土石坝是我国水利工程中最广泛的坝体类型之一,其安全性是各类水利工程正常运行的重要保障。土石坝防渗结构主要由大坝面板与坝体两部分组成,面板介质为混凝土,坝体由土料与石料按照一定的级配碾压堆筑而成。我国目前现有的土石坝大部分修建于上个世纪中后期,由于历史原因,大量土石坝存在工程标准偏低、建设质量较差、老化失修严重、工程管理落后、配套设施不全等一系列问题,经过几十年的运行后,许多土石坝都存在面板脱空开裂、坝体渗漏等隐患,对水利工程的正常运行造成较大的影响。因此及时准确地探明大坝面板与坝体病害,可为大坝渗漏隐患的综合处理提供依据,最大程度地降低渗漏隐患造成的损失。本文在当前土石坝病害探测研究基础上,针对大坝病害探测中存在的问题,开展土石坝病害地球物理波场研究,建立了离散随机介质土石坝模型,实现了土石坝三维地震波场模拟,阐明了土石坝坝体渗漏形成过程中渗漏区域含水量变化对渗漏波场的影响,揭示了渗漏隐患识别的有效地震属性,总结出混凝土面板不同脱空情况下雷达波场与瞬时属性特征,形成了有效的土石坝隐患探测技术,取得的主要研究成果如下:（1）基于常规随机介质理论,提出了能有效体现土石坝介质中土料与石料弹性介质差异且具有一定土石比的离散随机介质建模方法,分析了自相关长度、粗糙度因子以及局部窗口尺度等随机参数对离散随机介质模型建立的影响,阐述了不同随机参数与土石介质粒径大小的相关性。（2）实现了均匀介质、常规随机介质、离散随机介质地震波场数值模拟,对比分析了三种介质波场的差异性,分析了随机介质中散射波对有效波场识别的影响,总结了随机参数、土石比例变化与散射波强弱的对应关系。结果显示随着自相关长度增加,散射波能量强度逐渐增大,随着模型中石含量增加,波场的散射逐渐减少,散射波能量逐渐减弱,离散随机介质的波场特征逐渐趋向于均匀介质。（3）根据土石坝外部形态与边界条件特点,采用倾斜AEA自由边界、M-PML与C-PML吸收边界,分区域处理坝体不同部位边界,实现土石坝三维地震波场模拟。模拟结果显示在坝体上游存在面板的情况下,坝体上游检波点接收到的面波到达时间变短,随着坝坡坡比的增加,基岩界面反射横波在上游坝顶产生的绕射能量逐渐减弱。离散随机土石坝波场中面波产生的散射对整体波场影响较大,在面波到达时间之前的反射波同相轴基本不受其影响,坝体介质中随着土料含量增加,石料颗粒的散射效应更突出,波场中散射波能量更强。（4）通过对比分析不同激发点、不同平面、不同分量含渗漏隐患的三维地震波场记录,对比了纵波、转换波、横波对渗漏隐患的识别能力。基岩界面反射纵波与渗漏纵波反射叠加后,通过纵波信息很难识别出渗漏隐患,而基岩界面的横波反射与渗漏横波反射波场叠加之后呈现能量增强,频率降低的特征,故横波信息对渗漏的识别能力要强于纵波。（5）通过对离散随机土石坝渗漏区域不同含水量渗漏模型的地震波场对比分析显示,随着渗漏区域含水量的降低,渗漏反射波场能量逐渐减弱,当渗漏位于坝底时,只有渗漏区域含水量达到25%以上,才能从地震记录中有效地识别出渗漏异常;而当渗漏区域位于距离坝底5m处时,只有当渗漏区域含水量达到10%以上时,才能有效的识别出渗漏异常。（6）当土石坝内部存在渗漏隐患时,坝体地震属性中渗漏反射区域振幅与频率都会发生变化,渗漏反射同相轴呈现强能量、低频率特征。随着渗漏区域含水量降低,瞬时振幅中渗漏反射同相轴能量逐渐减弱,瞬时频率中渗漏反射低频同相轴连续性变差。瞬时振幅与瞬时频率主要体现强能量反射同相轴,对弱能量的反射波场敏感度不高;瞬时相位不受振幅能量的影响,可突出弱能量反射同相轴;小波变换抗干扰能量较强,可一定程度的压制地震记录中的散射波场。当渗漏区域含水量较低,渗漏反射能量较弱时,可利用瞬时相位来进行渗漏隐患识别;在地震记录信噪比不高时,可通过小波变换的频率切片来分析地震记录中的渗漏反射信息。（7）开展了无钢筋、单层与双层钢筋面板脱空模型雷达波场模拟,阐述了存在不同类型钢筋情况下面板脱空雷达波场响应特征,揭示了脱空反射同相轴的“下拉”现象,给出了能定量识别面板脱空厚度的条件。当面板内部存在钢筋时,脱空反射同相轴连续性变差,随着面板内部钢筋层数的增加,钢筋间距的减小,脱空反射波形态与反射同相轴“下拉”现象逐渐消失。当雷达数据信噪比较低,从雷达剖面图无法识别脱空存在的情况下,可借助瞬时属性来识别脱空隐患。本文主要的创新之处为:（1）基于随机介质理论,提出了能有效体现土石坝介质特点的离散随机介质建模方法,分析了建模过程中随机参数对模型非均匀性的影响,为建立与实际更为接近的土石坝模型提供了理论基础;（2）根据土石坝外部形态特点,分区域对坝顶、坝坡、坝底自由边界或吸收边界进行处理,实现了土石坝三维地震波场模拟,分析了土石坝坝体渗漏隐患形成过程中渗漏区域含水量变化对地震波场的影响;（3）基于地质雷达理论模拟与实测数据,分析了土石坝面板内部钢筋对脱空识别的影响因素,给出了能定量识别脱空厚度的条件,弥补了地震探测分辨率的不足。