地質(zhì)雷達(dá)在水毀復(fù)建堤防隱患探測(cè)中的應(yīng)用

王遠(yuǎn)明

(1.東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.黑龍江省三江工程建設(shè)管理局，黑龍江 哈爾濱 150081)

地質(zhì)雷達(dá)在水毀復(fù)建堤防隱患探測(cè)中的應(yīng)用

王遠(yuǎn)明1，2

(1.東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.黑龍江省三江工程建設(shè)管理局，黑龍江 哈爾濱 150081)

土質(zhì)堤防自身具有空間范圍廣、材料均質(zhì)性差等特點(diǎn)，特別是對(duì)于水毀復(fù)建段堤防，由于搶險(xiǎn)填筑時(shí)間緊迫，在填筑材料、施工工藝上往往難以嚴(yán)格要求。因此，可能存在的隱患類(lèi)型復(fù)雜多樣，探測(cè)難度較大。本文介紹了利用地質(zhì)雷達(dá)實(shí)現(xiàn)堤防隱患的快速、高效、無(wú)損探測(cè)的基本原理與實(shí)際工作方法，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)探測(cè)方法周期長(zhǎng)、成本高、代表性差等不足之處，并結(jié)合某水毀復(fù)建段堤防探測(cè)實(shí)例驗(yàn)證了地質(zhì)雷達(dá)方法的實(shí)用性。

地質(zhì)雷達(dá)；堤防；隱患探測(cè)

堤防是沿河、湖、海岸等水體邊緣修建的擋水建筑物，對(duì)于抵御洪澇災(zāi)害，保證工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)甚至人民生命安全發(fā)揮著不可替代的作用。就我國(guó)而言，目前各類(lèi)堤防約有29.91萬(wàn)km，其中大部分為土質(zhì)堤防[1]。土質(zhì)堤防由于自身介質(zhì)的不均勻性，為隱患探測(cè)工作帶來(lái)了一定的難度。特別針對(duì)于洪水災(zāi)害潰口后復(fù)建段的堤防，在填筑材料特性、施工工藝控制等方面與原堤防存在一定差別，新老堤防接合面情況也較為復(fù)雜，其中可能存在的隱患包括：由天然地質(zhì)缺陷或施工質(zhì)量導(dǎo)致的空隙、洞穴、裂隙等，及搶險(xiǎn)堵口時(shí)難以避免的薄弱環(huán)節(jié)，如局部土體碾壓不密實(shí)，較為松散，存在富水區(qū)域等。傳統(tǒng)的隱患探測(cè)方法如鉆孔取樣法等，不僅代表性差、成本高、耗時(shí)長(zhǎng)，而且會(huì)對(duì)堤防造成一定程度的破壞。以地質(zhì)雷達(dá)法為代表的無(wú)損檢測(cè)手段，可以適應(yīng)堤防探測(cè)范圍廣、介質(zhì)復(fù)雜程度高的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)堤防的高效、快速、無(wú)損探測(cè)，獲得更為直觀(guān)的結(jié)果。張偉等[2]將地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用于水利工程隱患探測(cè)的諸多具體領(lǐng)域，完成了對(duì)滲漏、裂縫、空洞的探測(cè)實(shí)踐；胡勇[3]進(jìn)一步闡述了地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)土質(zhì)堤防的一般性方法。本文則特別針對(duì)水毀復(fù)建段堤防，以具體的工程為例，驗(yàn)證了地質(zhì)雷達(dá)在水毀復(fù)建堤防隱患探測(cè)中的應(yīng)用效果。

1 地質(zhì)雷達(dá)原理與應(yīng)用

1.1 基本原理

地質(zhì)雷達(dá)是利用頻率約為106～109 Hz的高頻電磁波來(lái)探測(cè)地下介質(zhì)分布規(guī)律的地球物理探測(cè)方法[4]。主要組成部分包括發(fā)射天線(xiàn)、接收天線(xiàn)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制系統(tǒng)。其工作過(guò)程為：高頻電磁波以寬頻帶脈沖方式通過(guò)發(fā)射天線(xiàn)向目標(biāo)物體發(fā)射，到達(dá)地下目標(biāo)體及相應(yīng)地層后，由于介質(zhì)的電性差異，電磁波反射回地面由接收天線(xiàn)接收，通過(guò)雷達(dá)主機(jī)對(duì)接收信號(hào)的頻率、振幅等信息進(jìn)行分析，并對(duì)圖像解譯，從而獲得地下介質(zhì)或目標(biāo)體的信息。探測(cè)原理如圖1所示。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)原理圖

電磁波傳播過(guò)程中的主要參數(shù)有3個(gè)[5]。

目標(biāo)體深度，即探測(cè)深度h：

(1)

式中：c為電磁波在真空中傳播速度，m/ns；εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；t為電磁波雙程走時(shí)，s。

電磁波反射系數(shù)R：

(2)

式中：ε1為第一層介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；ε2為第二層介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

垂直分辨率S：表示地質(zhì)雷達(dá)在垂直方向上能分辨的最小距離，m。

(3)

式中：λ為電磁波波長(zhǎng)，m。

1.2 數(shù)據(jù)采集與處理

地質(zhì)雷達(dá)開(kāi)展探測(cè)工作前，首先需要明確探測(cè)范圍，確定工作區(qū)域的測(cè)線(xiàn)布置。對(duì)于堤防隱患探測(cè)，可采取整體測(cè)量與局部重點(diǎn)測(cè)量相結(jié)合的方式。沿堤防軸線(xiàn)，分別在堤頂、迎水坡坡腳、背水坡坡腳布設(shè)縱向測(cè)線(xiàn)，目的在于了解探測(cè)堤段整體情況與薄弱部分位置。同時(shí)可布設(shè)垂直于堤防軸向的橫向測(cè)線(xiàn)，作為輔助參考。在初步確定可能存在的隱患位置后，可在該位置作重點(diǎn)探測(cè)。

雷達(dá)工作時(shí)，需設(shè)定合適的測(cè)量參數(shù)，主要參數(shù)包括[6]：

天線(xiàn)中心頻率f：為實(shí)際工作頻帶的中心，與探測(cè)深度及垂直分辨率相關(guān)，可根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)選取建議值，也可由下式計(jì)算得到。

(4)

式中:x為空間分辨率，m；ε為背景場(chǎng)的相對(duì)介電常數(shù)。

采樣頻率：雷達(dá)天線(xiàn)工作時(shí)，每秒鐘掃描的次數(shù)，可根據(jù)建議值選取。

相對(duì)介電常數(shù)：表征物體介電性質(zhì)的物理參數(shù)，空氣為1，水為81，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)表格取值。

完成數(shù)據(jù)采集后，需要對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與解譯。以美國(guó)勞雷公司的SIR型雷達(dá)為例，數(shù)據(jù)處理可通過(guò)專(zhuān)業(yè)處理軟件RADAN進(jìn)行，通常所采取的步驟如圖2[7]。

圖2 雷達(dá)數(shù)據(jù)處理流程圖

地質(zhì)雷達(dá)的解譯，以采集到的雷達(dá)圖像波形的相似與相異性為基礎(chǔ)。同一層介質(zhì)的反射波在振幅、頻率、波形上具有相同特征，而來(lái)自不同層介質(zhì)或探測(cè)區(qū)域有洞穴、空隙、水等物質(zhì)時(shí)，反射波會(huì)發(fā)生顯著變化，出現(xiàn)同相軸錯(cuò)斷、多次反射波、反射加強(qiáng)等特征[8]。依據(jù)雷達(dá)圖像上反射波特征，并結(jié)合地質(zhì)、鉆孔資料，可實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)結(jié)果的解譯。

2 應(yīng)用實(shí)例

現(xiàn)以某洪水潰口后的復(fù)建段堤防探測(cè)為例，介紹地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)應(yīng)用情況。該處堤防沿南北向延伸，水毀復(fù)建段長(zhǎng)度約為150 m，堤頂寬度6 m，高度約為4 m。搶險(xiǎn)封堵時(shí)底層采用毛石擠淤法，其上回填風(fēng)化料，頂層用砂性土加高培厚1.5～2 m，最上層鋪設(shè)水泥路面。堤身土料以風(fēng)化碎石、中粗砂、局部黏土組成，均質(zhì)性差，隱患探測(cè)有一定難度。本次探測(cè)目的是探明該段堤防是否存在明顯的裂隙、空洞、富水區(qū)等潛在隱患，并對(duì)可能存在的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線(xiàn)布置采取沿堤防軸向與橫向相結(jié)合，整體探測(cè)與局部探測(cè)相結(jié)合的原則，在堤頂布設(shè)縱向測(cè)線(xiàn)一條，長(zhǎng)度約為220 m，覆蓋整個(gè)水毀復(fù)建段并有外延；同時(shí)堤頂每隔10 m布設(shè)一條橫向測(cè)線(xiàn)，與縱向測(cè)線(xiàn)形成測(cè)網(wǎng)，提高探測(cè)密度；迎水坡則在不同高度布設(shè)上、中、下三條測(cè)線(xiàn)。雷達(dá)測(cè)線(xiàn)布置如圖3所示。

圖3 雷達(dá)測(cè)線(xiàn)布置示意圖

本次探測(cè)所采用地質(zhì)雷達(dá)型號(hào)為美國(guó)勞雷公司生產(chǎn)的SIR-20地質(zhì)雷達(dá)，配合100 MHz天線(xiàn)，發(fā)射頻率50 kHz，采樣率設(shè)為1024 samp/scan，采樣頻率選擇30 scans/sec，時(shí)窗以300 ns為主。沿堤防測(cè)線(xiàn)拖動(dòng)天線(xiàn)，完成數(shù)據(jù)采集，而后利用專(zhuān)業(yè)后處理軟件RADAN5對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行剪切、轉(zhuǎn)向、濾波、距離歸一化等編輯處理，得到最終的地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)剖面圖。選取典型探測(cè)斷面結(jié)果分析如圖4～7。

圖4 堤頂整體縱向測(cè)線(xiàn)實(shí)測(cè)圖像

圖4是所選取某水毀復(fù)建段堤防堤頂縱向測(cè)線(xiàn)實(shí)測(cè)圖像。橫坐標(biāo)表示沿堤防軸線(xiàn)水平距離，縱坐標(biāo)為地面以下深度，這里探測(cè)范圍220 m，探測(cè)最大深度10～12 m左右。由雷達(dá)圖像可以看到，由于路面混凝土與其下土質(zhì)堤防材料介質(zhì)特性存在差異，雷達(dá)圖像上顯示出明顯的分界面，混凝土路面厚度在0.5 m左右。其下部土質(zhì)堤防圖像均勻、同向軸連續(xù)，未出現(xiàn)異常區(qū)域，可判斷該段堤防堤身淺層部分土層介質(zhì)較為均勻，碾壓密實(shí)，無(wú)明顯空洞、含水裂隙等潛在隱患出現(xiàn)。

圖5 迎水坡上部測(cè)線(xiàn)實(shí)測(cè)圖像

圖5是距堤頂坡面距離8 m的迎水坡上部實(shí)測(cè)圖像，圖中深度1～1.5 m位置有兩層明顯的電性界面，推測(cè)為堤防加高培厚部分碾壓分層引起。該層同相軸均勻連續(xù)，反射波形態(tài)基本一致，未出現(xiàn)異常情況，判斷加高培厚層碾壓較密實(shí)。1.5～4 m左右深度局部出現(xiàn)圓弧形狀波形，且同向軸出現(xiàn)斷裂，初步判斷該部分區(qū)域土體密實(shí)性較差，局部可能存在小的空隙，但波形并未出現(xiàn)大的錯(cuò)亂、衰減等異常情況，可判斷該部分僅存在土體密實(shí)度問(wèn)題，無(wú)較大隱患存在。

圖6 迎水坡中部測(cè)線(xiàn)實(shí)測(cè)圖像

圖6是距堤頂坡面距離16 m的迎水坡中部實(shí)測(cè)圖像。圖中水平距離80～120 m，垂直深度2.5～3.5 m范圍內(nèi)，有一處異常的電性界面，同向軸向下彎折錯(cuò)斷，連續(xù)性較差。推斷此處填土孔隙率較大，密實(shí)度差，長(zhǎng)期滲水可能帶走部分細(xì)顆粒物質(zhì)后而形成局部空洞，并可能導(dǎo)致迎水坡坡面沉降。其他部分整體性較好，局部出現(xiàn)同向軸散亂情況，應(yīng)為填土密實(shí)性差異所導(dǎo)致，無(wú)大的隱患存在。

圖7 迎水坡下部測(cè)線(xiàn)實(shí)測(cè)圖像

圖7是距堤頂坡面距離20 m的迎水坡下部實(shí)測(cè)圖像。可以清晰看到圖中水平距離65～100 m,垂直深度1.5～4.0 m位置發(fā)生同向軸錯(cuò)斷，該處反射波與周?chē)顒e明顯，出現(xiàn)收窄、衰減、雜亂無(wú)序按的形態(tài)，推斷該處可能由于本身地質(zhì)不均勻或施工填筑質(zhì)量不佳，導(dǎo)致出現(xiàn)局部裂隙或空洞，進(jìn)而被滲水占據(jù)，從而出現(xiàn)富水裂隙區(qū)域，反映在雷達(dá)圖像上出現(xiàn)與周?chē)馏w明顯差異的電性界面。判斷該處為水毀復(fù)建段堤防薄弱部位，存在一定的滲漏風(fēng)險(xiǎn)，其他區(qū)域無(wú)明顯隱患存在。

以上為該水毀復(fù)建段堤防地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果分析，綜合以上堤頂、迎水坡面等部位多條測(cè)線(xiàn)的分析結(jié)果，雷達(dá)實(shí)測(cè)圖像大多波形平緩、同向軸連續(xù)，反映了該段堤防整體狀態(tài)良好，無(wú)較大隱患存在，同時(shí)雷達(dá)圖像顯示局部區(qū)域，一定深度范圍內(nèi)波形異常，電性差異界面明顯，同相軸存在破碎斷裂情況，說(shuō)明該段堤防少數(shù)區(qū)域存在空洞、裂隙、土體松散區(qū)及水富集區(qū)，可能與搶險(xiǎn)堵口時(shí)填筑材料與施工工藝控制難以嚴(yán)格要求有關(guān)，或由該區(qū)域自然地質(zhì)條件引起。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)基本達(dá)到了預(yù)期的目的。

3 結(jié) 論

對(duì)于堤防隱患探測(cè)，特別是水毀復(fù)建段堤防這一較為特殊的堤段，通過(guò)分析其地質(zhì)雷達(dá)圖像上的同向軸形態(tài)、電性差異界面、反射波特征等，可以推斷出堤防可能存在的隱患類(lèi)型與分布位置，為堤防評(píng)價(jià)或進(jìn)一步加固提供參考意見(jiàn)。但由于土質(zhì)堤防材料均質(zhì)性差，導(dǎo)致探測(cè)深度難以精確換算，同時(shí)局部含水量高，信號(hào)衰減也較快，地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)精度難免受到影響，實(shí)際工作中應(yīng)結(jié)合地質(zhì)、鉆孔資料或其他輔助探測(cè)手段修正探測(cè)結(jié)果，從而提高探測(cè)精度。相較于其他探測(cè)手段，地質(zhì)雷達(dá)速度快、效率高、操作方便、結(jié)果直觀(guān)，可以取得較為滿(mǎn)意的探測(cè)結(jié)果，在實(shí)際工作中有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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The application of georadar in detecting potential hazards of rebuilt broken dike

WANG Yuanming1,2

(1.CollegeofEngineering&Technology，NortheastForestryUniversity，Harbin150040，China；2.SanjiangEngineeringBureauofHeilongjiangProvince，Harbin150081，China)

The earth dike itself has the characteristics of both wide range of space and poor material heterogeneity. Especially for flood damaged dike which has been urgently repaired, it is often difficult to meet materials filling and construction technology standard. Base on the above two poits, there may be a variety of types of potential hazards which will be difficult to detect. This paper introduced the basic principle and practical methods of georadar to find potential hazards in dike quickly,efficiently and without damage. It overcame the disadvantages of traditional methods such as long period, high cost, poor representation etc. Its practicability was proved by an example of some flood damaged dike.

georadar; dike; detect potential hazard

黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(GZ16B037)

王遠(yuǎn)明(1984-)，男，黑龍江塔河人，工程師，博士研究生，主要從事森林工程方面的研究。E-mail:348254539@qq.com。

P631.8;TV871.4

A

2096-0506(2017)02-0031-05