1、二二00二年九月二年九月堤防隐患和险情快速探测技术一、工作概况一、工作概况 专家组工作从2019年8月开始，根据国科司规定的职责工作，至今已历时三年，由于我国堤防构造复杂，隐患多样，探测难度非常大，国外可借鉴资料极少，所以必需分阶段实施，同时亦可满足国内堤防探测急需应用。第一阶段工作是对国内已有仪器进行提高开发，专家组经过研究国内外发展动向，技术论证，已有条件评估，确定了3种仪器。1、高密度电阻率法探测仪。2、瞬变电磁法探测仪。3、堤防管涌渗漏进水点探测仪。堤防隐患和险情快速探测技术专家组结合国内条件确定了上述三种仪器的技术指标、开发路线，接着在全国范围招标，确定了承担单位，目前均已完成，并投
2、入应用及小批量生产。满足了国内防汛工作的急需，其中高密度电阻率法探测仪器装备了解放军抗洪抢险部队。第二阶段的工作是从国外开发引进一批先进技术及仪器，以提高我国堤防探测技术及仪器水平。因此要对堤防隐患和险情性态及国外先进技术及其发展方向进行调研，据此来确定堤防隐患及险情探测的方法及开发引进的仪器。堤防隐患和险情快速探测技术我国88例堤防险情分析 类 别 数 量出 险 原 因渗 漏管 涌 29（33%）砂土抗渗强度低，在高水位时产生渗漏形成管涌。堤基中有粉砂及粗砂的透水层，在高水位时形成漏透破坏。裂 缝滑 坡 22（25%）堤身砂土不均匀，密实性差。产生不均匀沉陷。堤身砂土抗压抗剪性能差。堤内漏洞
3、（软弱层）9（10%）蚁穴、老涵管，树根，施工质量差，土块上堤没有打碎，碾压不实。坍塌、崩岸 18（20%）堤岸根部淘涮，土密实性差，抗剪强度低，根石深度不够，根石坍塌 其它（漫溢、风浪冲刷、涵洞破裂）10（11%）二、堤防险情统计分析二、堤防险情统计分析有些堤防上有几种类别险情，统计时按起主要作用的险情统计。根据上述险情分析，可以知道险情及隐患的性态。堤防隐患和险情快速探测技术三、堤防隐患险情探测方法及特点三、堤防隐患险情探测方法及特点 基本方法是探测堤防物性参数及特性发生的异常。探测下列参数：1、电阻率（）含水砂土电导率 a电导率，孔隙率，w孔隙水导电率，m系数1.32.5，c砂土颗粒表面
4、导电率，A常数。2、介电常数（）一般矿物质 为10左右，而水的 为为80，亦即孔隙中含水量变化严重的影响砂土介电常数。对于砂工电参数要用二个参数来表征，这样可大大提高准确性，特别是要在堤基中探测砂土渗漏特性，要用检测介电常数方法来评估砂土的含水量及渗透性。cmwaA堤防隐患和险情快速探测技术3、波速（弹性波、电磁波）、弹性波VP（纵波波速）、VS（横波波速）扬氏模量剪切模量 VP、VS测得后 亦就知道了。从上述参数判别砂土力学特性异常，与滑坡、不均匀沉陷有关，同时根据弹性波、电磁波运动的特征（反射）可以探测堤身中异常体。4、温度场 由于江河底部的水温低于气温，因此当出现渗流时堤坝地表下11.2
5、m处温度场产生异常。应用上法可测地下水位以下，浸润线以下的渗漏通道。1 1、平常地表下、平常地表下1m1m深处地温深处地温2 2、夏秋季因地下水流体影响地表下、夏秋季因地下水流体影响地表下 1m1m深处地温之变化深处地温之变化1-21-2 3 3、地表面、地表面4 4、地下水面、地下水面5 5、堤防的异常体部位、堤防的异常体部位6 6、根据计算得出流体的规模、根据计算得出流体的规模12112PdVE2sVG堤防隐患和险情快速探测技术堤防探测的特点：堤防探测的特点：堤防探测亦应用地球物理方法，但与一般地质勘探有不同特点。（1）深度浅，要求分辨率高，并且要测弧立体，探测深度30m，若测1m异常体，
6、分辨率3%4%。并要逐步向定量检测发展。（2）异常为非金属材料与周围环境物性反差小。（3）要探测水下的异常体（地下水位以下）。因此增加了探测难度堤防隐患和险情快速探测技术四、探测仪器四、探测仪器 1、电磁法仪器 二种，频率域工作，时间域工作，二种测结果可以互相补充及校核，二种仪器均是测电阻率。（1）频率域探测（便携式电磁剖面仪）探点一次发射最多达8个频率的合成波，得出每个频率的二次场感应强度及电阻率，可测同相分量亦可测正交分量，因此可以判别异常体特性，测量范围可达6080m，特点：操作方便，灵敏度高，可在水上探测。缺点：上限频率太低，只有20kHz，在与外国厂家谈判时希望达到50kHz，技术上
7、无难度，50kHz以下没有位移电流影响，谈了2个月，无结果，因此在电阻率特低地区浅表最小值受到限制。堤防隐患和险情快速探测技术（2）时间域探测（电阻率成像仪）瞬变电磁法特点：1、发射线圈电流开断时间短1.2s（t0），因此探测精度提高，因T0愈长，计算电阻率误差愈大，特别在浅层地区，所以过去国外亦是长开断时间，现在已没有长开断时间的仪器了。发 射 电 流一 次 场 脉 冲接 收 线 圈 接 收 的 波 形ttt堤防隐患和险情快速探测技术2、多线圈工作方式（Multi-Coil Configuration）可以用于各种不同条件及要求，三分量检测，提高检测灵敏度及精确度。注：原来专家组初步讨论是订
8、购电阻率成像仪ohm mapper。工作原理是高密度电法仪拖动测量，经详细了解，特别与该公司Geometrics付总裁详细讨论发现仪器误差大，操作不便，因此停止引进。水 平 共 平 面垂 直 共 平 面垂 直 共 轴中 心 回 线三 分 量 水 平 接 收三 分 量 垂 直 接 收堤防隐患和险情快速探测技术2、探地雷达（GPR Ground penetrating Radar）GPR是利用高频电磁波射入地下进行探测，因此检测成果直观，解释简单，检测灵敏度高（波场法的灵敏度大于位场法灵敏度），检测速度快。因此得到广泛应用。特别用于浅层检测，我国从国外引进GPR已超过150台，但在堤防探测中应用仍
9、有难点，主要问题是电磁波在粘土中衰减大，穿透距离小，电磁波在不同介质中的衰减值见下表。表中所列数据为典型值f愈高，衰减愈大。物 质空气新鲜水海水干沙饱和沙石灰岩粉沙粘土干盐冰 衰 减(dB/m)00.110000.010.030.30.41110013000.0110.01堤防隐患和险情快速探测技术堤防探测主要是在砂土中进行，所以衰减很大，电磁波穿透不下去，关于雷达穿透能力的基本指标系统增益系数（system perfermance factor）Q 世界上4条主要GPR制造厂的最高能达到的Q值 GSSI RAMC GeoradarSensor and Software 160dB 150dB
10、 96dB 175dB要穿透深，必需增加dB值。国外增加dB值方法在研究中，还没有产品，主要挪威及法国，其方法是合成脉冲雷达（Synthetic pulse radar），发射波形见右图。最高灵敏度接收噪声功率发射功率Qftft堤防隐患和险情快速探测技术Q=191dB 征求国内有关雷达专家意见认为此方案较好。即依此方案与4厂家接触，3个厂家不考虑RAMC说可考虑研制，研制费太贵无法负担，加拿大专家认为用合成波由于频谱狭探测灵敏度下降。我们提出简单方法，但难度较大，增加发射电压Sensor and software PEKO-100发射电压从1000V提高到6000V7000V，经反复讨论为50
11、00V，Q=190dB GPR调研考虑方案费时1年，厂家研制高压发射器费时1年，目前GPR电压5000V，Q=190dB是目前世界上GPR产品中的最高指标。雷达主要用来检测洞、缝等异常体，但是堤基中主要问题发生渗透破坏，即渗透特性异常，因此我们考虑CMP检测，其目的是电磁波波速分层，因电磁波波速与介电常数有关。根据电磁波速V可以得出介电常数。据此可以评估其渗透特性。堤防隐患和险情快速探测技术3、温度场仪器 红外测温仪，用红外线来测水面温度差，以确定水下渗漏点出口，主要是抢险时应用。能在堤上快速遥测堤防下游水下渗漏出口。并且黑夜亦能方便应用，渗漏进水点探测仪与渗漏出口探测配合应用。地层地温仪，前
12、面堤防温度特性已说明由于堤内有渗流通道，堤表面下1m处温度场发生异常。因此只要测出此温度场就能计算堤内是否有渗漏通道深度及其深度。目前检测深度810m。仪器操作及检测非常简单，一般人员就能应用，但功用较大，存在缺点：仪器精度较差，一致性差，需率定，此问题国产化中解决，主要是引进计算方法，请该方法发明者京都大学防灾研究所竹内教授到于桥水库检测。堤防隐患和险情快速探测技术4、弹性波法仪器 由于要检测堤体及其基础力学参数，检测堤防裂缝滑坡，特别堤防质量评定。因此需要弹性波法仪器。仪器中主要难点在振源，目前国内外一般均用锤击振源，大兴试验堤国内仪器比测时有二种弹性波法仪器，成绩均很差，主要原因是用了锤
13、击振源，国外对振源作过深入研究，激振器频谱的主频在100Hz左右。检测频率高，弹性波波长短，一般分辨率以1/2波长考虑。因此要提高分辨率要用高频振源。国外要用可控振源，提高激振频率。向国外调研可控振源产品T2500，激振力2500lb（1023kg），上限f 700c/s，11万美元。缺点：操作很不方便，因是液压系统控制，对油要求很高，工作量很大，用一般高频振源由于高频弹性波在砂土中衰减大穿透浅，在此情况下自行研制扫频激振（SFST，技术sweep frequency seismic technique）扫频激振工作原理：激振不是一个脉冲波而是一个变频讯号，扫频时间23秒，频率范围40Hz20
14、00Hz，所以激振能量大大加大，再用检波器接收讯号与激振参考讯号进行互相关计算（Cross-correlating）得到记录，讯号又变成脉冲讯号，此脉动讯号频率能大大提高。因此既提高了分辨率又提高了激振能量及探测深度。此激振系统由水科院自行研制，接收系统从德国进口，激振方式属纵波激振，因只能得VP值，为了要提高检测灵敏度及VS值，增加了转换波检测（converted ware）。C波检测简单原理：当振源发射P波射入地下，遇到异常体，发生反射波，实际上P波遇到异常体后发生的波型转换，除有P波反射外，还有S波反射，过去一般只利用P波的反射波，我们增加了利用S波的反射波成像。堤防隐患和险情快速探测技
15、术堤防隐患和险情快速探测技术5、复电阻率检测仪 此仪器的主要目的是用来测电阻率及介电常数，从而评价渗透特性，下面简要说明调研及订货过程。高频阻抗检测仪(ZHF)此仪器由美国EMI公司与加州大学Barkly分校同时研制。工作原理：介电常数，导磁率，导电率，角频率 频率范围10kHz10MHz，可以电阻率成像及介电常数成像，应用频率比电磁感应法高，比GPR低，克服了GPR在粘土中衰减大，不易测深，同时又比电磁法灵敏度高。当时认为是最理想仪器，于2019年4月订货（首选）。在谈判过程中发现软件中有问题：1、位移电流处理，50KHz以上有位移电流；2、近场处理（Nearfield），厂家提不出解决此二
16、问题的方法与理论的说明，经反复讨论一直提不出答复。到2000年底中止。目前了解到麻省理工正在研制。iHyEZx2堤防隐患和险情快速探测技术 2019年，研究开发引进甚低频电磁探测仪（VLF）检测原理同上，加拿大Geonics公司生产此仪器（EM-16）用于深层找水，但f低只能20k，文献上了解到瑞典研究出500kHz，VLF主法及仪器，我们即与Geonics商讨，希望以EM-16为基础提高f以适合我们需要，Geonics同意，提出要做些探索试验才能确定，后来他们到大兴试验堤上进行试验，发觉难度大，不能承担。2019年初美国专家建议用SIP方法，我们又征求了几位国内专家的意见，确定应用复电阻率检
17、测法。基本原理 ，为电导率 为电阻率，是我们平常一般所测的值，复电阻率法要检测，测电阻率的实数分至及虚数分量。而虚数分量与渗透率有关。此仪器的主要功用是测含水层砂土特性。探测堤坝浸润线以下的矿土特性。用来判别堤基中渗透异常地区。仪器频率范围DC10KHz，测各种不同频率的电阻值及电阻率频谱测，检测相位灵敏度0.01mR（毫弧度），精度0.1MR（毫弧度），可相位频谱。仪器还未到货。i 5.0221wnt堤防隐患和险情快速探测技术五、小结五、小结 1、在国科司领导下，专家组及有关同志们共同努力，应用深入调研，博采众议的方法，广泛吸收国内外专家意见，明确了探测方法及开发引进了7种探测仪器，加上国内
18、提高研究的3种仪器，共10种仪器，仪器种类基本上覆盖了堤防上各种隐患及险情探测的需要。开发引进仪器是当前世界上最先进的仪器。因此提高了我国堤防探测的技术水平。2、今后工作主要是消化、吸收、推广、应用 这次开发引进仪器中带有很多分析处理软件，品种比较齐全，因此首先要研究消化应用这些软件。仪器中有些功能还未研究，要继续进行研究应用，如电法时间域仪器，仅应用了中心回线，三分量线圈方案还未试验，因此要研究多数圈参数匹配，应用各种线圈结构，以适合各种条件的应用。堤防中有些隐患及险情还未试验探测，如崩岸。在方法研究及仪器引进中已考虑了这些需要，崩岸探测要在水上探测，现在电法仪器及GPR均能进行水下探测。加上与XSTAR联合应用，可解决崩岸实时探测问题，所以要找地方继续进行试验。扩大应用范围，目前主要用在堤防探测，主要探测砂土特性及参数，可扩大应用病险库大坝隐患探测，推广用于堆石及岩基的探测。要进行比测，如便携式电磁剖面仪及探地雷达需深入研究，进行比测，以确定各自适用范围及精度。总之要结合工程需要，进行消化、吸收、推广、应用，深入探测研究，以后逐步进行国产化。堤防隐患和险情快速探测技术谢谢大家！
