探地雷達(dá)技術(shù)在馬汊河堤防隱患探查中的應(yīng)用

翟 鐸，黃小祥，王穎聰，李 益

(1.南京市滁河河道管理處，江蘇 南京 210048；2.南京市水利投資有限公司，江蘇 南京 210048)

探地雷達(dá)技術(shù)在馬汊河堤防隱患探查中的應(yīng)用

翟 鐸1，黃小祥1，王穎聰2，李 益1

(1.南京市滁河河道管理處，江蘇 南京 210048；2.南京市水利投資有限公司，江蘇 南京 210048)

探地雷達(dá)用于堤防無損檢測(cè)具有傳統(tǒng)隱患排查方式無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。本文介紹了探地雷達(dá)檢測(cè)的基本原理，通過分析其在馬汊河堤防檢測(cè)中所取得的成果，并與瑞利波法、瞬變電磁法互相驗(yàn)證，證明采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行堤防隱患探查可靠性較高，能滿足對(duì)堤防進(jìn)行定期安全檢測(cè)的要求，可在我國(guó)水利工程中推廣應(yīng)用。

堤防無損檢測(cè)；探地雷達(dá)；反射波組

馬汊河是滁河中下游一條重要的分洪道，承擔(dān)著流域設(shè)計(jì)洪水總量36.3%的分泄任務(wù)，其河道堤防狀況關(guān)系著六合區(qū)及化學(xué)工業(yè)園區(qū)的安全[1]。以往堤防隱患排查主要通過非汛期人工錐探和機(jī)械鉆探，及汛期人工巡堤查險(xiǎn)相結(jié)合的方法，存在著費(fèi)時(shí)、功效低、以點(diǎn)代面、查探范圍有限的缺點(diǎn)，且往往險(xiǎn)情發(fā)展到一定程度時(shí)才能被發(fā)現(xiàn)，除險(xiǎn)加固工作變得十分被動(dòng)。研究采用先進(jìn)科學(xué)的手段對(duì)堤防隱患進(jìn)行探測(cè)在當(dāng)前就顯得十分重要。

目前，在各種堤防質(zhì)量無損檢測(cè)技術(shù)中，探地雷達(dá)(GPR)檢測(cè)技術(shù)因具有檢測(cè)速度快、操作簡(jiǎn)便、成像色彩豐富、結(jié)果直觀可視、數(shù)據(jù)精度高、分辨能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而在實(shí)際工程中應(yīng)用較好[2]。鑒于此，本文針對(duì)性的研究了探地雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)在馬汊河堤防隱患探查中的應(yīng)用，并用其他檢測(cè)方式加以驗(yàn)證，以期為堤防工程的安全檢測(cè)提供一種新途徑。

1 工程概況、試驗(yàn)方法與原理

1.1 工程概況及試驗(yàn)方法

馬汊河西起南京市六合區(qū)小頭李，在三航三公司預(yù)制廠北側(cè)入長(zhǎng)江八卦洲北叉江，全長(zhǎng)13.6 km，其中上游6 km及下游1.4 km為堤防段，中游6.2 km為切嶺段。根據(jù)馬汊河堤防的實(shí)際情況，本研究選取在馬汊河上游小頭李到葛新橋范圍兩岸堤防段。試驗(yàn)選取12個(gè)堤段進(jìn)行，研究采用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法獲得堤防內(nèi)部介質(zhì)構(gòu)造、不密實(shí)區(qū)域、裂縫，以及滲漏通道等病害隱患。同時(shí)，分別采用瑞利波法及瞬變電磁法對(duì)上述12個(gè)堤段中的2個(gè)堤段進(jìn)行檢測(cè)，為探地雷達(dá)用于堤防隱患探查的可靠行提供驗(yàn)證。

1.2 探地雷達(dá)的檢測(cè)原理

地質(zhì)雷達(dá)是利用超高頻短脈沖電磁波在地下介質(zhì)中傳播規(guī)律來確定地下介質(zhì)分布的一種方法。一般地，電導(dǎo)率高的土體，吸收雷達(dá)波強(qiáng)烈，雷達(dá)波通過這些介質(zhì)時(shí)，振幅衰減就快；介電常數(shù)大的土體，雷達(dá)波在這種介質(zhì)中傳播的速度就小。利用電導(dǎo)率和介電常數(shù)對(duì)雷達(dá)波的振幅與波速的影響，可以探測(cè)土體性質(zhì)和物理力學(xué)狀態(tài)。當(dāng)?shù)谭琅c地基中存在松散層、空洞、裂縫等隱患時(shí)，隱患部位與周圍土體分界位置存在電性界面，有時(shí)甚至形成土體—空氣或土體—水的理想分界面。在這種情況下，由于土體和空氣及土體與水的電性差異較大，就形成了良好的反射界面。地質(zhì)雷達(dá)利用以上原理來檢測(cè)土體內(nèi)部是否存在松散帶和孔穴等異常隱患[3]。工程應(yīng)用實(shí)踐表明，該方法對(duì)典型的堤防隱患探測(cè)具有良好的效果。

在工程探測(cè)過程中，通過改變電磁波的發(fā)射頻率達(dá)到探測(cè)不同深度地質(zhì)體情況的目的。頻率越低，探測(cè)深度越大，本次探測(cè)研究的目的層主要在0.0～12.0 m范圍[4-7]，為了達(dá)到檢測(cè)的目的，首先進(jìn)行不同頻率天線的對(duì)比試驗(yàn)，以選用適合檢測(cè)本工程的檢測(cè)儀器和天線頻率。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)比對(duì)，主要檢測(cè)設(shè)備采用GSSI(美國(guó)通用物探儀器公司)制造的SIR-20型高速地質(zhì)雷達(dá),選用單體屏蔽的400 MHz和100 MHz兩種天線來進(jìn)行組合測(cè)試。圖1為GSSI地質(zhì)雷達(dá)基本工作原理示意圖。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理示意圖

2 探測(cè)成果及分析

2.1 地質(zhì)雷達(dá)法檢測(cè)資料處理與分析

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到的雷達(dá)檢測(cè)時(shí)間系列信號(hào)，經(jīng)濾波、平衡處理后得到清晰的雷達(dá)圖像，據(jù)此全面客觀地分析各種雷達(dá)波組的特征(如波形、頻率、強(qiáng)度等)，尤其是反射波的波形及強(qiáng)度特征，通過同相軸的追蹤來確定波組的地質(zhì)意義。

地質(zhì)雷達(dá)接收信號(hào)強(qiáng)度除與發(fā)射信號(hào)功率大小有關(guān)外，還與所測(cè)介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征和物性參數(shù)有關(guān)，而反射信號(hào)的強(qiáng)度在一定的發(fā)射功率下，主要取決于不同介質(zhì)接觸界面的反射系數(shù)和穿透介質(zhì)的衰減系數(shù)，其中反射系數(shù)主要取決于界面兩側(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)，而介質(zhì)的衰減系數(shù)與介電常數(shù)和電導(dǎo)率有關(guān)[2]。表1為常見介質(zhì)的物理參數(shù)。根據(jù)反射波組的同相性、相似性和波形特征，區(qū)分不同介質(zhì)體的反射波組，并研究它們的相互關(guān)系和變化趨勢(shì)。所以，地質(zhì)雷達(dá)資料反映的是所測(cè)介質(zhì)的電磁分布特征，把所測(cè)介質(zhì)的電磁分布特性轉(zhuǎn)化為地質(zhì)結(jié)構(gòu)分布，從而獲得正確的介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征。

表1 常見介質(zhì)的物理參數(shù)

在馬汊河上游兩岸堤防段內(nèi)共進(jìn)行了12段檢測(cè)試驗(yàn)，各段的檢測(cè)分析詳細(xì)情況見表2。圖2、圖3、圖4為相應(yīng)檢測(cè)段的地質(zhì)雷達(dá)剖面示例圖。

表2 各段的檢測(cè)分析詳細(xì)情況表

圖2 馬汊河右岸0+60～0+85堤段地質(zhì)雷達(dá)剖面圖

圖3 馬汊河右岸3+360～3+985堤段地質(zhì)雷達(dá)剖面圖

圖4 馬汊河左岸2+67～2+87堤段地質(zhì)雷達(dá)剖面圖

2.2 瑞利波法及瞬變電磁法檢測(cè)成果及分析

為驗(yàn)證探地雷達(dá)檢測(cè)成果的可靠性，本研究在選取12個(gè)堤段中的0+60～0+85及2+67～2+87兩個(gè)堤段進(jìn)行了瑞利波法及瞬變電磁法檢測(cè)試驗(yàn)驗(yàn)證[8-9]。

2.2.1 瑞利波法檢測(cè)成果及分析

在用瑞利波法進(jìn)行缺陷檢測(cè)時(shí)，主要采用的是波譜分析法。根據(jù)以下準(zhǔn)則：

x/3<λ<2△x

(1)

來選取頻散數(shù)據(jù)。

根據(jù)上述的波譜分析法原理編制了相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理分析程序，其流程見圖5。應(yīng)用該程序?qū)?shí)測(cè)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻散曲線計(jì)算和分析。各段的檢測(cè)分析詳細(xì)情況見表3。

圖5 波譜分析處理數(shù)據(jù)的程序流程圖

表3 各堤段的瑞利波法檢測(cè)分析詳細(xì)情況表

圖6、圖7是用瑞利波法檢測(cè)堤防質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果。可以看出，地下異常體使瑞利波頻散曲線產(chǎn)生如“之”字形的突變。其影響程度取決于測(cè)試位置距異常體的距離、異常體本身的大小、埋深、性質(zhì)等因素。一般檢波器間距越小、測(cè)試位置越靠近異常體，則頻散曲線波動(dòng)也越劇烈。這種介質(zhì)內(nèi)的異常缺陷對(duì)瑞利波傳播特性的影響可解析為由作用在介質(zhì)表面上的震源所產(chǎn)生的波傳播到異常缺陷位置時(shí)，異常體將會(huì)對(duì)體波、瑞利波等產(chǎn)生反射。異常體對(duì)體波的反射很弱可忽略，產(chǎn)生的反射波主要為瑞利波。這實(shí)際上相當(dāng)于異常體作為次生震源產(chǎn)生的波場(chǎng)，其瑞利波成分占其能量的主要部分。反射瑞利波和入射瑞利波兩者之間進(jìn)行了相互干涉，則會(huì)影響瑞利波的波速，從而在頻散曲線上表現(xiàn)出波動(dòng)。因此，通過頻散曲線可反演結(jié)構(gòu)內(nèi)部的異常缺陷。

圖6 馬汊河堤防右岸在0+60～0+85堤段上的頻散曲線分布圖

圖7 馬汊河堤防左岸在2+67～2+87堤段上的頻散曲線分布圖

2.2.2 瞬變電磁法檢測(cè)成果及分析

瞬變電磁法利用堤防某個(gè)部位電導(dǎo)率出現(xiàn)異常值判斷堤防存在病害隱患。在通常情況下對(duì)于一段堤防填筑材料就近取土，土質(zhì)和水質(zhì)可以近似認(rèn)為是均勻的，因而各處的電導(dǎo)率是均勻的，當(dāng)其中某些部位存在缺陷或滲漏時(shí)該處的電導(dǎo)率就會(huì)出現(xiàn)異常，通過檢測(cè)電導(dǎo)率異常區(qū)就可以發(fā)現(xiàn)隱患并確定其部位。

在馬汊河上游兩岸堤防段內(nèi)共選擇兩個(gè)堤段進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn)，各段的檢測(cè)分析詳細(xì)情況見表4。圖8、圖9是用瞬變電磁法檢測(cè)堤防質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果。

表4 各堤段的瑞利波法檢測(cè)分析詳細(xì)情況表

圖9 馬汊河堤防左岸在2+67～2+87堤段上的電阻率分布圖

3 結(jié) 論

在調(diào)查馬汊河堤防工程實(shí)際工作狀況以及歷史勘探資料基礎(chǔ)上，研究運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法對(duì)馬汊河小頭李到葛新橋范圍堤防12個(gè)堤段進(jìn)行了隱患檢測(cè)，并對(duì)其中2個(gè)堤段進(jìn)行了瑞利波法、瞬變電磁法檢測(cè)驗(yàn)證形成研究結(jié)論如下。

(1)針對(duì)馬汊河堤防目前的實(shí)際工作狀態(tài)，研究運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法對(duì)堤防工程開展健康檢測(cè)與診斷，檢測(cè)分析結(jié)果表明，在所檢測(cè)堤段內(nèi)未發(fā)現(xiàn)影響堤防安全的病害隱患，總體質(zhì)量較好。瑞利波法、瞬變電磁法兩種檢測(cè)方法檢測(cè)結(jié)果與地質(zhì)雷達(dá)法檢測(cè)結(jié)果基本一致，說明采用地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行堤防隱患探查具有較高的可靠性。

(2)在各測(cè)試段范圍內(nèi)，局部存在有相對(duì)松散不均勻土體，反應(yīng)在地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試剖面上的反射波組的對(duì)應(yīng)位置同相軸變化復(fù)雜，呈現(xiàn)錯(cuò)位、缺失、不連續(xù)等現(xiàn)象。瞬變電磁法圖象層狀特征產(chǎn)生波動(dòng)變化。而從瑞利波法探測(cè)得到的瑞利波波速值的變化在145～175 m/s之間，堤身內(nèi)瑞利波平均波速均在正常值的范圍之內(nèi)，沒有大的異常波動(dòng)變化；瑞利波波速沿深度方向總體具有基本一致的分布規(guī)律，且隨著深度的增加，瑞利波波速逐漸增大，表明堤防介質(zhì)的密實(shí)度隨深度的增加而增大，堤防處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)具有靈活、快捷、準(zhǔn)確、分辨率高、受場(chǎng)地條件約束小等的特點(diǎn)，能滿足對(duì)堤防進(jìn)行定期安全檢測(cè)的要求，可在我國(guó)水利工程中推廣應(yīng)用。

[1] 水利部長(zhǎng)江水利委員會(huì).滁河流域防洪規(guī)劃報(bào)告(2004年修訂)[R].武漢：水利部長(zhǎng)江水利委員會(huì)，2006.

[2] 張震夏.堤防隱患檢測(cè)的方法與儀器[J].大壩與安全，2004(1)：1-8.

[3] 李大心.探地雷達(dá)方法與應(yīng)用[M].北京：地質(zhì)出版社，1994.

[4] 江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院勘測(cè)總隊(duì).馬汊河上游段(新橋涵洞-表塘涵洞)勘探試驗(yàn)報(bào)告[R].南京：江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院勘測(cè)總隊(duì)，1984.

[5] 江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院勘測(cè)總隊(duì).馬汊河分洪道第二期工程(東線橋-滁河)勘探試驗(yàn)報(bào)告[R].南京：江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院勘測(cè)總隊(duì)，1983.

[6] 江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院勘測(cè)總隊(duì).馬汊河分洪道第二期補(bǔ)充勘探報(bào)告[R].南京：江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院勘測(cè)總隊(duì)，1988.

[7] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50286-2013堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2013.

[8] 陳紅.堤防安全評(píng)價(jià)方法研究[D].南京：河海大學(xué)，2004.

[9] 吳威.荊江大堤堤防工程安全綜合評(píng)判體系研究[D].南京：河海大學(xué)，2007.

The application of ground-penetrating radar todetection of defects in Macha embankment

ZHAI Duo1，HUANG Xiaoxiang1，WANG Yingcong2，LI Yi1

(1．ManagementdivisionofMaCha-riverofNanjing,NanJing210048，China；2．NanjingwaterconservancyinvestmentCo.,Ltd,NanJing210048)

Ground-penetrating radar has many unparalleled advantages in nondestructive test of embankment, compared with the traditional troubleshooting method. In this paper, we introduced the basic principles of ground-penetrating radar, and analyzed its achievement in the nondestructive test of MaCha river embankment. In addition, ground-penetrating radar was proven to have higher reliability and meet the requirements of embankment safety test by mutually verification with the rayleigh wave method and transient electromagnetic method. Thus, it can be applied to water conservancy projects in our country.

dike ND；ground penetrating radar；reflection wave group

翟 鐸(1979-)，男，工程師，從事水利工程管理工作。E-mail：20229488@qq.com

TV871

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2096-0506(2015)06-0043-07