新疆引额济克调水工程以额尔齐斯河上游的635水利枢纽工程为起点，经引水干渠调水至克拉玛依市，引水干渠总长324 km。引额济克工程自1997年开工建设，至2000年投入生产使用（周小兵，2001）。引额济克调水工程引水干渠阜康段经过20余年的运行，干渠堤坝在动静水压力、热胀冷缩、生物破坏等作用下已有多处发生了渗漏现象，危害堤防安全运行。渠堤检测的常规方法主要有人工探视、钻探和物探（张明财等，2019）；人工探视仅能观察到堤坝表面的变形、渗漏情况，但难以看到坝体内部渗漏通道情况；钻探成果能直接查明隐患情况，但会损伤坝体，且施工周期长。自2000年以来，高密度电法、地质雷达、伪随机流场法、瞬变电磁法等无损物探技术开始应用于水利设施坝基病险隐患探测（何继善，1999；房纯纲等，2001；葛双成等，2006）。其中，高密度电法（李金玺等，2009；宋先海等，2012；孙礼钊等，2016；苏永军等，2023）和地质雷达（武桂芝等，2020；孙磊等，2022；黄浩然等，2022）应用较为广泛。高密度电法常规装置的铜钎电极接地会损伤坝体；地质雷达具有高效快捷、成像直观的特点，但探测深度有限且易受干扰。

在引水干渠阜康段的综合探测中，改进了高密度电法的电极装置，实现了无损探测并取得了较好的应用效果；通过高密度电法电阻率的突变和地质雷达波阻抗界面的不连续等组合异常特征，提高异常识别的准确度，准确高效地圈定了渗漏隐患的范围，为防渗治理提供了依据；并利用高密度电法实现了治理效果的评估，进一步拓展了物探技术的应用场景。

1.   研究区概况

1.1   工程概况

渠段位于天山北缘冲洪积扇下部细土平原区，地势由南东向北西倾斜，地形平坦开阔，地面高程497～513 m，渠线总体走向近EW向，先后穿越甘河子河冲洪积扇与水磨河冲洪积扇中下部地带，共发育22条规模不等的SN向冲沟与渠线相交。渠线前段主要为荒漠区，后段为农田与荒漠相互交替。

引水渠段自沙漠出口至阜康市500水库，全长56.461 km（桩号0+000～56+461），设计渠底宽6 m，渠深3.85 m，内坡1∶2.5，外坡1∶2.0，渠堤顶宽左右各6 m。平原明渠渠道右侧80 m布置有施工道路，渠道左侧64 m布置有导洪堤、导洪沟。渠道为开挖回填式，边坡低部为1 m厚的排水反滤料，顶部为杂土填筑；内侧顶部为排水料及防水膜，底部为原始层位（图1）。

图  1  渠道模断面形式图（a）及实景照片（b）

Figure  1.  (a) Channel model section form drawing and (b) real photo

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在渠线桩号46+376～48+247段出现的渗漏现象，多数是由坝体本身材料原因所致。①坝基地质缺陷，如渗透层、软弱层、微裂隙等。当水渠输水后，受水的作用，坝基形成局部沉降。②坝体施工中的质量缺陷。如选料介质不均一，填充不均匀，碾压程度不够，密实度偏小，防水工程有缺陷等。两种因素叠加，形成共同影响，导致堤坝渗漏。这需要通过地球物理综合探测加以分析判定。

1.2   物性特征

引水渠的堤坝及渠道大体可分为3层，上部为土方填筑层，以砂土、黏土为主，含水率较低；中部为截渗混凝土隔层，含水量较高；下部为砂质粉土、黏土（低液限粉土），呈湿–饱和状态。

根据实测，坝体填筑层砂土、黏土电阻率在10～50 Ω·m变化，介电常数为5～45，且电阻率差异不大；截渗混凝土隔层电阻率在150～500 Ω·m变化，为相对高阻，介电常数一般在4.5左右，电阻率与砂土、黏土电阻率差异明显；河水电阻率在0.1～20 Ω·m变化，为相对低阻，详见表1。当坝体内产生裂隙和空洞充下水时，会呈现相对低阻异常特征；当坝体内产生塌陷和空洞未充水时，表现为相对高阻异常特征。因此研究区内具备开展高密度电法及地质雷达工作的物性前提。

表  1  研究区物性参数表

Table  1.  Physical property parameters of the study area

介质	介电常数	电阻率（Ω·m）	备注
空气	1	∞	收集
河水	80	0.1～20	实测
砂土	5～35	15～50	实测
黏土	8～45	10～30	实测
混凝土	4.5	150～500	实测
砂质粉土	3～6	30～100	实测

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2.   综合物探技术简介

2.1   高密度电法

高密度电法实际上是集中了直流电阻率剖面法和电阻率测深功能的一种陈列勘探方法（田中英等，2019），其原理与普通电阻率法相同。该方法以电性差异为物理基础，采用陈列式电极向大地发射直流电信号，形成人工电场，通过密集采样观测，了解地下介质体的视电阻率相对值或梯度分布规律，识别目标体地电结构，解决一定地质的问题。高密度电法直接测量的数据是供电电流I（mA）和电极之间的电位差ΔV（mV），在水平均匀介质中，电极之间的视电阻率$ {\rho }_{s} $满足以下关系式：

式中：K为装置系数，与供电极AB、接收极MN相对位置有关。在技术施工中，高密度电法测量系统通过自动控制和集成电路控制电极自动转换，实现了不同的电极之间自由组合，自动采集、存储间隔电极之间的电流、电位信号，进而获取了由浅至深的地面断面信息。在工程物探中，特别是水利设施渗漏探测方面，该方法对低阻异常较为敏感，成果图像直观，易于分辨异常。它采用高密度布点，进行二维地电断面的测量，既能揭示地下某一深度水平岩性的变化，又能提供岩性沿纵向的变化情况（孔繁良等，2022）（图2）。

图  2  高密度电法工作示意图

Figure  2.  Schematic diagram of multi-electrode resistivity measurement system

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2.2   地质雷达法

地质雷达通过发射天线向地下定向发射宽频带短脉冲高频电磁波，电磁波经有物理性质差异的地下地层或目标体反射后返回地面，由接收天线所接收。由于地下介质往往具有不同的物理特性，如介质的介电性、导电性及导磁性差异，导致电磁波具有不同的波阻抗，电磁波在穿越地下各地层目标体时，特别是不同介质的界面，会发生反射和折射现象，而反射回地面的电磁波脉冲传播路径、电磁波场强度及波形随之通过介质的介电性质、空间形态而变化，这些现象集中反映在地质雷达记录的波形和波阻抗特征的变化上（曹恒亮等，2017）。因此，从接收到的雷达反射回波走时、幅度及波形资料，可以推断地下介质的埋深与分布特征（图3）。

图  3  地质雷达法工作示意图

Figure  3.  Schematic diagram of geological radar method

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地质雷达探测系统主要由主机、接收天线和发射天线组成。主要原理是发射天线向地下发射电磁波，电磁波射入地层内部后在遇到介电常数不同的介质时会发生明显的反射现象，反射电磁波返回地面会被接收天线所接收（刘波等，2020）。雷达主机接收到反射信号后，会根据雷达采集时窗大小和反射波谱特征，生成雷达水平时间叠加剖面（田中英等，2018）。

3.   成果分析

3.1   测线布置

为查明可能存在的渗漏通道空间分布特征，在渠堤顶部、迎水坡及渠底布置了5条高密度电法、地质雷达测线（图4），根据探测成果，圈定了隐患异常，指明了治理加固地段。治理完成后，又在L-2线、L-6线相同位置再次开展了高密度测量。

图  4  物探剖面布置图（a）及测线相对位置图（b）

1.物探工作地段；2.剖面横向位置；3.物探剖面编号；4.历史最高水位线

Figure  4.  (a) Layout of geophysical profile and (b) relative position of survey line

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高密度电法测量仪器选用DUK-4型全波形高密度电法仪，采用温纳装置，120道电极，极距2 m；考虑到高密度电法的铜钎电极会对渠堤产生破坏，改进了电极装置，使用规格一致的钢球代替铜钎电极。地质雷达测量仪器使用GSSI SIR4000型地质雷达，发射天线100 MHz，点测量模式，点距1 m。

3.2   探测结果分析

L-2线物探综合剖面位于沿渠堤顶部的北部，剖面方向约90°，剖面长度400 m。雷达探测结果显示，0～3 m处雷达波同相轴总体连续，振幅、频率、波向一致性均较好，能量均匀衰减，而3 m以下3桩号39980反射同相轴向上凸起，桩号40315同相轴向下凹陷及部分错断；桩号39980-39995、40125-40155段反射同相轴有向上凸起、相位交错转换的现象（图5a黑色方框）。

图  5  北渠堤L-2剖面综合探测成果图

a.地质雷达水平叠加时间剖面；b.治理前高密度法电阻率反演剖面；c.治理后高密度法电阻率反演剖面；d.推断解释剖面

Figure  5.  Comprehensive detection results of L-2 section of North canal embankment

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从高密度电法图中可以看出，电阻率变化特征可分为3处电性层（图5b），浅部0～3 m的电阻率分区明显，局部电阻率的变化反映土方压实程度的差异。桩号40057-40122段的高阻区对应于早期压实治理段；中部3～4.5 m处的低阻带反映了渠堤截渗混凝土隔层的连续性，这是因为截渗混凝土相当于隔水层，其上方回填土因充水而呈低电阻特征，局部低阻断续部位和高阻突变段，反映截渗混凝土浇注薄弱隐患段，再结合地质雷达成像中的波阻抗界面突变的特征推断为渗透隐患点（图5b椭圆形图示部分）；深部5 m以下整体呈稳定连续的高阻显示，推断为原始层位。

根据地质雷达与高密度成果，建议了3处治理地段（图5d）。治理完成后，在同点位布置了高密度电法剖面，从断面图中可以看出治理前的局部低阻断续和高阻突变现象已消失，整体可分为3个连续变化的电性层（图5c），表明后期治理效果较好，消除了渗水隐患。

L-3线位于北渠堤迎水坡，沿渠内壁布设，长300 m。渠壁倾角约26.5°，地质雷达反映深度实际不是垂向深度。1.5 m以下地质雷达波同相轴成层性较差，这与观测位置有关，观测对象与观测设备存在一个夹角，增加了雷达波双程旅时，反映的层位深度要大于实际深度。桩号40125-40165之间（图示黑框位置）同相轴的向上凸起与L-2线同点位异常相似，反映了同一地质现象，即填筑物压实程度不足，形成局部凸起，存在渗水隐患。南渠堤迎水坡L-5线地质雷达影像成果与L-3线类似，桩号40130-40155之间的反射波同相轴不连续同样反映了填筑物不稳定地段（图6）。渠堤迎水坡无法有效放置电极，故未开展高密度电法工作。

图  6  渠堤迎水坡地质雷达叠加时间剖面图

a. 北渠堤迎水坡L-3线叠加时间剖面图；b. 南渠堤迎水坡L-5线叠加时间剖面图

Figure  6.  Geologic radar horizontal stacking time profile of canal embankment facing slope

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L-4线位于引水渠底部。从综合剖面图上看，依据电阻率特征，分为3个稳定的电性层，分别对应于水泥混凝土（层）、后期加筑填充层、原始层位；除图示3处铁磁性干扰异常外，地质雷达反射波同相轴总体连续，波向一致性均较好，能量均匀衰减；高密度电法和地质雷达成果均反映渠底整体结构稳定（图7）。

图  7  渠底L-4线剖面综合探测成果图

a.地质雷达水平叠加时间剖面；b.高密度电阻率反演剖面；c.推断解释剖面

Figure  7.  Comprehensive detection results of L-4 line profile at the bottom of canal

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L-6线物探综合剖面位于南渠堤的顶部，与L-2平行，长400 m。桩号40050-40150段为第二段是本次工作重点区域。浅层0～3 m雷达波同相轴较连续，反映层位清晰，能量衰减均匀，是粉土、黏土的充填反映，局部的反射同相轴缺失与介质不均匀分布有关。3.6～4.2 m的反射同相轴整体较连续，桩号40047-40057段同相轴有错断、不连续，推断为土质松散不密实（图8a）。

图  8  南渠堤L-6剖面综合探测成果图

a.地质雷达水平叠加时间剖面；b.治理前高密度电阻率反演剖面；c.治理后高密度电阻率反演剖面；d.推断解释剖面

Figure  8.  Comprehensive detection results of L-6 section of South canal embankment

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高密度测深成果与L-2线相近，也可分为3个电性层，浅部0～3 m反映土方填筑层，桩号40057-40122段为早期压实治理段，与加筑灌浆有关（图8b）。3～6 m的低阻带较连续，整体反映为回填土含水层，仅在桩号40055左右存在低阻异常的缩小尖灭现象，结合地质雷达成果，推断为渠堤软弱下沉段，存在渗透隐患，建议后期治理。治理后的高密度成果显示，各电性层连续性较好，后期的治理取得了较好的效果（图8c）。

通过高密度电法、地质雷达方法，查明了水渠堤坝4处病险隐患，集中分布在截渗反滤料层之上1~2 m范围内，均与碾压程度不够、密实度偏小有关；经开挖工程验证圈定的4处病险隐患存在不同程度的疏松且富水。

4.   结论

（1）高密度电法采集的信息丰富，既能反映探测目标体水平岩性变化特征，又能提供其纵向的分层情况；但常规装置的铜钎电极接地要求限制了其应用前景，因此高密度电法在探测重要工程设施时，需要对电极进行改装。

（2）地质雷达具有无损探测、工作效率高、工作便捷等特点，但探测深度大于10 m时多采用非屏蔽天线，外界存在铁磁性物质，如混凝土钢筋比例较高时，数据易受干扰。

（3）地质雷达与高密度电法相结合，利用多参数提高异常识别的准确度，降低物探异常的多解性，具有勘探成本低、施工效率高，成图直观，易于解译的特点，是水利设施无损探测行之有效的物探组合方法之一；能够在水渠、水库、防洪堤等坝基渗漏隐患探测中发挥重要作用。

（4）系统了解水渠堤坝筑坝材料、工程地质特点，判断坝体病险隐患类型，在掌握物性特征的基础上分析研究物探异常响应特征，针对性选择物探组合方法是病险隐患无损探测工作取得成功的关键。