利用GPR探測(cè)充填袋結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)與研究

周榮官，朱群峰，黃康理，何 寧

（1.南京水利科學(xué)研究院 ，江蘇南京210024；2.水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210024）

利用GPR探測(cè)充填袋結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)與研究

周榮官1，2，朱群峰1，2，黃康理1，2，何 寧1，2

（1.南京水利科學(xué)研究院 ，江蘇南京210024；2.水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210024）

摘要:采用疏浚土充填袋筑堤是一種新型技術(shù)，尚處于開(kāi)發(fā)研究階段，相應(yīng)的檢測(cè)手段等很不完善?；贕PR（地質(zhì)雷達(dá)）的高效、無(wú)損、分辨率高等特點(diǎn)，開(kāi)展GPR探測(cè)堤體結(jié)構(gòu)特性的試驗(yàn)研究，并通過(guò)標(biāo)定及與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段的比對(duì)等方法來(lái)論證探測(cè)堤體結(jié)構(gòu)特性的可行性。研究成果表明，采用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)充填袋壓坡體結(jié)構(gòu)其結(jié)果與分層沉降等實(shí)測(cè)資料較為吻合。充填袋典型的雷達(dá)圖像特征 ，為充填袋筑堤變形的快速檢測(cè)提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞:疏浚土；充填袋；筑堤；地質(zhì)雷達(dá)

近年來(lái)，在航道建設(shè)的疏浚工程中，大量的疏浚土需要棄置，且其中存在大量土性和排水特性都較好的亞粘土，將該部分疏浚土作為充填料 ，采用大型充填袋筑堤技術(shù)進(jìn)行圍堤和防波堤修筑在砂石料缺乏的沿海地區(qū)具有良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益［1-2］。

與此同時(shí)，由于目前采用疏浚土充填筑堤的大型充填袋筑堤技術(shù)尚處于開(kāi)發(fā)研究階段，相應(yīng)的設(shè)計(jì)理論和方法、檢測(cè)措施等都不完善［3-8］，因此，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn)，開(kāi)展地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)堤體結(jié)構(gòu)特性的試驗(yàn)研究，以現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定試驗(yàn)以及和傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的比對(duì)試驗(yàn)，論證地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)探測(cè)堤體結(jié)構(gòu)特性的可行性具有十分重要現(xiàn)實(shí)意義。

1　地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的基本原理

地質(zhì)雷達(dá)是利用高頻電磁波（10 MHz～2 GHz）以寬頻帶短脈沖形式，由地面通過(guò)發(fā)射天線送入地下，經(jīng)地層或探測(cè)目標(biāo)物反射后返回地面，為另一接收天線所接收。電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁波強(qiáng)度與波形將隨所通過(guò)介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)等而變化。因此，根據(jù)接收到的波的旅行時(shí)間（亦稱雙程走時(shí)）、幅度與波形資料，通過(guò)圖像處理和分析，可確定地下地層界面或目標(biāo)體的空間位置和結(jié)構(gòu)性質(zhì)［9-15］。

2　試驗(yàn)段概況

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段自2010年12月15日開(kāi)始充填袋施工，截止2011年4月5日現(xiàn)場(chǎng)施工結(jié)束，6個(gè)試驗(yàn)斷面按照設(shè)計(jì)文件填筑到5.5 m左右的高程。施工加載過(guò)程曲線見(jiàn)圖1。

圖1　充填袋壓坡結(jié)構(gòu)體加載過(guò)程線

施工加載過(guò)程可以分為三個(gè)階段:前期施工速度不快，中期由于春節(jié)放假期間停止施工 ，后期施工速率過(guò)快。各斷面加載總荷載量在84 kPa～95 kPa之間。試驗(yàn)段充填袋充填施工期間，通過(guò)沉降觀測(cè)點(diǎn)測(cè)量各試驗(yàn)斷面整體沉降過(guò)程。各層充填袋充填結(jié)束時(shí)，在充填袋的頂部放置沉降測(cè)量環(huán) ，通過(guò)沉管測(cè)量施工過(guò)程中各層充填袋頂部的沉降變化過(guò)程。

3　地質(zhì)雷達(dá)標(biāo)定試驗(yàn)研究及其成果

3.1標(biāo)定試驗(yàn)

地質(zhì)雷達(dá)圖像剖面反映了地下介質(zhì)的電性特征。由于物性參數(shù)的多解性 ，這些電性特征要想轉(zhuǎn)化成地下介質(zhì)的分布，必須進(jìn)行前期的試驗(yàn)工作 ，其目的是: （1）檢查測(cè)量參數(shù)的選擇是否符合預(yù)想結(jié)果。如果不合適還須調(diào)整測(cè)量參數(shù) ，以便獲得滿意的地質(zhì)雷達(dá)圖像；（2）建立目標(biāo)體的地質(zhì)雷達(dá)圖像特征。

雷達(dá)標(biāo)定試驗(yàn)檢測(cè)工作的主要過(guò)程為 :埋設(shè)沉降反射板→測(cè)量高程→充填疏浚土袋→雷達(dá)檢測(cè)→鋼釬測(cè)定反射板位置→測(cè)量高程→沉降環(huán)監(jiān)測(cè)并獲取對(duì)比資料→間隔一定時(shí)間→雷達(dá)檢測(cè)→鋼釬測(cè)定反射板位置→測(cè)量高程→沉降環(huán)監(jiān)測(cè)并獲取對(duì)比資料。

地質(zhì)雷達(dá)對(duì)試驗(yàn)段充填體的沉降監(jiān)測(cè)標(biāo)定試驗(yàn)在多個(gè)區(qū)域進(jìn)行?？紤]到篇幅，本論文主要介紹B區(qū)即充填袋在含40%泥砂情況下沉降變形的監(jiān)測(cè)及其研究。具體情況如下:2011年3月5日于B區(qū)第五層土工充填袋頂面上埋設(shè)反射板Gb1，埋設(shè)標(biāo)高為3.816 m，隨后在其面上鋪設(shè)第六層土工充填袋并充填含40%泥砂，充填工作結(jié)束后于3月12日，3月13日進(jìn)行了地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)。3月17日，在第六層土工充填袋上鋪設(shè)第七層土工充填袋并充填純砂并開(kāi)展雷達(dá)檢測(cè)，隨后于3月30日、4月9日、4 月23日開(kāi)展了多次雷達(dá)檢測(cè)工作。

3.2地質(zhì)雷達(dá)標(biāo)定試驗(yàn)研究成果分析

圖2為B區(qū)監(jiān)測(cè)沉降所得到的雷達(dá)波形圖。圖2（a）～圖2（e）分別代表B區(qū)反射板Gb1位置3月13日到4月23日期間開(kāi)展的5次雷達(dá)檢測(cè)工作所得結(jié)果。通過(guò)圖2（a）可以得知3月13日在充填含40%泥砂后，反射板Gb1位置在充填袋面下0.71 m處，絕對(duì)高程為3.639 m，相比較于埋設(shè)初期的3月5日反射板Gb1沉降了0.177 m。由圖2（b）可以得知3月17日在又充填一層純砂后反射板Gb1位置在充填袋面下1.16 m處，絕對(duì)高程為3.573 m，相比較于埋設(shè)初期的3月13日反射板Gb1沉降了0.066 m。圖2（c）～圖2（e）是在未繼續(xù)充砂情況下隨后進(jìn)行的雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果。由圖及相關(guān)的測(cè)量高程得到結(jié)果是:3月30日絕對(duì)高程為3.413 m，同3月17日相比下降0.160 m，4月9日絕對(duì)高程為3.363 m，同3 月30日相比下降0.050 m，4月23日絕對(duì)高程為3.341 m，同4月9日相比下降0.022 m。

為了比較利用地質(zhì)雷達(dá)方法所測(cè)得的資料的可靠性，將上述結(jié)果與測(cè)區(qū)附近的沉降管資料進(jìn)行比較，比較結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3所示測(cè)區(qū)B反射板所得資料與該區(qū)沉降管所得資料的比較結(jié)果表明:位于第五層膜面上的反射板Gb1與第五層充填袋中的HB5沉降環(huán)兩者高程數(shù)據(jù)其變化規(guī)律非常相似，表現(xiàn)為初期兩者沉降不完全一致，但隨著時(shí)間推移，兩者均開(kāi)始穩(wěn)定，曲線表現(xiàn)為互相平行。這表明反射板來(lái)監(jiān)測(cè)充填袋的沉降其數(shù)據(jù)是可靠的。同樣，位于其他層膜面上的反射板也體現(xiàn)出了類似的規(guī)律。

原型試驗(yàn)中地質(zhì)雷達(dá)標(biāo)定成果表明采用反射板來(lái)監(jiān)測(cè)充填袋的沉降其方法是可行的，數(shù)據(jù)是可靠的。表明采用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)充填袋壓坡體結(jié)構(gòu)特性是可行的。

圖2　試驗(yàn)B區(qū)Gb1反射板位置地質(zhì)雷達(dá)圖

圖3　測(cè)區(qū)B反射板資料與沉降管資料的比較

4　地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果分析

采用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)充填袋壓坡體結(jié)構(gòu)特性探測(cè)的測(cè)線及測(cè)區(qū)位置見(jiàn)圖4所示。探測(cè)網(wǎng)布置總體原則為:每個(gè)試驗(yàn)段在沉降管附近布置一個(gè)橫斷面，總平面上沿不同高程分別布置4個(gè)縱斷面，長(zhǎng)度覆蓋整個(gè)試驗(yàn)段。探測(cè)網(wǎng)孔位放樣和孔口高程測(cè)量由專門(mén)人員實(shí)施，使用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行放樣，并用油柒等加以標(biāo)識(shí)。每條探測(cè)線用皮尺量距定位，并沿測(cè)線每隔一定距離做好標(biāo)記。

圖4　充填袋壓坡體結(jié)構(gòu)特性研究地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)網(wǎng)布置

圖5為橫斷面D雷達(dá)探測(cè)成果圖。圖5（a）為測(cè)得的雷達(dá)波形圖，圖5（b）為根據(jù)該波形圖結(jié)合各自不同條件所推斷的充填袋形成斷面圖。

圖5（b）為D試驗(yàn)區(qū)中靠近沉降管位置的一個(gè)雷達(dá)檢測(cè)橫斷面成果圖，該斷面垂直于軸線，長(zhǎng)21.3 m。由圖可知:充填袋形成斷面最厚處在軸線右側(cè)9.35 m處，充填袋斷面表面高程為4.25 m，底面高程為0.32 m，對(duì)應(yīng)該位置充填袋總層數(shù)為7層，最厚處充填袋體平均厚度為0.561 m。

試驗(yàn)段充填袋壓坡體各層充填袋設(shè)計(jì)初始充填厚度為0.75 m，根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)的斷面測(cè)量資料有，試驗(yàn)段充填袋體壓縮后厚度范圍為0.417 m～0.583 m，由此計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的壓縮率量值范圍與試驗(yàn)段分層沉降測(cè)得結(jié)果基本一致，原型試驗(yàn)中采用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)充填袋壓坡體結(jié)構(gòu)特性的研究成果表明采用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)充填袋壓坡體結(jié)構(gòu)特性是可行的。

5　結(jié) 論

（1）在淤泥質(zhì)海岸筑堤新技術(shù)試驗(yàn)研究項(xiàng)目中創(chuàng)新地將地質(zhì)雷達(dá)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于試驗(yàn)段現(xiàn)場(chǎng)充填體的結(jié)構(gòu)特性探測(cè)，其技術(shù)思路正確。

（2）研究成果表明采用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)充填袋壓坡體結(jié)構(gòu)其結(jié)果與分層沉降等實(shí)測(cè)資料較為吻合，表明該方法不僅可行，而且其測(cè)量精度能夠滿足工程監(jiān)測(cè)的要求。

（3）通過(guò)分析比較地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)資料，初步掌握了充填袋的的雷達(dá)圖像特征 ，為充填袋筑堤的推廣應(yīng)用中各階段變形控制等提供了一種快速檢測(cè)的手段。

圖5　橫斷面D雷達(dá)探測(cè)成果圖

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中圖分類號(hào):U612.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1672—1144（2015）01—0026—04

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2015.01.006

收稿日期 :2014-10-01修稿日期:2014-12-30

基金項(xiàng)目 :國(guó)家高新技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃863資助項(xiàng)目（2012AAll2509）

作者簡(jiǎn)介 :周榮官（1963—），男，江蘇蘇州人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事巖土工程專業(yè)方面的研究工作。E-mail:rgzhou@nhri.cn

Research and Tests on the Applications of GPR in Filling Bag Structure Detection

ZHOU Rong-guan1，2，ZHU Qun-feng1，2，HUANG Kang-li1，2，HE Ning1，2
（1.Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing，Jiangsu 210024，China；2.The State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering，Nanjing，Jiangsu 210024，China）

Abstract:The application of dredged soil filling bags in diking is a new technique which is still at the R&D stage. Therefore，its corresponding detection method has not yet been fully developed.As GPR（Ground Penetrating Radar）have the advantages of high efficiency，no destruction，high resolution and so on，it was adopted to detect the characteristics of the dam body structure.Furthermore its feasibility in doing so was demonstrated by calibration of the radar and the comparison between this method and other conventional monitoring methods.The study indicates that GPR detection results are consistent with the monitored data of layered settlement.The typical image data of the detection provides the theoretical basis for fast deformation detection of dams built with filling bags.

Keywords:dredged soil；filling bags；diking；GPR