測的時候往往都是多種探測技術(shù)綜合運(yùn)用的，單方法探測得到的結(jié)果不夠準(zhǔn)確，但是運(yùn)用多種方法綜合探測就可以取長補(bǔ)短，這就跟“一根筷子容易折，一把筷子難折斷”是一個道理的。運(yùn)用綜合探測方法進(jìn)行堤壩隱患探測的成功案例非常多，例如椒江外沙海塘滲漏探測，安徽定遠(yuǎn)黃橋水庫土洞及軟弱層探測等等。通過這些例子可以很好的了解瑞雷波法、高密度電阻率法、探地雷達(dá)法等方法在堤壩隱患探測工程中的有效應(yīng)用。

四、 結(jié)束語

對于堤壩隱患探測技術(shù)的研究是一個悠久而深遠(yuǎn)的課題，要想研究出能夠有效解決隱患問題的探測技術(shù)，需要很長的時間和大量的資金，以及付出非常大的努力。通過了解物探技術(shù)在堤壩隱患中的探測應(yīng)用，我們不僅對堤壩常見的隱患問題有了一定程度的了解，也對物探技術(shù)有了更深層次的了解，希望未來物探技術(shù)的發(fā)展能夠朝著更高的方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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