随着江河库坝水利工程运营年代的增长，病险隐患日益增多；尾矿库渗漏或洪水期间，对库区或堤坝隐患的快速准确探测更是刻不容缓；加上水下考古、海底找矿等工程项目对良导掩埋体的探测需求，实现对水下隐伏目标体的快速有效探测意义凸显(冷元宝等，2003；姜海波等，2013).

现有的地球物理探测手段包括探地雷达、瞬变电磁、声呐、地震勘探、常规电法勘探等.探地雷达发射的高频电磁波在水体中衰减迅速，探测深度欠理想(郭秀军等，2010；尚向阳等，2011)；瞬变电磁存在低阻水体造成的低阻屏蔽现象(倪亮等，2012)，而方法本身存在体积效应，为减少发射磁场损耗而增加发射与接收线圈离水面的距离降低了横向分辨率(杨农合等，2012)，对规模较小的目标体难以奏效；水中声呐、地震勘探(刘宏岳等，2012)对水底面以下沉积层中的目标分辨能力有限，难以有效探测规模相对较小而且隐蔽的水下目标；常规电法勘探施工测量效率低，在较深水域探测分辨能力差，难以有效完成水下探测任务.

水下电法在水下进行布极供电和测量，因充分接近目标体而具有更高的探测分辨能力.早在30年前，水下电法就被世人熟知，但在连续性测量方面应用很少(Passaro等，2010).目前水下电法在理论上已经比较完善，水下供电时的2维正演(傅良魁，1959；吴彩虹，2007)、2.5维正演、与三维正演问题(胡博等，2010；王威，2010)都已被解决，尤其是ANSYS软件在电法正演中的应用(汤井田等，2006；王武等，2010；张军等，2012；史謌，2004；刘玉兰，2006)，快捷、准确地为水下电法探测技术的应用提供了理论支撑.系统设计方面出现了3种典型探测装置.张彪(张彪，1998)采用类似二极装置的测量模式，其水下测量装置由垂直放置的单极—单极排列组合而成，具有相对较大的勘探深度，可估计水下多层介质的视电阻率，但没有涉及到横向分辨率.Passaro(Passaro，2010)利用栓在浮标下1 m处的电极系进行供电与测量，电极系通过缆绳由船只拖拉，移动便捷，但电极系未有效迫近目标，探测能力有限.Apostolopoulos，G(Apostolopoulos，G，2012)采用放置在水底且抛锚固定后的电极系进行供电及观测，横向分辨率高，但排列布置与移动繁琐，施工效率低.从方法技术上来看，同时达到勘探深度大、分辨率高和简便快捷是水下电法勘探的瓶颈.

走航式电法快速探测系统为突破上述瓶颈，采用迫近目标体的水下单极供电、多个测量电极线性排列观测电位的方式提高勘探深度及分辨率，这由直流电法隧道超前预报(朱德兵，2011)中二极比三极观测装置的信噪比高这一结论类比可知；采用船只拖拉式测量模式，整套装置电极结构相对固定且能迅速移动，解决了装置高效移动难题.针对观测系统的数值和物理模拟能够综合论证走航式电法快速探测技术的有效性.

1 数值模拟实验分析

为验证走航式电法快速探测技术的探测效果，同时为该技术投入生产实践提供理论支持，本节运用ANSYS有限元分析软件对观测系统进行电场数值模拟.

1.1 ANSYS软件

ANSYS集结构分析、热分析、流体分析、电磁场分析、多物理场分析(阎照文，2008)于一体，在水利、地矿、能源、机械制造等领域被广泛运用.强大的前后处理功能和二次开发功能使它成为CAE(Computer Aided Engineering)软件的首选(王建江等，2008).因此本文采用ANSYS软件进行三维地电模型数值模拟.

1.2 有限元计算模型设计

设电阻率为0.001 Ωm的良导球体顶部离水面14 m，直径为10 m；半无限的水体电阻率为80 Ωm；供电负极B置于“无穷远处”.数值模拟用来分析两种电极系排列(S1和S2)的异常特征：距水面10 m的水平电极系以S1表示，共27个电极，其中所含电极A为供电电极，两两相距0.5 m；A极位于下方的垂向测量电极系用S2表示，共19个电极，两两相距0.5 m；供电点A在深10 m的水下移动，测线与水平电极系S1所在直线重合且过球顶正上方，球心在测线上的投影点定义为原点O，如图 1所示.

图 1 探测模型示意图Fig. 1 Schematic diagram of detection model

供电点A与O的距离以|d|表示，供电点不断迫近良导球体时，d取负值，不断远离球体时则取正值，单位：m.从d=-16位置开始供电测量，观测并保存44个测量电极相对于供电负极B的电位差与电流后，重复以上操作，以2 m为间隔依次完成在d=-14至d=16位置上的测量.

建立9个有限单元数值模型进行计算.以空间某点为原点建立直角坐标系xyz，用z=10的平面切割以原点为圆心半径为100 m的球体模型，删除小半球体模型，剩余的大半球体模型用来模拟水体.为满足网格剖分的需要，将以原点为质心建立的小正方体模型与剩余的大半球体模型进行“体的搭接”操作，产生仍属于水体模型的内嵌小正方体模型.以点(0，y，-9)(其中y=[0，2，4，6，8，10，12，14，16]，对应9个模型)为圆心建立直径为5 m的球体模型，选中所有的模型后执行“布尔”操作产生内嵌球体模型，用其模拟良导球体.

有限元模型基于solid69单元建立而成，其中水体模型单元与良导球体模型单元的电阻率分别设置为80 Ωm与0.001 Ωm.采用映射网格剖分内嵌小正方体模型，然后智能网格剖分模型其它部分，经网格加密后生成的以原点处节点为中 心的外辐射状网格如图 2所示，而球体模型的剖分网格如图 3所示.

图 2 半空间水体有限单元剖分模型图Fig. 2 The finite element model of half space water

图 3 半空间水体内隐蔽球状目标体有限单元剖分模型图Fig. 3 The finite element model of hidden spherical objects in the half space water

良导球体处于水体中心区域且尺寸相对较小，对水体外边界(不包括上层水面)上的电位畸变很小.不考虑良导球体造成的电位畸变，由镜像法(杨儒贵，2009)可根据供电电流的位置与大小计算出水体外边界上任意一点的电位值，利用APDL参数化设计语言(师访，2012)在外边界的每个节点上加载对应的计算值，精确模拟外边界条件.9个模型的电流载荷都加载在原点处的节点上，而良导球体模型相对原点沿y轴正方向不断移动，供电点相对良导球体模型沿y轴负方向不断移动.将计算完成后的每个模型在(0，-13，0)、(0，-12.5，0)、(0，-12，0)…(0，12.5，0)(0，13，0)以及(0，0，0)、(0，0，0.5)、(0，0，1)、…(0，0，8.5)、(0，0，9)位置上的电位值通过‘自定义路径’操作导出，即完成整条测线的模拟探测任务.

1.3 数值模拟结果的可靠性验证

将9个有限元模型的良导球体单元电阻率改为80 Ωm，网格剖分以及边界条件处理方式不变进行试算.试算结果的精度如果满足模拟的要求，则一定程度上说明有限元模型的网格剖分及边界条件处理方式合理及模拟结果可靠.

将计算完成后的每个试算模型在(0，0.5，0)、(0，1，0)、(0，1.5，0)…(0，13，0)以及(0，0，-9)、(0，0，-8.5)、(0，0，-8)、…(0，0，8.5)、(0，0，9)位置上的电位值通过“自定义路径”操作导出，以图件的形式显示其计算相对误差的大小.(0，0.5，0)、(0，1，0)、…(0，12.5，0)、(0，13，0)点上的计算相对误差如图 4a所示，(0，0，-8.5)、(0，0，-8)、…(0，0，8.5)、(0，0，9)点上的计算相对误差如图 4b所示，其中L为收发距，即观测点距供电点的距离，单位为m.

图 4 Ansys模拟可靠性验证计算相对误差图(a)水平方向上的计算相对误差图；(b)垂直方向上的计算相对误差图.Fig. 4 Calculation relative error of Ansys simulation reliability verification(a)Map of calculated horizontal relative error；(b)Map of calculation vertical relative error.

由图 4可知，解析解与模拟结果的相对误差幅度小于0.7%，数值模拟结果具有较高的精度.将均匀半空间(水体介质，电阻率80 Ωm)中的良导球体模型的解析解(李金铭，2005)与ANSYS模拟结果也进行了比对，电位模拟数值的相对误差也在1%以内，从而也证实了有限元算法实施中单元剖分和边界处理的合理性.

1.4 数值模拟结果分析

在电法勘探中，一般都将测量的电位或电场做视电阻率转换，然后通过真实电阻率反演来实现对目标对象及所处环境的地质推断解释(朱德兵，2010).真实电阻率反演需要一定的前提条件，水下地质条件复杂，通过反演来判断目标体的位置、尺寸等属性难以奏效.本文提出直接采用电位相对异常进行定性或半定量解释，其本质与视电阻率一致，但异常特征更明显.下面以均匀半空间的电位分布为参考背景场，对数值模拟结果进行具体分析.

将水平测量电极系的电位相对异常以d为横轴、L为纵轴绘成图 5所示的等值线图，宏观上将异常的特征及变化规律表现出来.由图 5可知：幅值为8%的电位相对异常能清晰反映良导体的存在；原点O或d=0左右两侧的等值线形态明显不对称，供电点与目标体的相对位置直接影响剖面异常特征；异常极值点出现在原点右侧；L=5对应的异常值随d的变化最为敏感；在相对异常值为3.3%的圈闭曲线上用L=5的直线切割出的水平方向线段，其长度约为10 m，与良导目标球体的尺寸吻合，不同的目标对象和不同的排列移动方式，异常大小的分布与目标尺寸可能存在一定的相关关系，这对于半定量解释可以提供参考.

图 4 Ansys模拟可靠性验证计算相对误差图(a)水平方向上的计算相对误差图；(b)垂直方向上的计算相对误差图.图 5 水平测量电极电位相对异常等值线图Fig. 5 Contour map of horizontal electrodes’ potential relative anomaly

为进一步研究不同的d时异常随L的变化规律，将图 6a与图 6b进行对比分析.对比可知： 越靠近目标体，曲线的弯曲程度越高；异常幅值并非随L的增大而减小，即存在最佳收发距.

图 6 水平电极系电位相对异常曲线图(a)d<0时水平电极系电位相对异常曲线图；(b)d>0时水平电极系电位相对异常曲线图.Fig. 6 Potential relative anomaly curve of horizontal electrodes (a)Potential relative anomaly curve of horizontal electrodes when d<0； (b)Potential relative anomaly curve of horizontal electrodes when d>0.

垂直测量电极系的电位相对异常曲线特征如图 7所示.垂直测量电极系的电位相对异常最大幅值约为5.2%，远小于水平电极系最大异常；电极系迫近良导体时，异常逐渐增大，同时对于相同d值参数，异常随L的增大而增大，在相对较大的L值域内趋于平缓.

图 7 垂直测量电极电位相对异常曲线图Fig. 7 Potential relative anomaly curve of vertical electrodes

对比水面布极模式的探测效果，做如下计算：在电阻率为ρ₀的半无限介质中，存在直径为D、顶部埋深为h的理想导体球时，采用中梯装置在介质表层供电并观测，理想异常极大值为

数值模拟结果的分析说明：走航式电法快速探测技术相较水面布极模式具有更好的探测效果；根据电位相对异常特征及变化规律可判断目标体的位置及横向近似尺寸；较长的测量电极排列能覆盖最佳收发距，达到最佳探测效果；水平测量电极系比垂直测量电极更具探测优势.

2 物理模拟实验

为综合验证走航式电法快速探测技术的探测效果，结合数值模拟，在大水槽完成物理模拟实验.

物理模拟实验的设计草图如图 8所示.相关参数描述如下：试验水槽的尺寸：长×宽×深=4 m×5 m×1.8 m；异常球体：铝合金球体，直径为25 cm，其顶面离水面高度是61 cm；电极系：采用以A为供电正极、所在直线过球体正上方且距水面高度为0.52 m的水平测量电极系S，其中L=[2，4，6，8，10，12，14，16，18，20，22]，单位：cm；供电负极：埋于距水槽50 m的泥土中；测量仪器：重庆地质仪器厂生产DDC-6电子自动补偿仪；测点：布置的测线与测量电极系所在直线重合，以d布置测点，其中d=[-24，-18，-12，-6，0，6，12，18，24，30]，单位为cm.

图 8 物理模拟实验设计示意图Fig. 8 Schematic diagram of physical simulation experiment

逐测点进行测量后，将未放球体时在每个位移点上的测量电位值作为背景场值，把所测数据以d为横轴、L为纵轴绘成图 9所示的电位相对异常等值线图.

图 9 实测水平测量电极电位异常等值线图Fig. 9 Contour map of horizontal electrodes’ potential relative anomaly with actual measured data

图 9显示的电位相对异常特征及变化规律与图 5反映的结果基本一致.结合数值模拟结果表明走航式电法快速探测技术有效，比水面布极勘探模式具有更好的探测分辨能力.

3 实施方法

走航式电法快速探测技术的装置简便，如图 10所示.整套探测系统包括供电电极组、多路测量电极组、如图 11所示的电极转换装置、电法测量仪器、拖缆、电源、GPS定位系统.通过水底电极A和距A大于2倍水深的水面电极B组成供电电极组，电极A随拖船前进方向在前、由多个测量电极组成的多路测量电极组成串在后，通过缆绳挂在拖船上，同时通过一根与缆绳缠绑在一起的分离导线将多路测量电极电位信号引入电极转换装置，电极转换装置通过开关切换将多路测量电极电位信号按顺序分别引入电法勘探测量仪器.

图 10 走航式水下电法快速探测装置示意图1. 水底隐伏目标；2. A电极供电导线；3. 电源；4.拖船；5.电法测量仪器；6.电极转换装置；7.多路信号传输电缆；8.供电导线；9. A电极和测量电极组附着用缆绳；10.多路排列测量电极；11. GPS定位系统.Fig. 10 Schematic diagram of underway electrical rapid detection device 1. The bottom of concealed targets；2. Power supply wire of electrode A； 3. Source； 4. Tugboat； 5 Electrical measurement instrument； 6. Electrodes conversion switch； 7. Multi-channel signal transmission cable； 8. Current supply line； 9. Cable attached with electrode A and measuring electrode group； 10. Multiple alignment measuring electrodes； 11. GPS positioning system.

图 11 电极转换开关示意图Fig. 11 Schematic diagram of electrodes conversion switch

拖船行进中，A电极到达某一点，用GPS进行定位后，通过供电电极组A-B进行供电并记录供电电流，通过电位测量仪测量各测量电极相对于供电电极B的电位差，形成基于供电点A的多路电极电位差参数，将其分布记录存储，作为一组测量解译数据.拖船继续前进，测量系统随之移动，用GPS定位后测量下一个供电点A处的测量电极电位差，将其分布记录存储，作为第二组测量解译数据，依次类推.将平均信号作为背景场，根据电位相对异常曲线的特征来判断异常体的位置以及横向近似尺寸.

整套系统装置简便，采用船只牵拉方式使其快捷移动，测量过程快且轻巧，施测成本低，能满足快速探测的要求.对于能够完成多路同步测量功能的电法勘探系统来说，一次供电可以测量排列电极系的电位，施测效率更高.

4 结 语

4.1    走航式电法快速探测系统为汛期和非汛期江河堤坝、水库渗漏隐患以及水底金属结构物的快速探测而设计，物理模拟与数值模拟分析结果表明：水下电极系迫近目标的传导类电法勘探模式相比水面布极模式具有更好的探测分辨能力；采用电位测量和电位相对异常作为异常识别标志，原理和装置简便，为快速探测提供了可能.

4.2    水下地质地球物理背景复杂，电法勘探受地电条件及环境干扰影响大，受限于测量数据的信噪比和探测方法的分辨能力，往往难以分辨真假异常而做出适当结论(朱德兵，2011).在实际应用中，可大体分两步走，利用走航式电法快速探测系统快速圈定目标体的存在位置和个体的分布范围即靶区，再根据拟探测目标体与周围介质的性状差异，结合其它探测方法对靶区进行二次排查，从而提高解释推断结果的准确性，综合达到对水下隐伏体高效准确探测的目的.

致 谢    本文利用ANSYS软件对三维地电模型进行数值模拟，此过程离不开邹声杰博士的悉心指导.邹声杰博士从百忙之中抽出时间亲自演示ANSYS软件及提供重要的剖分技巧，是最终获取符合模拟要求结果的关键.在此之际，对邹声杰博士表示衷心的感谢与诚挚的祝福.