电磁法堤坝探测方法技术综述
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作者:刘航
摘 要：近些年对于堤坝隐患的无损、快速探查得到了越来越多学者的关注。本文从物探技术的电磁法方向入手，主要介绍了直流电法、瞬变电磁法、探地雷达法及核磁共振法这四种方法及综合物探在堤坝隐患探测中的研究及应用，论述了其相关理论方法研究及探测实例，并对四种方法进行了简单对比。其中，由于电阻率法引入国内较早且发展较为成熟，所以率先被应用于堤坝隐患探测中去。探地雷达对坝身的充填物压实度不高、松散、裂隙有着较好的探测效果。瞬变电磁法拥有施工简单，对低阻体敏感的特性，在堤坝隐患探测方面有很大的应用前景。核磁共振作为一种可以直接找水的新方法，运用于堤坝隐患检测中有一定的优势。
关键词：堤坝探测;电磁法;地球物理
由于近些年国内外屡次出现堤坝溃坝事件，对人民的生命财产安全造成了重大损失。通常来说堤坝溃坝事件主要是由于堤坝在建造时期自身坚固性不佳，再加上常年疏于管理导致堤坝内部出现了病患且并未被及时发现。这些堤坝隐患可能随时威胁附近居民群众的生活安全。所以需要找出一种探测方法对堤坝隐患进行探查。物探作为一种快速、有效的探测方法，可以有效地探测堤坝内部的隐患。
我国的堤坝探测工作主要是从1960年开始的，当时水利部门已经提出将地球物理方法应用于堤坝探测方面的想法。1974年，山东省将直流电法应用于堤坝的安全评价工作。从20世纪80年代開始，我国加大了对堤坝探测相关研究项目的资助，同时地球物理领域在堤坝探测方面也有了快速发展。目前研究和应用于堤坝隐患探测的物探方法主要有直流电法、瞬变电磁法、核磁共振法及探地雷达法。
针对上述几种物探方法在堤坝隐患探查方面的研究历程及应用，本文进行了总结及分析，目的是梳理上述几种方法的优缺点，促进物探在堤坝隐患探测领域的发展。
1 直流电法
目前主要应用于堤坝隐患探查的直流电法主要为电阻率法。电阻率法是一种人工场的勘探方法。主要是以堤坝自身与被探测隐患之间的导电性差异为物质基础的。[1]一般可以认为一座堤坝内部为均匀层状的电性结构，当堤坝内部出现裂隙、管涌等并充水时，会导致与堤坝电阻率有明显差异。通过建立稳定的人工电场，观测和研究电流场的分布规律来寻找隐患所在位置。
我国早在20世纪70年代就将直流电阻率法应用于江河湖泊堤坝隐患探测工程之中。目前主要运用的是直流电阻率法和高密度电阻率法。1996年，李长海主要采用中间梯度法对东平湖水库围坝进行了裂隙隐患探查，采用电测深剖面法对堤坝压力灌浆效果经行检测，分析得出直流电阻率法可以探测出堤坝中的裂隙、洞穴、松散土层等坝身隐患。由于以前总是用半空间理论来解释电阻率法的测量结果，但是现实情况下堤坝环境并不能简单地认为是半空间情况，因此2004年朱自强等采用将实测的视电阻率曲线逐点地比上相对应点纯地形异常后，结果即为修正后的视电阻率曲线，并通过水槽模拟实验验证了修正后的视电阻率容易合理解释测量结果。2005年，郭庆华将高密度电阻率技术运用于堤坝防渗墙的无损、快速检测。运用GEOPEN的E60高密度电阻率测试系统完成了关于防渗墙埋深深度、墙体均匀性差异及墙体搭接不佳三种情况，分析得出高密度装置对缺陷位置反映较为准确，但是对缺陷范围反映不佳，其中DP-P装置探测效果最好而且建议在防渗墙成墙后的较短领内经行检测。2005年，杜华坤等运用有限元方法对堤坝渗漏通道进行三维数值模拟计算，分析得出当水位上升时，堤坝整体视电阻率会降低，但堤坝深部视电阻率较浅部变化幅值大;运用多个视电阻率剖面即可追踪到渗漏通道的走向，便于治理。
2 瞬变电磁法
瞬变电磁法是通过向介质内发射一次场后瞬间关断，探测其介质内部的二次场的一种地球物理勘探方法。目前已经成功应用于煤矿采空区探查、资源勘查等工程领域中。[2]由于瞬变电磁法对低阻体灵敏、无损高效且操作简单，逐渐被应用于堤坝隐患探测中。
早在1996年，张保祥等人已经通过对王营盘混凝土护坡质量及下伏土层隐患存在的部位进行了探测，通过实际工程证明了瞬变电磁法可以应用于堤坝隐患的中，并取得了不错的效果，但是还需进一步深入研究。2012年，茹浩用全区视电阻率及“烟圈”反演法对堤坝物理模拟数据进行了处理，反演解释方法在瞬变电磁法堤坝隐患探测有着很好的应用前景。2014年杨伐等用物理模拟方法模拟了瞬变电磁法探测堤坝坝体管涌及渗漏隐患，分析得出中心回线装置在管涌探测横向精度较高，但是垂向存在一定偏差，应该多布置测点减少体积效应。2018年赵焕硕及刘航均采用三维数值仿真技术，用有限差分方法来计算瞬变电磁的相应及场的分布。通过数值模拟计算来论证了瞬变电磁法可以对堤坝隐患进行探查。
3 探地雷达法
探地雷达主要利用较高频的电磁波来探查介质的内部特征及内部介质分布的一种地球物理探测方法。[3]由于发射的电磁波频率较高，探地雷达方法精度高，且施工效率也高。已成功应用于考古调查，工程质量检测等领域。
1990年王惠濂等使用加南大的EKKO IV探地雷达系统，对黄河大坝坝身的隐患经行了探查。探地雷达查明了坝身内部的土料堆积不均匀及不同堆积物的问题，探测出直径1m的引水闸洞，但是50cm以下的小洞探测效果不佳并给出了探测深度为20m。2005年，何开胜等对震后的李桥水库经行了探测，发现了水库填土总体密实度不高、松散、填充不均匀且裂隙多，由于坝身长期渗漏，在部分区域已经形成了洞穴，对比不同时期的探测成果推测其渗漏破坏过程。2010年，魏永强等将探地雷达和高密度电阻率法联合解释运用于围垦堤坝抛石层探测，综合分析后得到了抛石层的厚度，取得了较好的探测效果。2011年，刘世奇等利用matlab二维仿真模拟方法，从理论及数值模拟方面论证了探地雷达可以运用于堤坝的隐患探测。2017年，徐洪苗等研究了探地雷达在土质堤坝隐患探查中的应用，取得了较好效果，同时也给出了探地雷达作为一种地球物理方法，具有多解性，需要综合分析。 4 核磁共振法
核磁共振主要是供给一个拉莫尔频率的交变电流，水中氢质子会产生能级跃迁，大量的氢质子跃迁到高能级上。[4]当撤去供电电流，这些高能级氢质子便逐渐回到低能级状态，释放出大量的具有拉莫尔频率的能量子，在接收线圈中感应出核磁共振信号。
2004年潘玉玲等人将核磁共振方法应用于辽宁大连海滨地下挡水大坝勘查中，通过结果分析，发现一条断裂带，核磁共振方法可以用于堤坝地基选址及堤坝稳定性的监测工作。2012年，蒋川东等采用我国自主研发的JLMRS型核磁共振仪，对崔家街大坝进行探测，提出了水体对探测结果有影响并修正了它，从结果中发现了大坝存在3处渗漏点和两个渗漏区，与实际情况相符。2019年，李宏恩等将核磁共振与高密度电法联合解释的方法运用于堤坝渗漏隐患研究，通过模拟堤坝隐患得出核磁共振与高密度电法综合可以较准确的找出堤坝渗漏位置以及渗漏范围。
5 综合物探
由于物探方法自身存在着多解性和抗外界干扰能力不足的问题，现在越来越多的学者们开始研究和应用多种方法联合解释，用几种物探方法或者物探与非物探方法相互印证来提高探查的准确度。
2008年，鞠海燕对江西某矿山污水坝采用了高密度电法和探地雷达法相结合的策略，高密度电法用于堤坝裂缝、洞穴、松软层等土质不均匀隐患详查，对深部缺陷较为敏感，探地雷达可探测与坝身填筑材料有明显差异且一定规模的异常体，两种方法结合提高了准确性。2017年，余金煌等在安徽省内对堤坝内部白蚁蚁巢进行了研究，在堤坝上探测蚁巢采用高密度和探地雷达相结合的方法，两者均能反映出蚁穴异常区域，且结果一致性较好，但是探地雷达对探测环境要求较高，受地下水水位影响较大而高密度电法抗干扰能力较好，信号可靠性强。2019年，张明财等人通过实践证明渗漏入口处伪随机波电流信号会增大，伪随机流场法可以检测渗漏入口，而探地雷达和瞬变电磁法可以找出堤坝内部的渗漏通道。
6 结论与展望
目前，堤坝隐患无损、快速探测依然是一个值得我们深入研究的问题。就地球物理方法来说，应用最多且最为成熟的方法是直流电法已经成功的应用于多地的堤坝探测及坝身检测，其中高密度电阻率法由于施工快、效率高而被广泛应用。但是直流电法需要在堤坝上布置电极对堤坝有轻微的破坏。瞬变电磁法用不接地回线的方式可以无损、快速地探测低阻异常体，但是由于易受干扰，导致探测结果不精确，目前瞬变电磁在堤坝探测方面主要还是理论研究较多，但是这种方法有着很好的应用前景。探地雷达作为一种高频率的电磁场方法，较直流电法及瞬变电磁法有着较好的分辨率，对坝身的充填物压实度不高、松散、裂隙有着较好的探測效果。但是探地雷达的探测深度有限，当隐患埋得较深时效果不佳。核磁共振是一种新型堤坝隐患探测方法，相对于其他三种方法，核磁共振法可以直接探测出堤坝中的渗漏水体。就目前的综合物探方法来说，普遍采用的是高密度电法和探地雷达相结合方法。本文对比分析了这些方法的特点及应用范围，对于这些技术的进一步发展及应用有指导性意义。
为了解决当下及未来越来越复杂的堤坝隐患探测问题，需要提出新方法或者提高现有方法的分辨率及提高探测深度。
（1）可以将多种物探手段进行联合解释或者联合反演，综合分析来提高物探方法的精确度。
（2）由于堤坝隐患例如管涌、裂隙此类异常往往体积较小，需要提高电磁法的分辨率。
参考文献：
[1]李金铭.地电场与电法勘探[M].地质出版社，2005.
[2]李貅.瞬变电磁测深的理论与应用[M].陕西科学技术出版社，2002.
[3]孟美丽.堤坝隐患探测中的探地雷达技术[J].山西建筑，2010，36（32）：363-364.
[4]林君，段清明，王应吉，等.核磁共振找水仪原理与应用[M].科学出版社，2011.
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