利用重复近地表多方法地球物理勘探评估波兰南部奥尔泽波维奇堤坝的渗流情况

《Engineering Geology》：Assessment of water seepage in the Orzepowice embankment, southern Poland, using repeated near-surface multi-method geophysical surveys

　　

• 综合近地表地球物理测绘了地下非均质性，并识别了关键渗流和坝下渗流区域。
• 时移地球物理技术追踪了与大规模水泥灌浆相关的地下变化。
• 修复使排水系统流量降低了30%，支持了地球物理解释。
• 重复性多方法地球物理调查为评估老化水利基础设施提供了可靠的框架。

**引言**

堤坝是防洪、水资源管理以及居民和农业区域保护的关键基础设施。土质堤坝的结构完整性取决于适当的土壤压实度、材料均匀性以及排水系统的有效性（Zhao等，2022）。水流通过堤坝坝体或地基渗流可能导致内部侵蚀、管涌、土壤软化以及局部不稳定，对下游基础设施和社区构成重大风险（Chi等，2025）。因此，渗流的早期探测和持续监测对于有效的风险缓解和堤坝的长期性能至关重要（Kayode等，2018）。

传统的岩土监测方法主要是原位且有侵入性的——例如 piezometers（测压计）、检测井和动力触探——提供了关于地下水位和土壤压实度的有价值的点状数据。然而，这些方法在空间覆盖范围上受到严重限制，可能无法检测到局部非均质性或早期渗流通道（Nistor等，2020）。为克服这些局限性，近地表地球物理技术提供了非侵入性、空间连续、高分辨率和时间序列监测能力，能够探测与各种环境问题相关的地下异常（Mieszkowski等，2014；Sentenac等，2018）。电层析成像（ERT）已被应用于描绘渗流通道、绘制黏土层厚度和评估含水层脆弱性（Uhlemann等，2017；Jian等，2024）。面波多道分析（MASW）提供了剪切波速度变化的估算，支持了土壤刚度和地层划分的岩土及地质力学表征（Ayele等，2022）。探地雷达（GPR）对于识别极浅层地层、空洞和与水分相关的异常非常有效（Pueyo Anchuela等，2018），而浅层地震折射已被用于评估地基性质和检测地下刚度变化（Shebl等，2019）。

尽管单独的地球物理方法和组合地球物理方法已被广泛应用于堤坝和坝体调查，但很少有研究将快速侦察、重复调查、高分辨率成像和修复评估整合在一个监测流程中。本研究通过结合 CCR、ERT、SGPR、地震反射成像和地震折射层析成像来评估维护工程前后的渗流相关变化，弥补了这一空白。解决坝体和堤坝监测中的科学与工程挑战需要从广泛的场地特定和目标特定技术中选择适当的地球物理方法。Srinaiah等（2022）总结了岩土工程应用中使用的主要地球物理方法，概述了它们的原理、应用和局限性。综合近地表地球物理调查已被证明可以有效地表征地下非均质性、识别薄弱区域，并支持工程和环境中岩土稳定性和水文地质条件的评估（Azarafza等，2022；Abdelrahman，2025）。尽管取得了这些进展，仍然存在若干挑战，包括缺乏标准化的采集规程、地球物理反演的固有非唯一性、分辨率和探测深度的局限性，以及可能违反正模型假设的野外条件（Soares等，2024）。然而，在充足的先验信息、适当的初始模型和仔细解释的支持下，地球物理反演可以提供可靠且有意义的结果（Chevva，2025）。通过整合多种地球物理数据集和时间序列调查，并结合地质、水文地质和岩土工程信息，可以实现更稳健的环境评估（Franco等，2024）。时移地球物理方法，特别是电层析成像（ERT），已被广泛应用于监测自然和工程系统中地下水文过程和水文地球物理变化，包括含水层补给和近地表环境调查（Arboleda-Zapata等，2025；Shi和Wang，2024）。

调查场地是位于波兰南部Orzepowice一个人工水库周围的防洪堤。采用重复性多方法地球物理方法评估结构完整性并识别易发生渗流的区域。该场地被选中是因为其有滤流问题的历史记录和复杂的地下条件，包括堤坝下方存在古Ruda河，导致明显的地下非均质性和变化的水力行为。鉴于其在周边城市区域防洪中的关键作用，过去几年已实施了若干保护措施，如膨润土和乙烯密封填充。堤坝总长度约为680米，堤坝西北部包括一个曾受渗流影响并通过工程措施加固的弯曲段。

在本研究呈现的详细重复调查之前，进行了一系列初步试点调查，以获取对堤坝结构的初步认识，并确定需要更详细分析的区段。这些初步数据此前未发表，仅以一份为相关主管部门准备的非公开内部技术报告形式存在。因此，此处简要总结以解释详细调查区域、剖面位置和地球物理方法选择的理由。

作为这些未发表的试点调查的一部分，使用电容耦合电阻率（CCR）、5米偶极距的ERT、GPR和MASW进行了初步地下表征。根据这些结果，堤坝东南部一个300米长的区段被确定为异常区域，表明存在松动区域和潜在的优先水流区域。浅层异常（<5米）的不明显突出了堤坝底部进一步调查的需求，并强调了2023年10月和2024年6月进行的重复性近地表地球物理调查的重要性。详细调查阶段纳入了高分辨率地震方法，包括地震反射成像（SRI）和地震折射层析成像（SRT），以解析更深的非均质性和评估结构连续性。谱GPR（SGPR）作为一种新颖且近期开发的技术，提供了比传统GPR更深的穿透深度和更高的分辨率，被用于描绘2–6米深度范围内的地下特征，补充地震数据。此外，2米偶极距的ERT成像进一步细化了内部结构，通过识别材料对比和与水分相关的异常。

在两次测量活动之间，堤坝进行了翻修。作为翻修的一部分，从水库底部建造了一个5米高的乙烯隔墙，连接到上游坡面的筛网，随后在筛网下方进行了灌浆。本研究的主要目标是评估重复性多方法近地表地球物理调查能否识别渗流相关区域并检测与维护工程相关的变化。更具体地说，本研究旨在：识别潜在的渗流和坝下渗流通道，评估2023年和2024年调查之间地球物理响应的变化，将这些变化与水泥灌浆记录和排水观测进行比较，并在可能的情况下区分修复相关效果与季节水文变异性及更深的地质非均质性。修复效果通过可测量指标进行评估，如ERT电阻率分布变化、SGPR衰减模式、地震反射层连续性、P波速度变化、与注入水泥体积的空间对应关系以及排水系统流量的观测降低。

随着世界上许多类似结构持续老化，气候变化和降水模式变化对堤坝和坝体施加了额外应力。这些不断变化的条件凸显了开发和测试先进监测方法的迫切科学需求，这些方法能够可靠地评估结构状况和性能，以及评估作用于此类基础设施上的自然和人为力量。因此，可视化和量化岩土工程干预的效果，以及早期探测堤坝和坝体中初始失效机制，具有至关重要的意义。

**研究区域**

Orzepowice堤坝位于波兰南部上西里西亚，是Rybnik水库系统的一部分（图1a），约北纬50.1227°、东经18.5195°。作为土质防护结构，它为相邻的低洼居民区Orzepowice提供防洪保护。水库兼具防洪和水资源管理功能，其运行显著影响堤坝及其地基内的地下水动态。

**初步调查和岩土工程数据**

沿堤坝整个680米坝顶（图1b中的红线）获取的初步CCR预扫描显示，结构可分为两个电学特征不同的区段（图2a）。第一段（0–350米）的特征是平均电阻率约为102 Ω·m，而第二段（360–680米）表现出明显更高的值，接近10? Ω·m。这种显著的电阻率对比表明压实状态、水分分布或……存在空间变化。

**电容耦合电阻率**

CCR类似于使用偶极-偶极阵列的ERT方法，提供了地面视电阻率的估算。主要区别在于采集过程：测量使用便携式伽法电极进行，电极由小型车辆沿地面牵引或由单人携带（Yamashita等，2010）。该方法的主要优势是能够快速且近乎连续地收集数据，这得益于不需要金属桩……

**结果**

沿堤坝坝顶连续多年进行的ERT调查显示，地下电阻率分布发生了显著变化。堤坝坝体主要由砂质堤坝组成，局部由砂砾组成，地基主要为砂质土壤。局部地基包括低渗透性黏性材料的互层，如粉质黏土和砂质粉土。在剖面的中部（见图3b），大约在410至510米之间……

**讨论**

本分析的目标之一是评估2023年维护工程后的渗流情况。解释层面的整合采用了顺序性和交叉验证的工作流程，而非正式的联合反演或参数级数据融合。每个地球物理数据集独立处理和解释，随后比较所得异常的相对位置、深度范围、横向连续性和地球物理……

**结论**

本研究展示了Orzepowice堤坝的状况，此前对这一状况了解不足。它突出了综合近地表地球物理工作流程在评估渗流、结构完整性和地下非均质性方面的有效性。初步CCR侦察识别了坝顶的异常区域，指导了有针对性的ERT（5米偶极距）、MASW和GPR调查。这些方法揭示了电阻率、刚度和浅地层划分的空间变化……

**CRediT作者贡献声明**

Eslam Roshdy：可视化、验证、软件、方法学、调查、形式分析、数据整理、写作–审阅与编辑、写作–原始草稿。Szymon Oryński：软件、方法学、调查、写作–审阅与编辑。Artur Marciniak：方法学、调查、写作–审阅与编辑。Sebastian Kowalczyk：资源、调查、形式分析。Rados?aw Mieszkowski：资源、数据整理。Tomis?aw Go??biowski：方法学。Bernadeta Rajchel：

**利益冲突声明**

作者声明他们没有已知的相互竞争的经济利益或个人关系可能会影响本文所报告的工作。

**致谢**

本研究由波兰国家科学中心（NCN）资助，项目编号2022/45/B/ST10/00658。作者衷心感谢PGE GiEK O. El. Rybnik提供场地准入、相关作业支持以及发表所呈现结果的许可。感谢Andrzej Górszczyk、Toktam Zand、Kamal Aghazade、Mahdi Sonbolestan和Akshay Vishwakarma在野外工作方面的协助。

Eslam Roshdy | Szymon Oryński | Artur Marciniak | Sebastian Kowalczyk | Rados?aw Mieszkowski | Tomis?aw Go??biowski | Bernadeta Rajchel | Zygmunt Trze?niowski | Bartosz Bednarz | Pawe? Popielski | Mariusz Majdański