海堤拋石底界的聯(lián)合探測(cè)方法試驗(yàn)研究

鄧彪 李紅文 胡雄武

摘要：如何實(shí)現(xiàn)對(duì)海堤拋石底界的快速檢測(cè)是當(dāng)前水利工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題之一。以往主要采用鉆孔探測(cè)的方法，但施工周期長、成本高且僅一孔之見，故實(shí)踐中利用該方法難以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)海堤拋石底界的快速檢測(cè)。鑒于地質(zhì)雷達(dá)方法檢測(cè)快速且信息連續(xù)，提出了地質(zhì)雷達(dá)法與鉆孔法進(jìn)行聯(lián)合探測(cè)的新思路?，F(xiàn)場(chǎng)探測(cè)試驗(yàn)結(jié)果表明，雷達(dá)波在拋石體與淤泥層之間存在明顯的反射，利用鉆孔探測(cè)結(jié)果對(duì)雷達(dá)波波速進(jìn)行標(biāo)定，可快速有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)海堤拋石底界的整體判定。

關(guān)鍵詞：海堤; 拋石底界; 鉆探法; 地質(zhì)雷達(dá)法; 海堤工程

中圖法分類號(hào)：S277.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.02.028

1研究背景

依據(jù)DB33/T839-2011《海堤工程爆炸置換法處理軟基技術(shù)規(guī)范》[1]、JTT/T258-1998《爆炸法處理水下地基和基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程》[2]及相關(guān)設(shè)計(jì)要求，海堤爆填塊石底界需進(jìn)行檢測(cè)。以往以鉆探法為主，主要因該方法具有結(jié)果直觀、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也因其施工周期長、探測(cè)信息不連續(xù)且對(duì)海堤堤身有破壞等缺點(diǎn)，實(shí)際工程應(yīng)用中難以全面實(shí)施。如何快速且可靠地對(duì)海堤拋石進(jìn)行檢測(cè)是當(dāng)前工程技術(shù)人員一直致力解決的問題。葛雙成[3-4]、張家寶[5]、鄧義龍[6]、王佳賀[7]、王紹彪[8]、李俊杰[9]等分別利用地質(zhì)雷達(dá)法、淺層地震波法和多道瞬態(tài)瑞雷波法進(jìn)行了海堤拋石底界探測(cè)試驗(yàn)，通過對(duì)物性的圖像特征進(jìn)行分析，一定程度上確定了拋石底界的厚度?？偟膩碚f，上述地球物理勘探方法因具有測(cè)點(diǎn)密度高、檢測(cè)速度快和對(duì)海堤堤身無損等優(yōu)點(diǎn)，正在海堤拋石檢測(cè)中進(jìn)行嘗試性應(yīng)用。借鑒上述研究成果，筆者及所在團(tuán)隊(duì)通過對(duì)海堤拋石層物性特征的進(jìn)一步分析，認(rèn)為塊石層與淤泥層之間存在一定物性差異，如拋石體的均質(zhì)性差、孔隙大，同時(shí)受海水的影響，電磁波在進(jìn)入淤泥層后能量衰減迅速等，這為地質(zhì)雷達(dá)方法在海堤拋石檢測(cè)中的應(yīng)用提供了良好的地球物理基礎(chǔ)。

基于上述考慮，結(jié)合近幾年地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)方法在隧道、引水隧洞等工程上的應(yīng)用案例[10-11]，以及相關(guān)的成熟理論（偏移成像[12]及正演模擬[13]、雷達(dá)波反射機(jī)理[14]等），本文通過鉆孔法和地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行聯(lián)合探測(cè)試驗(yàn)研究，其中采用少量典型地質(zhì)鉆探孔作為雷達(dá)探測(cè)結(jié)果的驗(yàn)證和標(biāo)定，為海堤拋石檢測(cè)提供了一套有效的技術(shù)方法。

2探測(cè)方法

2.1鉆探檢測(cè)法

在鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中，利用鉆桿的長度量測(cè)孔深，并對(duì)鉆孔巖土層進(jìn)行分層描述，孔口高程采用水準(zhǔn)儀測(cè)量。通過鉆孔獲得以下數(shù)據(jù)：① 鉆探點(diǎn)拋石層底界高程;② 拋石層底部泥石混合層的厚度。

由于爆填堤心塊石體均質(zhì)性較差，且厚度大，鉆探難度一般較大。鉆探施工中應(yīng)采用金剛石鉆頭鉆進(jìn)，開孔孔徑150 mm，終孔孔徑一般為110 mm，并深入地基土層不少于2 m，全孔采用多套套管護(hù)壁。鉆探過程均詳細(xì)記錄，每次提鉆前后均需量測(cè)鉆桿長度、孔深，終孔時(shí)記錄各鉆孔的深度、塊石體底界深度等。終孔由檢測(cè)人員現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，確保鉆探記錄準(zhǔn)確有效。但需要說明的是，由于鉆進(jìn)過程中的擠壓作用，拋石體與下部軟土層之間深度界線不可避免產(chǎn)生少量偏差。

2.2地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)法

地質(zhì)雷達(dá)是利用高頻電磁波（主頻為數(shù)十至數(shù)百乃至數(shù)千兆赫）以寬頻帶短脈沖形式由地面通過發(fā)射天線T送入地下，經(jīng)地下地層或目標(biāo)體反射后返回地面，為接收天線R所接收，當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)的波速v（m/ns）已知時(shí)，可根據(jù)測(cè)得的脈沖波旅行時(shí)間t（ns），求出反射體的深度h（m）。電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其電磁波強(qiáng)度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性及幾何形態(tài)而變化。因此，根據(jù)接收到波的旅行時(shí)間（亦稱雙程走時(shí)）、幅度及波形資料，可推斷介質(zhì)的結(jié)構(gòu)及不同介質(zhì)分界面（見圖1）。在實(shí)際檢測(cè)中，介質(zhì)中的電磁波速度一般可利用已知目標(biāo)體的反射時(shí)間求取，或根據(jù)鉆孔揭示層位進(jìn)行標(biāo)定。

雷達(dá)波在介質(zhì)中的傳播速度為

v=cεr（1）

式中，εr為介質(zhì)的介電常數(shù);c為光速（0.3 m/ns）。

一般海堤探測(cè)斷面的介質(zhì)層大致為拋石層、土石混合層（較?。⒌鼗浲翆?。根據(jù)表1所示常見介質(zhì)的物理參數(shù)可知，拋石（可參考巖石電磁波速度）、淤泥及海水等介質(zhì)之間有較明顯的電性差異，具備雷達(dá)探測(cè)的基本物性條件。

地質(zhì)雷達(dá)在海堤探測(cè)時(shí)一般采用雙天線反射測(cè)量方式，且多采用剖面法，即發(fā)射天線和接收天線以固定間距沿測(cè)線同步移動(dòng)，其測(cè)量結(jié)果可以用探地雷達(dá)時(shí)間剖面圖像來表示。該圖像的橫坐標(biāo)記錄了天線在地表的位置，縱坐標(biāo)為反射波雙程走時(shí)，表示雷達(dá)脈沖從發(fā)射天線出發(fā)經(jīng)地下界面反射回到接收天線所需的時(shí)間。這種記錄能夠準(zhǔn)確反映測(cè)線下方地下各反射界面的形態(tài)。

2.3綜合探測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)

從前文分析可知，現(xiàn)有海堤拋石檢測(cè)方法或完全以鉆探方法為主，或以地球物理方法為主，前者雖然對(duì)拋石底界深度判定精度高，但其施工成本高、周期長、工作量大且效率低下，實(shí)際中難以實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)，且僅為一孔之見。后者僅依靠物性參數(shù)的分布實(shí)現(xiàn)對(duì)海堤拋石底界深度的判定，存在檢測(cè)深度不準(zhǔn)確的問題，其原因在于海堤拋石體內(nèi)部物性分布的不均勻性強(qiáng)，電磁波和地震波的波速選取無法做到與實(shí)際一致。本文提出的綜合探測(cè)方法是綜合了上述方法的長處，即利用地質(zhì)雷達(dá)方法的探測(cè)信息連續(xù)且工作效率高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)針對(duì)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)測(cè)線進(jìn)行局部鉆孔探測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海堤拋石底界雷達(dá)波反射層的標(biāo)定及電磁波速的選取，達(dá)到了快速且準(zhǔn)確的檢測(cè)要求。

3現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1工程簡介

浙江某海堤設(shè)計(jì)堤頂高程6.0 m，擋浪墻頂高程7.0 m，堤頂寬7.8 m。石堤爆炸置換深度至-14.9～-23.5 m高程（典型斷面）。海堤上部斷面結(jié)構(gòu)為直立式土石混合復(fù)式斷面型式，石堤擋潮防浪，土方閉氣防滲。海堤迎潮面3.8 m高程設(shè)一12.2 m的消浪寬平臺(tái)，寬平臺(tái)以上按1∶0.4坡至堤頂;寬平臺(tái)以下按1∶0.4坡至0 m高程坡腳，坡腳外再設(shè)5 m寬的拋石護(hù)坦，并設(shè)1∶3坡至外涂面，石堤內(nèi)坡以1∶1.5坡至內(nèi)涂面。內(nèi)坡土方從堤頂以1∶3坡至2.0 m高程，2.0 m高程設(shè)寬4 m的馬道，再以1∶4坡至0 m高程平臺(tái)，0 m高程平臺(tái)寬20 m，并以1∶15坡至內(nèi)涂面。堤頂及外坡消浪寬平臺(tái)均采用石渣墊層、混凝土穩(wěn)定層和C25混凝土路面作護(hù)面，寬平臺(tái)上下1∶0.4外坡采用C25埋石混凝土擋墻護(hù)坡，內(nèi)坡2.0 m高程以上1∶3坡度采用C25混凝土預(yù)制塊作護(hù)坡，2.0 m高程平臺(tái)至0.5 m高程均采用立體植被護(hù)坡網(wǎng)，并植草皮護(hù)坡?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)期間，該海堤堤頂及消浪平臺(tái)尚未澆筑，堤內(nèi)側(cè)閉氣土方也未回填。海堤現(xiàn)狀如圖2所示。

3.2觀測(cè)布置及雷達(dá)波速標(biāo)定

現(xiàn)場(chǎng)圍繞海堤分別沿縱向和橫向布置測(cè)線，受篇幅限制，本文僅討論橫向測(cè)線的檢測(cè)情況?，F(xiàn)場(chǎng)雷達(dá)檢測(cè)分別在8個(gè)樁號(hào)處（K0+287.5、K0+350、K0+412.5、K0+475、K0+537.5、K0+600、K0+655和K0+710）布置橫向測(cè)線，測(cè)線方向由圍區(qū)向外海側(cè)延伸，并針對(duì)其中K0+350、K0+475、K0+600和K0+710樁號(hào)處對(duì)應(yīng)的堤頂和消浪平臺(tái)分別布置1個(gè)鉆孔?，F(xiàn)場(chǎng)依據(jù)各鉆孔揭露的拋石深度，對(duì)雷達(dá)波速進(jìn)行標(biāo)定和選取，具體波速選取情況見表2。

由于堤頂比消浪平臺(tái)多出約2 m的拋石體，受海水影響相對(duì)較小，拋石體空隙內(nèi)充滿空氣，雷達(dá)波能量衰減較小，故雷達(dá)波速在堤頂表現(xiàn)相對(duì)比消浪平臺(tái)高（見表2）。由于海水面以下拋石體內(nèi)空隙充滿海水，雷達(dá)能量衰減、波速減小，故實(shí)測(cè)雷達(dá)波速值比理論值（見表1）稍低，符合實(shí)際情況。

3.3檢測(cè)結(jié)果分析

拋石基底高程的檢測(cè)主要綜合鉆探及物探成果與施工圖設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)斷面結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。根據(jù)斷面拋石基底高程對(duì)比（見表3），確定4條鉆探斷面（K0+350，K0+475，K0+600及K0+710）拋石基底高程基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。圖3～10為不同樁號(hào)處地質(zhì)雷達(dá)剖面。

從各圖中均可見較為明顯的電磁波反射層位，其中在圖4，6，8和10中均有鉆孔控制，將根據(jù)鉆孔探測(cè)拋石層深度標(biāo)定的電磁波速應(yīng)用到其它無鉆孔控制的剖面中，可以獲得相應(yīng)的拋石底界深度（見圖3，5，7和9）。從電磁波反射到達(dá)的時(shí)間推算，各檢測(cè)斷面中推斷的拋石底界深度均基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4結(jié) 語

海堤拋石檢測(cè)是當(dāng)前水利工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，快速有效的海堤拋石檢測(cè)方法仍處在探索和試驗(yàn)階段。本文采用鉆孔法和地質(zhì)雷達(dá)波法進(jìn)行了聯(lián)合探測(cè)試驗(yàn)，結(jié)果表明：① 雷達(dá)電磁波在拋石體與淤泥層之間存在明顯的反射層位;② 通過鉆孔探測(cè)結(jié)果對(duì)海堤堤身電磁波波速進(jìn)行標(biāo)定，結(jié)合電磁波反射時(shí)間，有效確定了海堤拋石底界深度;③ 地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)快速、信息連續(xù)，鉆孔法探測(cè)結(jié)果直觀、準(zhǔn)確且可以為前者提供結(jié)果驗(yàn)證和電磁波波速標(biāo)定作用，兩者聯(lián)合對(duì)海堤進(jìn)行拋石檢測(cè)可認(rèn)為是一套相對(duì)行之有效的方案，值得推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]DB33/T839-2011海堤工程爆炸置換該處理的改革技術(shù)規(guī)范[S].

[2]JTJ/T258-1998爆炸法處理水下地基和基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程[S].

[3]葛雙成，葉可來，梁國錢，等.探地雷達(dá)和淺層地震波法在海堤拋石層探測(cè)中的應(yīng)用[J].水利水電科技進(jìn)展，2008（5）：71-73.

[4]葛雙成，朱曉源，陳軍，等.海堤拋石雷達(dá)圖像特征及檢測(cè)效果分析[J].中國港灣建設(shè)，2008（5）：9-12.

[5]張家寶.瞬態(tài)瑞雷面波法在勘探海堤拋石體中的應(yīng)用[J].福建地質(zhì)，2009，28（2）：149-153.

[6]鄧義龍.地質(zhì)雷達(dá)在海堤拋石底界探測(cè)中的應(yīng)用[J].江淮水利科技，2012（3）：43-45.

[7]王佳賀.地質(zhì)雷達(dá)在海堤拋石底界探測(cè)中的應(yīng)用[J].蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2012，19（6）：39-42.

[8]王紹彪，朱照拔，陳海新，等.應(yīng)用多道瞬態(tài)瑞雷波法探測(cè)海堤拋石層厚度[J].人民珠江，2014，35（2）：74-76.

[9]李俊杰，何建設(shè)，杜斌.地質(zhì)雷達(dá)在嘉興某海堤拋石層探測(cè)中的應(yīng)用[J].勘察科學(xué)技術(shù)，2016（3）：56-59.

[10]唐亞輝.地質(zhì)雷達(dá)和TSP法在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].人民長江，2015，46（S1）：100-102.

[11]王凡，杜松，肖建平，等.地質(zhì)雷達(dá)在引水隧洞回填灌漿探測(cè)效果的研究[J].公路交通科技，2016，33（2）：82-87，104.

[12]魯興林，錢榮毅.地質(zhì)雷達(dá)有限差分逆時(shí)偏移方法研究[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2017，32（2）：885-890.

[13]范文娟，康迎賓.基于地質(zhì)雷達(dá)的隧道正演模擬研究綜述[J].吉林水利，2018（1）：14-16.

[14]呂高，楊杰，李寧，等.基于地質(zhì)雷達(dá)法的非飽和黃土介電特性及界面反射機(jī)理研究[J].長江科學(xué)院院報(bào)，2018，35（3）：110-115.

引用本文：鄧彪，李紅文，胡雄武.海堤拋石底界的聯(lián)合探測(cè)方法試驗(yàn)研究[J].人民長江，2019，50（2）：161-165.

Experimental study on combined detection method for riprap dumping bottom depth limit determination of sea embankment

DENG Biao?，LI Hongwen?2，HU Xiongwu?3

（1.Jiangxi Provincial Water Conservancy Planning and Designing Institute， Nanchang 330029， China;2.Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary， Hangzhou 310020， China;3.School of Earth and Environment， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， China）

Abstract： How to realize the rapid detection of riprap dumping bottom depth of sea embankment is one of the hot issues in the field of water conservancy engineering. In the past， the borehole detection method was mainly used， but because of its long detection period， high cost and only one hole detection result， it is difficult to realize the rapid detection of the whole riprap dumping bottom depth in practice. In view of the rapid detection and continuous information of GPR， a new idea of combined detection by GPR and borehole was proposed. The results of field comprehensive detection showed that there is obvious reflection of radar wave between the riprap and the silt layer. The velocity of radar wave can be calibrated by the results of borehole detection， which can quickly and effectively judge the whole depth scope of the riprap bottom of the sea embankment.

Key words：sea embankment; riprap bottom boundary; borehole detection method; GPR; sea embankment project