高密度电法探测堤防隐患研究

宋朝阳 王锐 李长征

摘 要：为掌握堤防安全状况，保障堤防安全运行，采用高密度电法对堤防进行隐患探测。电法探测通常建立在半无限空间理论基础上，而堤防断面并不满足半无限空间这个条件。为降低堤防地形条件对电法探测结果的影响，提高高密度电法探测分辨率，从电法装置选择和电极距选取的角度出发，通过建立梯形堤防断面进行数值模拟，对比不同电法装置和电极距的数值模拟结果，并通过模型试验进行了验证。结果表明：在梯形堤防隐患探测中宜选用施伦伯格装置;为保证电法探测分辨率，电极距不宜大于1.0 m。

关键词：堤防隐患;高密度电法;梯形堤防断面

中图分类号：TV82   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.07.023

Abstract：The application of resistivity tomography to detection for hidden dangers of embankment can grasp the safety status of embankment and ensure their safe operation. Electrical detection is usually based on the theory of semi-infinite space， but the section of embankment does not satisfy the condition of semi-infinite space. In order to reduce the impact of embankment terrain to the electrical method and improve the detecting precision of resistivity tomography， the paper established a trapezoidal embankment. Through changing the arrays and the distance of electrodes， the paper established a numerical simulation and model test. It is better to choose Schlumberger array in the detection of the hidden dangers. Electrode distance should not be more than 1.0 m to ensure the the detection resolution.

Key words： hidden dangers of embankment; resistivity tomography; trapezoidal embankment section

堤防是修建在江、河、湖、海岸邊的挡水建筑物。高效、精确、无损探测堤防可能存在的隐患，是保障堤防安全运行和及时了解堤防安全状况的有效途径。堤防隐患常以裂缝、孔洞等形式存在，进而造成堤身不均匀沉降和渗水等现象，危及堤防安全及周边居民的人身财产安全。堤防裂缝、孔洞常被水或者空气填充，而水、空气与堤身填筑料的物性差异为高密度电法、红外线温度测量法、流场法、探地雷达法、自然电场法、地震法、示踪法、瞬变电磁法等物探方法进行隐患探测提供了条件[1-6]。

高密度电法集电测深和电剖面于一身，通过阵列电极实现对探测区域的供电和电压采集，最终经过反演实现图像重建[7-11]。电法探测通常基于半无限空间理论[12-13]，而实际工程中堤防横断面并非半无限空间。为降低堤防地形条件对高密度电法探测结果的影响，提高高密度电法对堤防隐患的分辨率，笔者以梯形堤防断面为例建立模型，进行数值计算，通过选取不同的电法装置和电极距对计算结果进行分析，并通过模型试验进行验证。

1 基本原理

2 数值模拟

2.1 建 模

为模拟堤防地形条件对高密度电法探测结果的影响，此次建立的堤防计算模型横断面为等腰梯形，模型长40 m、高5 m，顶面宽5 m，底面宽35 m，斜边坡比1∶3。以堤顶矩形表面中心为原点、平行堤身轴向方向为X轴、垂直堤顶方向为Z轴建立直角坐标系。在距堤顶2 m处增加一管状异常体，模拟穿堤孔洞，其半径为0.5 m。背景电阻率设为100 Ω·m，异常体电阻率分别设为10、10 000 Ω·m，用来模拟空气孔洞和含水孔洞。

2.2 装置选择与电极布设

选用不同的测量装置和电极距进行数值模拟，阵列电极布设于X轴，位于孔洞正上方，测量装置分别选择三级、偶极、施伦伯格和温纳，电极距分别选择0.5、1.0、1.5、2.0 m，电极位置见表1。

2.3 数值模拟结果处理与分析

根据式（2）计算堤防电阻率，利用RES2DINV软件对视电阻率进行反演。

含水孔洞温纳装置和施伦伯格装置的反演结果见图1、图2。

从图1（a）～（d）可以看出，对于含水孔洞，当电极距为0.5、1.0 m时温纳装置能准确探测出异常的位置，但当电极距大于1.0 m时，对异常探测分辨率不够。从图2（a）～（d）可以看出，对于含水孔洞，当电极距为0.5、1.0、1.5、2.0 m时施伦伯格装置分辨率较高，均能准确探测出异常的位置。对比温纳装置和施伦伯格装置对含水孔洞的探测结果可知，电极距对温纳装置探测分辨率影响较大。

空气孔洞温纳装置和施伦伯格装置的反演结果见图3、图4。

从图3（a）～（d）可以看出，对于空气孔洞，当电极距为0.5、1.0、1.5、2.0 m时，温纳装置反演结果中存在假高阻异常，对于异常幅度较弱的空气孔洞，真正的异常被一定程度掩盖，反演误差较大。从图4（a）～（d）可以看出，对于空气孔洞，当电极距为0.5、1.0 m时，施伦伯格装置对于异常幅度较弱的空气孔洞的反演结果受假高阻异常影响;当电极距为1.5、2.0 m时，对于异常幅度较弱的空气孔洞，真正的异常被一定程度掩盖，反演误差较大。对比温纳装置和施伦伯格装置对空气孔洞的探测结果，施伦伯格装置在电极距较小时可以探测出异常的位置。

从数值模拟结果可以看出，受梯形堤防地形条件的影响，数值模拟成果图中下部视电阻率偏高，易造成对隐患的误判。对于含水孔洞，反演结果中下部存在假高阻异常。对于空气孔洞，真正的异常被一定程度掩盖，反演结果与实际情况相差较大。对于温纳装置，要保证半径0.5 m左右的含水孔洞体的探测精度，电极距应不大于1.0 m。

3 模型试验

3.1 模型参数

为验证数值模拟的准确性，选用堤身填筑土料常用的粉质壤土和粉质黏土设计梯形堤防模型。梯形堤防模型的长、高分别为5、1 m，顶部和底部宽度分别为0.5、2.5 m。不同大小的隐患用不同直径的PVC管来模拟，模型试验隐患参数见表2。

3.2 试验装置与设备

采用偶极装置、温纳装置和施伦伯格装置分别对梯形堤防模型进行测试。在堤顶隐患正上方布设测线，每条测线均采用40根电极、0.05 m电极距。电极为实心铜导线，横截面为0.25 mm2。采用美国AGI高密度电法仪对隐患模型进行探测，其主要技术指标见表3。

3.3 模型试验结果处理与分析

温纳装置、偶极装置和施伦伯格装置对空气孔洞模型探测的反演结果见图5～图7。

从图5可以看出，空气孔洞直径为30 mm时，温纳装置模型反演结果中存在假高阻异常现象，影响了对真异常的判断。从图6可以看出，空气孔洞直径为70 mm时，偶极装置模型反演结果中存在多处假高阻异常，影响了对真异常的判断。从图7（a）～（d）可以看出，空气孔洞直径为30、45、70 mm时，施伦伯格装置对不同直径的空气孔洞均有较好的探测效果。

从模型试验探测结果可以看出，温纳、施伦伯格、偶极三种装置对所设置的空气孔洞都有探测效果，在孔洞直径相对较小时，温纳装置的分辨率较差;孔洞直径相对较大时，偶极装置的分辨率较差。而孔洞的尺寸对施伦伯格装置探测效果影响较小，即施伦伯格对孔洞的探测分辨率较高。

4 结 论

通过对存在隐患的梯形堤防模型进行模型試验和数值模拟分析，得出如下结论：

（1）从数值模拟结果看，受梯形堤防地形条件影响，视电阻率呈现下部偏高的现象。对于含水孔洞，温纳装置和施伦伯格装置都能较好地探测出异常的位置，但温纳装置电极距不宜大于1.0 m。对于空气孔洞，温纳装置和施伦伯格装置反演结果中均存在假高阻，造成对真异常位置的误判，但电极距为0.5、1.0 m时，施伦伯格装置对高阻异常体有一定的反映。

（2）从模型试验结果看，温纳装置对直径相对较小的空气孔洞探测分辨率较低，偶极装置对直径相对较大的空气孔洞探测分辨率较低，而施伦伯格装置对孔洞的探测分辨率不受隐患尺寸的影响。

（3）综合数值模拟和模型试验结果，在进行堤防隐患探测时选取施伦伯格装置能够保证隐患探测的分辨率，在进行电极布设时电极距不宜大于1.0 m。

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【责任编辑 张华岩】