探地雷達法在河道堤防隱患無損探測中的應用

趙相業(yè)陳 敏呂 進王林宗

（1.南京市秦淮河河道管理處，江蘇南京 210012；2.邳州市水利局，江蘇徐州 221300）

1 工程概況

秦淮河流域位于長江下游，江蘇省西南部，長寬各約50 km，總面積2631 km2。地形四面環(huán)山，中間低平，成一完整的山間盆地。上游有溧水河、句容河兩源，兩源進入南京，在江寧區(qū)西北村匯合為干流，并有云臺山河、牛首山河匯入，至東山分為兩支。北支過通濟門外與護城河會流，有響水河、運糧河、友誼河及南河匯入，繞城南、城西至三汊河入長江，長34 km，設計排洪能力600 m3/s。西支秦淮新河，1978年開挖的秦淮新河起于江寧河定橋上游新老河河口，經(jīng)雨花臺區(qū)的鐵心橋、西善橋至金勝村入長江，全長16.8 km，設計泄洪流量800 m3/s。多年平均降雨量1027.5 mm，但降水量年際變化大，年內(nèi)分布也不均勻。由于梅雨期長，雨量集中，面廣量大，歷次暴雨洪水多在此段時期發(fā)生。秦淮河流域源短流急，上中游調(diào)蓄能力小，洪水上漲快，洪峰次數(shù)多；下游匯入長江，洪水位受下游長江洪水頂托影響；河口已建有水利樞紐，在非汛期水位由人工調(diào)度控制。

秦淮河兩岸第四系沉積層中的地下水主要為孔隙潛水?？辈炱陂g鉆孔地下水穩(wěn)定水位：上游一般▽6.50 m～▽7.00 m，下游一般▽5.50 m～▽6.50 m。地下水水位變化主要受大氣降水和秦淮河水的影響，另外，局部地段生活污水、工業(yè)廢水的排放對地下水位影響也很大，地下水與秦淮河水有密切的水力聯(lián)系。地基土的滲透性等級一般為弱透水～中等透水，粉質(zhì)粘土層主要為微透水～極微透水，局部弱透水。河堤填土的透水性以微透水～極微透水為主，局部壓實較差或由粉土構成的堤段滲透性等級可達弱透水。河道工程場地巖性主要為第四系全新統(tǒng)（Q4）沉積，局部有零星分布的新近沉積；鳳臺橋上游各段為秦淮河古河床漫灘相及高漫灘相沉積，上部第四系全新統(tǒng)地層厚度20 m左右，下部為第四系上更新統(tǒng)（Q3）硬塑狀次生或原生粉質(zhì)粘土、含礫粉質(zhì)粘土；鳳臺橋下游至入江口段為長江河床漫灘相沉積，以巨厚的飽和狀態(tài)淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)粘土、粉土為主?；诪榘讏紫瞪辖y(tǒng)浦口組（K2p）地層，主要巖性為中粗粒砂巖、粉砂巖等。

本次采取地質(zhì)雷達法進行隱患無損探測的為秦淮河干流東山橋下游標準堤防段和秦淮新河標準堤防段，總長15.1 km。

2 檢測技術方案

2.1 技術標準

檢測評估依據(jù)技術標準及文件資料如下：

（1）《水利水電工程物探規(guī)程》（SL326-2005）；

（2）《雷達法檢測建設工程質(zhì)量技術規(guī)程》（DGJ 32/TJ79-2009）；

（3）《鉆孔法檢測混凝土強度技術規(guī)程》（CECS03-2007）；

（4）《Geophysical Survey Systems Inc，inventor GSSI handbook for Radar Inspection of concrete》2006；

（5）《Geophysical Survey Systems Inc，inventor TerraSIRch SIR System-3000 User′s Manual》2005。

2.2 探地雷達工作原理及適用性

地質(zhì)雷達技術具有探測速度快、采集數(shù)據(jù)量大、定位準確、操作靈活、可實現(xiàn)連續(xù)透視掃描以及二維彩色圖像實時顯示等獨特的優(yōu)點。我國對地質(zhì)雷達的研究較早，但在工程中應用相對較遲。20世紀90年代初引進設備后，廣泛應用于交通、水利、考古等領域，作為一種無損探測新技術迅速發(fā)展，主要應用于對幾米到30 m左右深度的探測。

地質(zhì)雷達是利用高頻電磁波，以脈沖形式通過發(fā)射天線定向送入地下。雷達電磁波在介質(zhì)中傳播，當遇到存在電性差異的下介質(zhì)或目標時，會發(fā)生反射，返回地面后由接收天線接收。對接收到的雷達波進行分析處理，依據(jù)波形、強度、幾何形態(tài)等因素，來確定地下目標體的性質(zhì)和狀態(tài)，如圖1所示。

探地雷達是利用電磁波在不同介質(zhì)中的傳播速度不相同的性質(zhì)，來確定不同的地層結(jié)構。該方法適用于喀斯特探測，巖體風化帶厚度和卸荷帶深度探測，隧道施工超前預報，覆蓋層探測，堤壩隱患探測，地下水探測。

圖1 雷達工作原理圖

探地雷達在江河堤壩檢測中的運用，提高了判斷堤壩管涌、脫空、裂縫、空洞、壩基結(jié)構疏松、含水程度變化等堤壩病害和缺陷的能力，為江河堤壩的質(zhì)量檢測提供了一種高效、便捷的手段。探地雷達檢測技術分辨能力強、檢測速度快、操作簡便、結(jié)果直觀，根據(jù)堤防工程的實際情況，合理選取雷達天線和有效的測量方法，可得到較好的檢測效果。由于堤防工程條件的復雜性、隱蔽性及現(xiàn)場檢測條件的局限性，選用單一探測方法檢測堤防工程時，一般均只對一種物理特性進行描述解釋，有時難以得到全面、正確和可靠的信息，因此，針對實際工程可采用多種方法進行檢測對比驗證，以便作出正確的評價。

2.3 探地雷達設備及技術參數(shù)

2.3.1 系統(tǒng)組成

本項目使用的探地雷達探測儀系美國地球物理測量系統(tǒng)公司生產(chǎn)的探地雷達系統(tǒng)（SIR3000）。該系統(tǒng)為便攜式單通道探地雷達，探地雷達主機外部主要組件包括：鍵盤、彩色SVGA顯示屏、連接面板、電池插槽、指示燈，可以在屏幕上實時地觀測探測資料或者回放顯示資料。試驗時采用200 MHz或100 MHz天線，天線與主機通過可拆卸插頭連接。

2.3.2 技術指標

系統(tǒng)主要技術指標如下：

（1）主機

雙通道實時數(shù)字采集處理器，操作平臺為Windows NT。

通道數(shù)：可同時記錄2個通道的數(shù)據(jù)；

分辨率：5 ps；

量程增益：-20～100 dB，自動或用戶可選，增益曲線分段可以從1～8進行選擇；

掃描速率：2～800次/s掃描可選，具有DSP數(shù)據(jù)快速采集系統(tǒng)；

時基精度：0.02%；

信噪比：＞ 110 db；

動態(tài)范圍：120 dB。

記錄長度：自動或用戶可選，0～8000 ns；

迭加：2～32768 個掃描。

（2）天線

天線類型：兼容屏蔽式或非屏蔽式、連續(xù)拖動或點測、地面直接耦合天線。

天線和主機之間用同軸電纜進行數(shù)據(jù)傳輸。

（3）軟件

圖像處理使用美國地球物理測繪公司開發(fā)的RADAN 6.5數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)。主要進行目標位置修正、消除背景干擾、垂直堆棧等處理，使目標影像清晰，便于解釋。

2.3.3 參數(shù)設置

為滿足探測所達到的深度要求，結(jié)合探地雷達的工作目的與任務，本次探地雷達檢測天線采用100 MHz天線（即RTA天線），掃描數(shù)、采樣頻率、記錄長度等技術參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場試驗取得。本次探測數(shù)據(jù)采集時采樣點為1024，增益設置為3點自動增益，記錄長度200～250 ns，受堤防地質(zhì)條件的影響，探測的有效深度約為6～8 m，觀測方式采用沿堤防路面連續(xù)測量。

在探測不同的水庫或堤防時，首先要進行介電常數(shù)標定工作。即：根據(jù)已知埋深的被測物，采用以上參數(shù)進行探測，根據(jù)雷達反射的雙程旅行時間和深度，反算電磁波在該段堤防或大壩實體中的綜合傳播速度，進而計算出該地區(qū)的介電常數(shù)，代入儀器設置中。

2.4 現(xiàn)場工作方法與技術

2.4.1 探測步驟

在所檢測的堤段頂部布置1～2條測線。探測時，探地雷達天線底面緊貼壩頂表面，人工拖動天線緩慢前進，接收天線接收反射的信號。外業(yè)工作結(jié)束后，進行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)分析。內(nèi)業(yè)工作首先將外業(yè)采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中，再通過探地雷達后處理軟件對原始數(shù)據(jù)進行濾波、去噪、均衡等處理，打印時間剖面圖。時間剖面圖是用作判讀、解釋和計算的基本圖件。根據(jù)處理過的圖像，找出電阻明顯異常高的區(qū)域，確定其位置、形狀和大小。

探地雷達探測程序如下：

（1）布置測線?，F(xiàn)場可用鋼卷尺作為測線，它既是測線，又是位置標示。

（2）將雷達天線與主機連接。

（3）選擇測量模式。

（4）進行相關參數(shù)設置。

（5）緩慢拖動天線，進行掃描測量。掃描過程中做好位置標記，注意觀察采集的圖像。

圖2 雷達數(shù)據(jù)處理程序

2.4.2 測線布置

根據(jù)檢測場地條件，在堤防頂部路面兩側(cè)位置布置探地雷達測線2條。檢測時，探地雷達天線底面緊貼路面，每10 m打一個標，人工拖動天線緩慢前進。

2.4.3 外業(yè)探測與內(nèi)業(yè)分析

本項目內(nèi)業(yè)分析工作主要是對探地雷達數(shù)據(jù)進行處理與資料解釋，數(shù)據(jù)處理結(jié)果直接反映雷達測試工作的成果。數(shù)據(jù)處理工作包括預處理和后處理兩部分。預處理階段主要采用頻率域濾波和多道平滑等方法，目的是提高數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。后處理部分則是利用美國GSSI公司的RADAN數(shù)據(jù)處理軟件包，首先將外業(yè)采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中，再通過探地雷達后處理軟件對原始數(shù)據(jù)進行濾波、去噪、均衡等處理，打印時間剖面圖。時間剖面圖是用作判讀、解釋和計算的基本圖件，在成圖前可能要反復進行濾波、去噪、均衡等處理。幾乎每條測線都分為若干測段，每個測段橫斷面時間剖面圖約有3000多個掃描，連續(xù)打印有3～4 m長，所以在打印前對經(jīng)過技術處理的時間剖面圖有時還要作抽道處理。通過外業(yè)打標和時間剖面圖上的節(jié)段接縫等特征圖象來確定圖紙上位置與實際位置的對應關系。

本項目根據(jù)現(xiàn)場采集的資料特點，建立基本數(shù)據(jù)處理流程，即：預處理→數(shù)據(jù)回放→編輯處理→速度分析→濾波、反褶積→能量均衡→偏移→圖形處理→成像顯示。

3 探測成果

3.1 典型斷面分析

秦淮新河堤防的大部分路段為交通路面，路面由面層、墊層和基層組成，基層及往下基本都由填土組成。堤防良好路段的填土密實性良好，堤防的各建筑結(jié)構層介質(zhì)分布均勻，層位穩(wěn)定，含水率不高，典型的探地雷達檢測剖面如圖3所示。

圖3為秦淮新河標準堤段樁號12900～13000 m段探地雷達檢測剖面。圖中x方向坐標表示測線對應的樁號，y方向坐標表示該測線的探測深度，圖中偽彩色分別代表不同幅值的電磁波疊加。該段堤防密實性良好，堤防填土的含水率低，土體的介質(zhì)分布均勻，不存在局部土體富水高、脫空或者不密實等隱患存在。

探地雷達在檢測過程中，受外界的干擾影響，會產(chǎn)生特定的異常。本次雷達探測的主要干擾信號是受到空中高壓電線或地下通電電纜的影響，電力干擾影響如圖4所示。

圖4為秦淮新河標準堤段樁號13200～13300 m段探地雷達檢測剖面。圖中12240～12280 m段顯示的弧形異常為電力線干擾所引起，實際該處堤防的填土密實性良好；里程樁號12200～12240 m段堤防填土的含水率相對周圍介質(zhì)比較高，形成局部高富水區(qū)，填土的密實性與均勻性相對周圍介質(zhì)較差，為本次堤防探測所發(fā)現(xiàn)的隱患區(qū)段。因此，電力干擾與隱患異常特征是有很大差異的，在資料的解釋中此類異常特征應排除。

圖5為秦淮新河標準堤段（左岸）樁號12800～12900 m段探地雷達檢測剖面。圖中顯示的介質(zhì)松散區(qū)異常特征與周圍介質(zhì)存在明顯的差別。松散區(qū)異常特征的形成與介質(zhì)的孔隙率和含水率有關，堤防填土在河水侵蝕和雨水入滲的作用下，土體中的細小顆粒物被水攜帶走，形成高孔隙率、高富水土體，經(jīng)過時間的推移，松散區(qū)的范圍將會進一步發(fā)展擴大。

唐門？聞聽對方此言，青辰便是一愣。這兩個字，他覺得非常熟悉，似乎從哪里見到過，他在腦中搜索，然而一時間卻又想不起來。又聽對方直呼“骨羽大師”之名，心中更是驚奇，師父在族中地位特殊，族人皆以“天師”敬稱，是以極少有人知道姓名，面前這蜘蛛精，何以知曉？

圖6是秦淮新河標準堤防段（左岸）樁號13500～13600 m段探地雷達檢測剖面。圖中白色虛線范圍內(nèi)的異常區(qū)為堤防存在的規(guī)模較大的松散區(qū)，長度約50 m，異常區(qū)土體的孔隙率高，松散，密室性較差。

圖3 秦淮河標準堤段堤防良好段探地雷達探測剖面

圖4 秦淮新河標準堤電力線干擾與隱患異常雷達異常特征對比圖

圖5 標準堤防段（左岸）異常特征圖

圖6 標準堤防段（左岸）異常特征圖

圖7是秦淮河北大橋至上坊門橋（左岸）樁號2200～2300 m段堤防探地雷達檢測剖面。檢測結(jié)果顯示，堤防結(jié)構層相對穩(wěn)定，但樁號2210～2270 m段堤防路面下方土體含水率相對于其它區(qū)段較高，土體富水。

圖8是秦淮河上坊門橋至繞城公路橋（左岸）樁號4370～4470 m段堤防探地雷達檢測剖面。檢測結(jié)果顯示，在樁號4370～4390 m段堤防下方存在松散異常，松散區(qū)與地面存在滲水通道，該處堤防土體孔隙率高，土體的密室性差。

圖9是秦淮河上坊門橋至繞城公路橋（右岸）樁號5220～5270 m段堤防探地雷達檢測剖面。檢測結(jié)果顯示，在樁號5230～5255 m段堤防下方存在松散異常，松散區(qū)雷達波同相軸紊亂，連續(xù)性較差，與周圍介質(zhì)穩(wěn)定的雷達波形特征存在明顯的差別。

圖10是草場門橋～清涼門橋（左岸）里程樁號19300～19400 m段堤防探地雷達檢測剖面。檢測結(jié)果顯示，樁號19350～19400 m段堤防路面下方土體含水率高，根據(jù)雷達波同相軸不一致和排列紊亂，推斷該富水段堤防路面下方土體局部呈松散狀，密實性相對于周圍土體較差。

圖7 秦淮河北大橋至上坊門橋（左岸）異常特征圖

圖9 上坊門橋至繞城公路橋（右岸）異常特征圖

圖10 草場門橋至清涼門大橋（左岸）異常特征圖

3.2 堤防隱患分類

基于探測的結(jié)果分析，秦淮新河段堤防的主要隱患為：部分堤段堤防填土層出現(xiàn)松散區(qū)。松散區(qū)的形成原因是：水攜帶走了填土中的細顆粒介質(zhì)，形成高孔隙率土體，當隱患區(qū)土體飽水時，形成相對于周圍介質(zhì)高介電性的富水帶；當隱患區(qū)土體不含水時，形成相對于周圍介質(zhì)低介電性松散帶，甚至是脫空。隱患的外在表現(xiàn)為：局部堤防段路面出現(xiàn)裂縫或者沉降。

秦淮河段堤防存在的隱患主要為：部分堤段堤防填土層出現(xiàn)松散區(qū)，堤防下方局部土體孔隙率高、富水，當隱患土體飽水時，形成相對于周圍介質(zhì)高介電性的富水帶；當土體含水率低時，形成相對于周圍介質(zhì)低介電性松散帶。

4 結(jié)論與思考

4.1 物探小結(jié)

秦淮河與秦淮新河堤防的大部分路段為交通路面，路面由面層、墊層和基層組成，基層及往下基本都由填土組成。堤防良好路段的填土密實性良好，堤防的各建筑結(jié)構層介質(zhì)分布均勻，層位穩(wěn)定，含水率不高。所檢測區(qū)域主要隱患缺陷有：

（1）堤防填土層出現(xiàn)松散區(qū)，松散區(qū)的形成原因是：水攜帶走了填土中的細顆粒介質(zhì)，形成高孔隙率土體，當隱患區(qū)土體飽水時，形成相對于周圍介質(zhì)高介電性的富水帶；當隱患區(qū)土體不含水時，形成相對于周圍介質(zhì)低介電性松散帶，甚至是脫空。

（2）堤防路面下方的填土層局部存在一些松散區(qū)，松散區(qū)的密實性較差，對堤防的穩(wěn)定性有一定的影響；同時，堤防路面下方的填土層局部存在一些高富水區(qū)，高富水區(qū)的填土孔隙率高，水的流動性會導致填土層的水土流失，隨著時間的推移，逐步發(fā)展成松散區(qū)，對堤防的穩(wěn)定性有一定的影響。

4.2 工作展望與建議

目前，堤防隱患無損探測技術已取得了重大進展，在防洪工程管理、維修與加固工作中正發(fā)揮著重要作用，但現(xiàn)有技術尚不能完全滿足工程需要，需進一步提高完善：

（1）從堤防出險情況看，除堤身出險外，很多是由不良堤基引起的。因此，隱患探測工作除針對堤身外還要兼顧堤防及壩岸基礎，這就決定了隱患探測工作不可能采用單一的儀器及方法解決問題，其發(fā)展方向應該是基于電法、電磁法、彈性波法等聯(lián)合診斷的綜合物探技術。

（2）目前用于隱患無損探測的國內(nèi)外儀器多為數(shù)據(jù)采集型儀器，探測工作的周期相對較長，而且對探測人員的專業(yè)技術水平要求較高，不利于在河道管理部門推廣使用。新一代堤防隱患探測儀器要求操作非常簡便，在進行數(shù)據(jù)采集時具備適時數(shù)據(jù)處理功能，可視化程度較高。隨著研究工作的不斷深入，可對專業(yè)技術人員的探測工作進行統(tǒng)計、總結(jié)，建立專家分析支持系統(tǒng)，以便及時、準確地判斷隱患。

（3）對于堤防工程存在的隱患，可采用探測與監(jiān)測相結(jié)合的方式，并逐步將隱患探測與監(jiān)測資料錄入“堤防管理地理信息系統(tǒng)”和“防洪決策支持系統(tǒng)”，更好地為防洪減災服務。

（4）查明堤身隱患后，應針對隱患類型和范圍提出加固措施。對于填土松散或表層脫空的區(qū)域，如：繞城公路橋～秦淮河大橋（左、右岸）部分樁號區(qū)域，可采用灌漿法充填堵塞各類脫空和松散體，在所灌漿液中摻入適量有毒藥物還可起到毒殺有害獸蟻的功效，但要防止污染水源。對于填土富水的區(qū)域，如：上坊門橋至繞城公路大橋（左岸）部分樁號、秦淮河北大橋至上坊門橋（右岸）部分樁號區(qū)域，可在背水堤腳附近挖排滲溝或增打減壓井，改善排水條件。屬于隱患嚴重的堤段，如：東山橋至秦淮河北大橋（左岸），可結(jié)合堤防整治工程，翻修加固堤身，加大堤防斷面，放緩堤坡，增設防滲截滲措施等。