物探产品应用案例-物探与大坝安全勘查

背景

大坝是阻挡或限制液体流动的构筑物。其使用历史已达数千年，最初的主要用途是储水。随着人类文明与技术的发展，大坝的功能逐渐拓展，还被用于发电、防洪、储存废弃物、航运，或是作为采矿作业的一部分。目前全球已登记的大型大坝约有 6 万座，其中最主要的三大用途为灌溉、水力发电和供水。

通常情况下，大坝拥有复杂的工程结构 —— 它不仅是所有者的重大投资项目，还能为大量人群带来巨大效益。随着大坝使用年限的增加，监测大坝状态，并在必要时进行维护，对于持续发挥这些效益至关重要。在某些情况下，部分大坝修建年代久远，相关设计和施工规范尚未出台；还有一些大坝本是临时建筑，却因实际需求，超期服役了远超原定的使用年限。

一旦发生大坝溃决，可能造成巨大的经济损失，以及对生命财产的严重潜在危害。传统的大坝安全监测方式，多是以有限的岩土工程测试为辅助的目视检查。这种方式存在一个主要缺陷：问题往往在发展到严重程度后才被发现，这不仅会增加大坝溃决的风险，还会提高后续的修复成本。

地球物理方法提供了非侵入性技术，可助力早期发现可能导致大坝溃决的异常区域（即大坝溃决的前兆）。但由于大坝设计差异极大，且单一大坝结构中常包含多种不同材料，因此没有一种地球物理方法能适用于所有情况，或解决所有问题。在多数情况下，需要结合多种地球物理技术，才能全面了解大坝的实际状况。

 

解决方案

Guideline Geo拥有种类丰富的地球物理勘察技术，能够针对不同建造类型的大坝，解决大坝安全勘察中的多数常见问题。这些技术提供了一种无损、高成本效益的地下条件勘察方式 —— 相较于钻探、挖掘等传统的点式岩土工程勘察，其通常能实现更广的数据覆盖范围。

表 1 中列出了大坝安全领域的最常见应用场景，以及对应的 Guideline Geo 地球物理解决方案。所有方案的输出形式包含两类：一是所测物理参数的图像；二是包含目标特征（如岩层、物体、异常区域等）的位置（XY 坐标）与深度（Z 值）的文件。这类输出文件可轻松导入 GIS或CAD软件中使用。 

 

表 1：常见勘察目标及适用方法

探地雷达

探地雷达在大坝安全勘察中的适用场景包括：

l绘制混凝土坝的裂缝及劣化区域分布图；

l确定混凝土坝中钢筋的位置；

l绘制土石坝的漏水区域、滑坡区域及塌陷坑分布图；

l绘制砌石坝的漏水区域分布图；

l估算大坝库区的泥沙淤积量。

 

探地雷达（GPR）测量通常在地表进行，测量结果会生成所谓的 “雷达剖面图”，可提供关于地层、结构及物体的相关信息（见图 1）。

 

图 1：通过在水面进行探地雷达测量，也可绘制大坝库区上部的泥沙淤积量分布图。在雷达剖面图中，层状结构对应库底的细颗粒泥沙。该数据通过Reflexw软件解译，并借助GPS Mapper与Google Earth进行可视化呈现。

探地雷达测量也可在钻孔中进行 —— 例如针对土石坝，这种方式能实现更详细的穿透性勘察。由于材料的含水量会影响雷达波在其中的传播速度，因此可通过色标绘制波速变化图，以此标示出湿度升高区域或渗水区域（见图 2）。

瑞科仪器提供多种适用于大坝安全场景的探地雷达（GPR）解决方案，如需了解更多信息，可详情咨询。采集数据的处理与解译可通过不同软件完成，具体取决于实际应用场景。

 

图 2：钻孔间雷达波速度变化，标示出含水量的变化情况

电阻率法（Resistivity）

在大坝安全勘察中应用电阻率法，可实现以下目标：

l检测土石坝的漏水点及潜在滑坡区域

l检测砌石坝的漏水点

l对漏水情况进行长期监测

通常，此类勘察在坝顶或坝面进行，最终成果以垂直二维剖面图呈现，该图可清晰反映大坝内部的电学特性。

电阻率法还能用于监测电阻率随时间的变化 —— 这种变化可能与土石坝坝体核心区内部侵蚀的发展相关。由于渗水量可能随季节和温度变化，因此监测电阻率的时间变化趋势具有额外价值。

此外，电阻率法也可开展 2.5 维或 3 维测量，但勘察布置通常会受大坝设计的限制。

ABEM的 Terrameter 系列电阻率仪涵盖多种规格，既包括适用于垂直电测深（VES）测量的简易耐用型设备，也包含高性能的高密度电阻率成像（ERT）系统。所有设备还能通过时域激发极化法，记录地层的极化率（即施加和移除电流时，电压的建立与衰减速度）。这一额外的极化率数据对渗流解译非常有用，例如，它有助于区分黏土和水 —— 这两种物质的电阻率范围极为相似。

硬件选项的多样性也体现在软件选择上：软件既包括易于学习、操作简便的基础垂直电测深（VES）软件，也涵盖用于高级电阻率与激发极化（IP）分析的反演、建模及可视化软件包。

 

ABEM Terrameter LS 2具备多项创新功能，且兼具灵活便捷与易于操作的特点，是岩土工程、地下水、矿产或环境勘察及科研工作的理想选择。

 

图 3：沿坝顶的高密度电阻率成像（ERT）剖面图，清晰显示出含水量升高区域（蓝色区域）。

 

地震勘探法（SEISMICS）

在大坝安全研究中应用地震勘探方法，可实现以下目标：

l绘制混凝土坝的裂缝及劣化区域分布图

l绘制土石坝与砌石坝的漏水区域分布图

l绘制土石坝的塌陷坑及潜在滑坡区域分布图

l评估砌石坝的结构强度

对于土石坝，影响地震波传播速度的主要因素为材料密度、孔隙度和含水量；而对于混凝土坝与砌石坝，胶结程度、裂隙发育情况、材料风化程度及受力状态等因素对波速的影响通常更大（示例见图 4）。与电阻率法类似，最值得关注的并非波速的绝对值，而是其相对于其他区域 “背景响应” 的数值变化。

ABEM Terraloc Pro 2 是一款紧凑型独立地震仪，无需外接电脑，却具备广泛的适用性，可兼容各类地震勘探技术。它既可用于折射勘探 —— 以探测大坝或周边地质体内部的材料强度及缺陷；也可用于面波法 —— 对材料稳定性及剪切强度进行定量评估（这一点在土石坝勘察中尤为实用）。必要时，该地震仪还可搭配钻孔震源与传感器，在大坝结构内部开展测量工作。

与其他勘察方法相同，目前有多种软件可供选择，能满足不同项目的技术需求与预算要求。

 

ABEM Terraloc Pro 2 是一款功能多样的地震仪，可与任意类型的地震勘探配件搭配使用，适用于各类应用场景。

 

 

图 4：沿坝顶的地震折射模型。红色线条代表解译得出的基岩面，黄色矩形标记的是基岩中一处波速较低的区域；该区域可能存在裂隙或属于薄弱区域。

 

流电势法（Streaming Potential, SP）

流电势法，又称自然电势法（spontaneous potential, SP），是一种电法勘探技术，测量时无需注入任何外部能量，仅检测地球自身的自然电势（电压）。Guideline Geo的所有电阻率仪均能测量流电势。当水流经含矿物成分的材料时，会发生化学反应，导致离子移动，此时便可检测到电势变化。

在用于土石坝的地球物理方法中，流电势法独具特色 —— 它能直接检测渗流。若有水流穿过大坝，在渗流的上游端可检测到负电荷聚集，在渗流的下游端则可检测到正电荷聚集。

基于流电势（SP）与电阻率成像数据的联合解译，往往具有极高的价值。流电势法虽对渗流反应灵敏，但无法提供大坝的结构信息或含水量信息，而其他数据（如电阻率数据）恰好能补充这些细节。电阻率勘察不仅可获取大坝的周边地质背景、内部地层及施工特征，在部分情况下，还能估算大坝材料的孔隙度、孔隙水盐度及（或）饱和度。

 

ABEM Terrameter LS 2 设备具备灵活性高、易用性强的特点，并拥有多项创新功能，是岩土工程、地下水、矿产资源或环境领域勘察与研究工作的理想设备。

应采用何种方法与技术？

大坝完整性的勘察可涉及多个维度，而这些维度通常是确定勘察方法的核心依据。通常情况下，勘察需求会涵盖以下多个目标，因此可能需要考虑采用 “多方法组合” 的技术方案。

Ø渗流区：电阻率法是首要勘察工具，可精准定位因含水量升高导致地层导电性增强的区域。在部分场景中，探地雷达也能指示水体存在，但通常是通过 “高导电性湿润地层对雷达信号的衰减作用”—— 信号丢失的区域可间接反映渗流可能。更进阶的方法是分析雷达波速，因为波速会受含水量变化影响，能更精准反演渗流区分布。

Ø结构缺陷：根据大坝的施工类型，探地雷达被视为首要工具，原因在于其具备极高的分辨率，且能适配大坝混凝土构件的勘察需求。高频天线适用于勘察 “表面材料完整性”和 “内部钢筋状态”；而低频天线则有助于探测 “空洞、结构坍塌及内部裂缝”。电阻率法也可发挥作用，尤其适用于识别 “土石坝心墙防渗体施工层内的坍塌 / 变形”，以及 “较大体积的空洞”。地震折射法因分辨率受限，用途较为有限；但地震反射法可生成详细的勘察剖面，既能覆盖探地雷达无法达到的深层区域，也能在 “富黏土环境”中使用，用于探测深层坍塌、裂缝与空洞。

Ø边坡 / 土体稳定性：该目标可通过地震类方法实现，最常用的是 “面波测量”—— 通过此类测量可计算剪切波速。这种方法还支持 “被动测量”，对于 “担心主动震源反复冲击大坝造成损坏” 的场地，这种测量方式尤为适用。

Ø缺陷监测（即通过定期重复测量，识别结构中存在问题的变化）：此目标可通过多种方法实现。