鄧 剛，李維朝，張茵琪，侯偉亞，黃 昊，嚴 俊，程森浩，陳 康

（中國水利水電科學研究院，100038，北京）

千里之堤，潰于蟻穴。我國現(xiàn)有水庫大壩超過9萬座，5級及以上堤防超過30萬km，絕大多數(shù)為土石結(jié)構(gòu)。土石堤壩及其周邊環(huán)境土壤適宜、水源充足、食料豐富，為白蟻提供了良好生存生活環(huán)境。白蟻在堤壩上筑巢、修道、繁殖，形成復雜洞穴結(jié)構(gòu)，破壞堤壩結(jié)構(gòu)完整性，極易誘發(fā)滲漏、跌窩等險情，嚴重的甚至會造成垮壩、崩堤等事故，給我國堤壩安全運行帶來重大風險隱患。

無論巢穴中蟻群是否存活，堤壩中存在的白蟻巢穴和蟻道都是堤壩安全的嚴重威脅。探測到隱蔽巢穴的位置并采取挖除或灌漿等措施進行處置，是解決白蟻危害的關(guān)鍵途徑，越早處置越有利。白蟻巢穴埋置于堤壩坡面以下，位置、大小與泥被和泥線、分群孔等地面指示物的關(guān)系變異性大，如非發(fā)現(xiàn)雞樅菌或炭桿菌等連接淺層巢穴的指示物，常難以準確探測巢穴，制約了進一步處置。

國內(nèi)外學者考察了白蟻巢穴的特征，開展了大量探測方法研究，為白蟻巢穴探測技術(shù)的突破積累了經(jīng)驗。本文分析了國內(nèi)外堤壩白蟻巢穴探測技術(shù)的物理基礎，根據(jù)探測手段類別介紹了各探測技術(shù)的現(xiàn)狀和前景，以期為進一步的發(fā)展和突破提供借鑒。

一、堤壩白蟻巢穴的一般特征

白蟻是一類古老和低等的社會性昆蟲，群居、趨暗、趨濕、趨溫、敏感、喜好清潔且有嚴格分工。白蟻常以干枯植物、活體植物或真菌為主要食物，一些種類的白蟻與以雞樅菌為代表的真菌共生。

我國堤壩白蟻主要危害種類包括白蟻科土白蟻屬、大白蟻屬及鼻白蟻科乳白蟻屬等，種類較多，如土棲的黑翅土白蟻、黃翅大白蟻、囟土白蟻、海南土白蟻及土木兩棲的臺灣乳白蟻等。堤壩中白蟻巢穴多分散分布于堤壩的坡面下、浸潤線以上的土壤中，除蟻王、蟻后居住的主巢外，還有一些獨立副巢（腔室）和連接主巢、副巢及通向外部的蟻道（圖1）。

圖1 白蟻巢穴在堤壩頂部的分布示意

白蟻巢穴具有很強的物種差異，不同種類白蟻的巢穴呈現(xiàn)出不同的形式和結(jié)構(gòu)特征，且隨巢齡不同存在持續(xù)變化。

從形式上看，白蟻巢穴一般隨蟻群初建、成長到衰亡呈從單腔到多腔、從簡單到復雜的發(fā)展過程。幼年巢經(jīng)超過5 年的發(fā)展，形成熟巢后才開始產(chǎn)生分群孔，巢內(nèi)有翅成蟲經(jīng)分群孔或其他蟻路出口向外移殖，飛翔超過100 m，并在雌雄配對后再次入土建筑新巢。從結(jié)構(gòu)上看，巢體結(jié)構(gòu)隨巢齡發(fā)展階段不同也存在差異。幼年巢一般為單腔，主巢中蟻王、蟻后直接居住在菌圃之下；以后菌圃下部被工蟻蛀空，形成一個小腔室供蟻王、蟻后居?。辉偻蟛判纬缮羾o起來的王室。成年巢中，生化土框架高度發(fā)育，王室直接建在王室菌圃腔中間的泥質(zhì)框架內(nèi)部，上部、周邊有不同數(shù)量的衛(wèi)星菌圃腔。進入老年期，菌圃多數(shù)萎縮，主巢上部形成大空腔，下部各室的菌圃一般最多充滿半個腔室，這個時期的主巢、副巢均不飽滿，一般又大又空。從尺寸上看，巢體直徑一般隨巢齡增長而增大。巢齡小于5年的幼年巢直徑多小于0.25 m，巢齡大于20年的成年巢主巢直徑可達1.0 m。

從組成上看，主巢包括菌圃腔（由生化膠結(jié)土框架和質(zhì)輕多孔的海綿狀菌圃組成）、空隙（空氣流通和交通通道）和王室（由生化膠結(jié)土厚殼和內(nèi)部空間組成的扁形相對封閉盒狀物）等三個部分；副巢則僅包括菌圃腔和空隙兩個部分。各主要組成部分如圖2~4所示。

圖2 白蟻巢穴中的菌圃腔

圖3 白蟻巢穴中的生化膠結(jié)土框架

圖4 白蟻巢穴中的王室和空隙

從材料組成上看，白蟻巢穴中的生化膠結(jié)土主要由細粒土、白蟻糞便和唾液組成，其中細粒土主要包括粒徑小于0.01~0.05 mm的粉粒和黏粒。生化膠結(jié)土的鉀、鈣、鎂、鈉等無機物和有機物含量均顯著高于巢外土體。根據(jù)國內(nèi)報道，巢穴生化土框架的土粒粒徑均小于巢外土壤，但不同白蟻對營巢位土壤的選擇傾向有一定差異。如黑翅土白蟻巢位的營巢位（巢外）土壤質(zhì)地較粗，砂粒含量略高；黃翅大白蟻營巢位土壤質(zhì)地較細，細粒比例更高。

從材料狀態(tài)看，白蟻巢穴中的生化膠結(jié)土格外致密，密度顯著高于巢穴周邊土體，天然密度多超過1.5×103kg/m3；巢穴整體潮濕，含水量高于周邊，生化膠結(jié)土較為濕潤，天然含水量達25%左右，菌圃含水量極高，多超過130%。生化土一般呈酸性，pH值多在4.0左右。

巢體內(nèi)部二氧化碳、蟻酸含量顯著偏高；巢體內(nèi)溫度、濕度相對保持穩(wěn)定，一般均高于周邊土壤。

從上述分析可見，一方面，白蟻巢穴與周邊土體相比確實存在材料特性的明顯差異；另一方面，主巢、副巢內(nèi)部結(jié)構(gòu)都呈致密—疏松、硬—軟、潮濕—相對潮濕交互分布，巢穴結(jié)構(gòu)和材料特征、巢室內(nèi)充盈程度、生化膠結(jié)土材料與周邊土體關(guān)系隨白蟻種類、巢齡、周邊土體等變化較大。因此，巢體的平均物探參數(shù)（介電常數(shù)、電阻率、波速等）與周邊土體的關(guān)系并不明確，可識別度存在較高的變異性，導致白蟻巢穴的探測存在較高的技術(shù)難度?？梢灶A期，充盈程度低的老年巢和死巢，在菌圃高度萎縮、出現(xiàn)大量空洞后，與周邊土體的關(guān)系明晰化，可探測性應高于其他齡期巢穴。

也正是上述原因，尺寸更小的獾、鼠、狐等的洞穴，因結(jié)構(gòu)和材料簡單均勻——僅是土體中的空隙，洞穴平均物探參數(shù)與周邊土體關(guān)系明確，識別難度反而低于內(nèi)部不均勻而變異性大、尺寸也更大的白蟻巢穴，只是因洞穴尺寸較小，受探測方法的最小分辨率影響較為明顯。中國水利水電科學研究院在漳衛(wèi)南運河典型堤段的測試表明，淺層獾洞在物探圖像上有明顯體現(xiàn)。

二、堤壩白蟻巢穴探測技術(shù)的物理基礎和分類

探測一般包括四種功能，即識別、測量、定位和檢測。白蟻巢穴探測中較關(guān)心目標物即巢穴（特別是主巢）的識別和定位，其中核心是識別。是否能探測到，即方法可實現(xiàn)性是白蟻巢穴探測中最核心的問題，而白蟻巢穴探測中常說的“精度”，更多體現(xiàn)的是最小可識別能力，而不是測量或檢測的精度。

按照是否對堤壩結(jié)構(gòu)造成較大破壞，堤壩白蟻巢穴探測技術(shù)可分為有損探測和無損探測；按照是否將設備探入堤壩土體、洞室內(nèi)部，可分為介入式探測和非介入式探測；按照是否將巢穴本體即主巢或副巢作為探測對象，可分為間接探測和直接探測。有損探測的典型方法是錐探法，破壞性大且效率低。介入式探測的典型方法是自蟻道孔口向內(nèi)進行管道內(nèi)窺，因蟻道曲折難以深入主巢。間接探測的典型例子之一是通過分群孔孔口推測主巢位置，由于分群孔孔口與主巢位置間關(guān)系復雜，應用較少；通過蟻酸、二氧化碳濃度差異探測蟻道出口，并間接推測主巢位置的方法，也因類似原因較少采用。

無損、非介入的直接探測方法不對堤壩結(jié)構(gòu)造成損傷，效率更高，且對普查等環(huán)節(jié)依賴性小，是近年白蟻巢穴探測的重點研究方向。根據(jù)探測方法中所測定物理場的激發(fā)方式（天然源物理場，簡稱天然場；或人工源物理場，簡稱人工場），探測目標物指示信息的來源（目標物對外加信號的非自主響應如反射、折射等，或目標物自主對外釋放的源發(fā)信號），探測設備是否發(fā)出信號（主動式探測或被動式探測），可以將白蟻巢穴探測技術(shù)分為人工場非自主響應主動式探測技術(shù)、天然場非自主響應被動式探測技術(shù)、天然場自主源被動式探測技術(shù)等三大類。

人工場非自主響應主動式探測技術(shù)采用專門儀器主動激發(fā)媒介信號，向探測場地施加、從探測場地接收特定媒介信號，如電磁波、電流、彈性波等，利用接收信號體現(xiàn)出的不同材料非自主響應中的物探參數(shù)差異，識別和定位探測目標。該類技術(shù)常用方法共有6 種，包括以電磁波為媒介、以介電常數(shù)為基本物探參數(shù)的探地雷達法（a）；以電流為媒介、以電阻率為基本物探參數(shù)的電阻率法（b）；以電磁波（發(fā)送）和電流（接收）為媒介、以電阻率為基本物探參數(shù)的時間域電磁法，即瞬變電磁法（c）和頻率域電磁法（d）；以彈性波為媒介、以彈性波（瑞利波）波速為基本物探參數(shù)的面波法（e）；以彈性波為媒介、以彈性波（體波）波速為基本物探參數(shù)的聲波散射法（f）。

天然場非自主響應被動式探測技術(shù)采用專門儀器被動接收探測場地中透射出的特定媒介物理信號，同樣，利用不同材料非自主響應過程中的物探參數(shù)差異識別包括探測物在內(nèi)的物理場中的不均勻因素。當前常用方法共兩種，包括以彈性波（S 波）波速為基本物探參數(shù)的微動探測法（g）、以波阻抗為基本物探參數(shù)的地震頻率諧振法（h）。

天然場自主源被動式探測技術(shù)采用專門儀器被動接收探測場地中透射出的特定媒介物理信號，利用探測目標即巢穴的自主源發(fā)信號與周邊區(qū)域的物探參數(shù)差異直接識別和定位探測目標。主要包括兩種方法，以彈性波（聲波）為媒介、聲強為基本物探參數(shù)的聲波脈沖探測法（i），及以電磁波為媒介、輻射波長為基本物探參數(shù)的溫度熱輻射探測法（j）。

上述方法的物探技術(shù)基礎和分類詳見圖5。通過含水量、蟻酸和二氧化碳濃度等測試搜索蟻巢的方法，應用較少，未列入上述分類。

圖5 現(xiàn)有探測方法技術(shù)的物理基礎和分類

三、堤壩白蟻巢穴探測技術(shù)的發(fā)展

1. 人工場非自主響應主動式探測技術(shù)

典型的人工場非自主響應主動式探測技術(shù)包括探地雷達法、高密度電阻率法、面波法等，基本都以所測的物理場命名。

（1）探地雷達法

探地雷達法發(fā)送并接收電磁波，通過巢穴與周圍土體的介電常數(shù)差來識別和定位巢穴。涉及探地雷達法的關(guān)鍵基本物理參數(shù)包括電磁波的頻率、特定電磁波在材料中的波速以及材料的介電常數(shù)。

探測目標與周邊材料的介電常數(shù)差異是探測有效性的基礎。前已述及，白蟻巢穴介電常數(shù)與周邊土體關(guān)系變異性大且對該關(guān)系的研究尚不多，是探地雷達法在白蟻巢穴探測中應用效果不確定性大（識別度不足）的主要原因。理論和實踐表明，通過相鄰環(huán)境已探測成果反演或直接測量方法提前獲知土體電磁波波速，估算介電常數(shù)，采用多種物探方法、物探結(jié)果和數(shù)值分析綜合比對輔助判斷，是改善識別度的重要方法。

電磁波頻率決定了探測深度和精度（最小可識別尺寸）。與其他基于波的傳播理論進行探測的方法類似，頻率越高，衰減越快，則有效探測深度越??；衰減程度與傳播土體的種類、狀態(tài)等都有關(guān)系；加大功率、降低頻率，可在一定程度上增大探測深度。相同波速情況下，頻率越高，則波長越短，識別精度越高。探測精度為深度的1/10 是上述規(guī)則的一個經(jīng)驗性描述。已有研究認為，對特定土體，300 MHz 主頻雷達探測深度為5 m左右，可探測出直徑25 cm以上蟻巢，在特殊情況下甚至可測出更大蟻道，但對更小的蟻巢（幼齡巢）探測比較困難；500 MHz 主頻分辨率高，但探測深度淺（1～2 m）。河南省白龜山水庫管理局開展的探地雷達探測工作，也證明了上述經(jīng)驗規(guī)則，天線頻率越高，探測深度越小。與其他物探方法相比，探地雷達測線連續(xù)、即掃即走、效率更高，受地形和氣候影響相對較小，但受堤壩含水量、場地平整度等影響較大。

（2）高密度電阻率法

電阻率法發(fā)送和接收電流，通過白蟻巢穴與周邊土體的電阻率差異來識別和定位巢穴，高密度電阻率法是其中較常用的方法。由于白蟻巢穴含水量較高（無論生化土框架還是菌圃），預期電阻率可能較低，在周邊土體不太潮濕的情況下識別效果較好。雖目前尚不掌握白蟻巢穴實際電阻率特征，但關(guān)于該方法能夠?qū)崿F(xiàn)水庫大壩和堤防中的白蟻巢穴探測已有較多報道。聯(lián)合采用數(shù)值計算和物探方法，可以更好達成解譯目標。與探地雷達法相比，高密度電阻率法存在儀器布設繁瑣、探測時間長、效率較低、結(jié)果解譯復雜等短板。

（3）面波法

面波法通過白蟻巢穴與周邊土體可能的面波波速差異進行巢穴探測，在一些案例中也取得了良好效果。如云南省勐邦水庫主、副壩和安徽省定遠縣青春水庫，在波速不均勻體附近，波的同相軸會發(fā)生分叉等現(xiàn)象，還可觀察到繞射特征形成“眼狀”異常。

2023年，中國水利水電科學研究院在存在白蟻危害的長江支流典型堤段，組織開展了探地雷達法、高密度電阻率法等多種探測技術(shù)的現(xiàn)場測試。測試成果和既有研究成果表明，采用單一上述技術(shù)，在不預先測定波速等物理參數(shù)的基礎上直接探測特定物探參數(shù)分布，將局部高值區(qū)或低值區(qū)判別為巢穴，雖在一定條件下可探測到白蟻巢穴，但不確定性較高。此外，這些探測技術(shù)多針對有限測線所在的單一豎向剖面開展，解譯工作量大，對于表面積、體積規(guī)模巨大的堤壩而言，覆蓋面小、效率較低。

通過引入臨近環(huán)境的測試成果或室內(nèi)測試結(jié)果等，提前獲知介質(zhì)傳播速度等基本物理參數(shù)，并聯(lián)合其他物探方法及數(shù)值計算方法，是改善探測效果的有效手段。此外，充分研究白蟻巢體結(jié)構(gòu)和材料特征及與綜合物探參數(shù)的關(guān)系，考察不同類型、狀態(tài)營巢環(huán)境土體的物探參數(shù)特征，明確待測目標與環(huán)境土體的物探參數(shù)分布特征，構(gòu)建識別的廣義圖譜，也是改善探測識別性能的重要途徑。

2.天然場非自主響應被動式探測技術(shù)

典型的天然場非自主響應被動式探測技術(shù)包括微動探測法（g）和地震頻率諧振法（h），其信號源均為土體中存在的天然彈性波場微動信號。微動探測法通過微動信號中的面波頻散特征，進行反演獲得地下剪切波速度分布；地震頻率諧振法利用測得的剪切波諧振頻率對地下介質(zhì)波阻抗變化的敏感性來完成地下一定深度的地質(zhì)體成像。與人工場的主動式探測方法相比，天然場非自主響應被動式探測技術(shù)在有效利用天然振動噪聲的同時規(guī)避了噪聲的不良影響，可以識別剪切波速和波阻抗的不均勻分布，預期可實現(xiàn)白蟻巢穴的探測。和前述人工場非自主響應主動式探測技術(shù)類似，經(jīng)中國水利水電科學研究院組織的現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，該類方法也具有相當?shù)牟淮_定性。通過室內(nèi)測試等方法預先掌握巢穴和周圍土體的剪切波速、波阻抗（諧振頻率）等的差異，與數(shù)值計算反演等方法聯(lián)合，可能是取得更好探測效果的途徑。

3.天然場自主源被動式探測技術(shù)

天然場自主源被動式探測技術(shù)中較為典型的是聲波脈沖探測法和溫度熱輻射探測法?；跍囟葓龅臏囟葻彷椛涮綔y法的探索目前更多集中在原理層面。聲波脈沖探測法在木白蟻的探測中應用較早，是一種較為成熟的探測技術(shù)。白蟻活動如進食、挖巢、交流和報警等會產(chǎn)生特定的聲信號，土棲白蟻產(chǎn)生的聲波信號頻率較低，傳播過程中能量吸收較少、衰減較慢，傳播距離長，障礙突破能力較強。利用聲頻傳感器感知聲波，經(jīng)放大和解譯后可用于快速識別和定位，在堤壩土棲白蟻探測中預期有較大應用前景。聲波探測方法面臨的主要技術(shù)難題是降噪和傳播不確定性誤差控制。通過傳感器感知到的聲波中可能含有較多背景噪聲，是影響基于聲波探測技術(shù)的重要因素，而定位誤差則主要來源于探測目標與各路傳感器間傳輸路徑上的波速變異性。

四、結(jié) 語

本文分析了堤壩白蟻巢穴的一般特征，根據(jù)探測信號來源、探測方式等對既有探測技術(shù)進行了分類，探討了各類探測技術(shù)現(xiàn)狀，提出了對發(fā)展方向的思考。

白蟻主巢、副巢內(nèi)部呈致密—疏松、硬—軟、潮濕—相對潮濕交互分布，巢穴結(jié)構(gòu)和材料特征、巢室內(nèi)充盈程度、膠結(jié)土框架材料與周邊土體關(guān)系隨白蟻種類、巢齡、周邊土體不同而變化較大，是白蟻巢穴難以準確探測的主要原因。既有的基于探測目標非自主響應的主動或被動式探測技術(shù)，都以特定物探參數(shù)不均勻分布為基礎，雖在一定條件下可探測到白蟻巢穴，但不確定性仍較高，效率較低。為切實提高白蟻巢穴探測的準確性和效率，建議從以下路徑入手加快開展研究：

①綜合既有物探參數(shù)數(shù)值測試、多種物探方法與數(shù)值計算，形成改良技術(shù)。引入波速、介電常數(shù)等實測物理參數(shù)數(shù)值，并聯(lián)合數(shù)值計算方法及其他物探方法，改善現(xiàn)有技術(shù)的探測效果。

②構(gòu)建基于物探參數(shù)特征的廣義識別圖譜，從根本上提高探測確定性，建立高確定性探測方法。充分研究白蟻巢體材料特性和結(jié)構(gòu)特征與綜合物探參數(shù)的關(guān)系，考察不同類型、狀態(tài)土體的物探參數(shù)特征，構(gòu)建識別的廣義圖譜，提高探測技術(shù)的識別確定性。

③探索基于白蟻及其巢穴生物學特征的感知定位方法，提出新型快速實用探測技術(shù)?？紤]白蟻及其巢穴的生物學特征，利用白蟻巢穴發(fā)出的聲波、輻射光譜并解決降噪、誤差控制等技術(shù)難題，實現(xiàn)快速實用探測。