綜合物探技術(shù)在復(fù)雜土質(zhì)堤防隱患探測中的應(yīng)用

劉現(xiàn)鋒 謝向文 馬若龍

摘 要：在堤防隱患探測中， 地球物理方法具有快速、經(jīng)濟、無損等優(yōu)點， 但因堤防工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及隱患的分布和類型復(fù)雜多變，常用的單一物探方法都有其局限性與不足之處，無法全面解決堤防探測中的隱患分布問題。以黃河下游某堤防工程的隱患探測為例，綜合應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)法、高密度電法和面波法等綜合物探方法進行隱患探測結(jié)果表明，不同方法之間互為補充，可較為全面地解決堤防探測中隱患的特性和分布問題。

關(guān)鍵詞：堤防隱患探測;隱患分布;綜合物探技術(shù);黃河下游

中圖分類號：TV871.4;TV882.1 文獻標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.12.008

Abstract：In the detection of dike hidden danger， geophysical method has the advantages of fast， economic and nondestructive. However， due to the complex structure of dike engineering and the complex distribution and types of hidden danger， the common single geophysical method has its limitations and shortcomings， which can not solve the problem of dike hidden danger distribution in an allround way. In this paper， taking the hidden danger detection of a dike project in the lower Yellow River as an example， the comprehensive geophysical methods， such as geological radar method， highdensity electrical method and surface wave method were used to detect the hidden danger. Different methods referred to each other and complement each other， so as to comprehensively solve the characteristics and distribution issues of the hidden danger. At the same time， it also provided some reference for the selection of methods to solve similar hidden danger detection issue.

Key words： dike hidden danger detection; hidden danger distribution; comprehensive geophysical exploration technology;Lower Yellow River

1 前 言

堤防工程是保證人民生命和財產(chǎn)安全的重要防洪工程。隨著社會的發(fā)展，堤防工程除了具有排澇防洪、保水固土等作用外，還被賦予了生態(tài)建設(shè)和美化環(huán)境的功能。但堤防工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜、修筑年代久遠(yuǎn)和受當(dāng)時修筑條件的限制，導(dǎo)致堤防工程普遍存在洞穴、松散體、裂縫、砂礫石層和滲漏等安全隱患，一旦遭遇洪水，極易誘發(fā)堤防散浸、管涌和垮塌等險情，嚴(yán)重威脅堤防工程的安全運行和人民生命財產(chǎn)安全。因此，如何快速準(zhǔn)確查明隱患的位置、類型和特性，為堤防工程加固處理提供依據(jù)，是一個亟待解決的技術(shù)難題[1-3]。

近年來，隨著地球物理勘探技術(shù)的發(fā)展，物探技術(shù)憑借其快速、經(jīng)濟、無損等優(yōu)點，逐漸成為堤防工程隱患探測的最優(yōu)方法，其中常用物探方法包括探地雷達(dá)法、直流電阻率法、彈性波法、自然電場法和瞬變電磁法等。堤防工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜，隱患的分布和類型復(fù)雜多變，常用的隱患探測方法均有一定的局限性和應(yīng)用前提。地質(zhì)雷達(dá)法受電磁波衰減嚴(yán)重的限制，有效探測深度有限;高密度電阻率法受接地條件的影響較大，同時其探測深度受制于測線的長度;充電法只能探測出隱患部位的平面位置，深度信息較少;地震折射法受制于下層介質(zhì)波速大于上覆介質(zhì)波速條件和探測邊界效應(yīng)的影響;面波法雖不受波阻抗差異的約束，但其探測深度僅為其波長的一半;自然電場法易受測區(qū)內(nèi)游散電流的干擾;瞬變電磁法探測分辨率較低且存在探測盲區(qū)，無法探測較淺和較小的隱患[4-7]。由此可見，鑒于單一物探方法的適用性和局限性，基本無法較快速、精確地全面獲得堤防隱患的分布情況。

為避免單一物探技術(shù)的局限性，快速準(zhǔn)確地查明堤防隱患的分布和特性，本文在分析堤防工程的特點、常見介質(zhì)的物性特征及常用物探方法的特點基礎(chǔ)上，對綜合物探方法在黃河下游堤防隱患探測實例中的應(yīng)用進行了介紹和分析，以期為類似隱患探測問題的方法選取提供借鑒。

2 堤防工程特點及常見介質(zhì)的物性特征

河道堤防工程是我國防洪工程體系的重要組成部分，主要由堤身和堤基兩部分構(gòu)成。其特點主要為：堤基條件差，基礎(chǔ)大多為砂基且基本沒作處理;堤身質(zhì)量差，大多是在原民堤的基礎(chǔ)上逐漸加高培厚而成;筑堤時普遍在堤后取土，且取土后造成的坑、塘多未作處理。這些特點是造成堤防工程隱患種類多且復(fù)雜多變的主要原因[8-9]。

堤防工程中堤身部位常見的隱患包括洞穴、裂縫、松散體等，堤基部位隱患主要為滲透破壞。當(dāng)?shù)躺泶嬖诙?、縫、松等隱患時，隱患部位因含水率較低和空氣填充，故相對于周圍介質(zhì)呈明顯的高電阻率和低波速的物性特征;埋深較大的堤基部位，因含水率較高，故隱患部位常常呈現(xiàn)低電阻率和低波速的特點。這種介質(zhì)間的物性差異，為利用物探方法查明堤防工程中隱患的平面位置、規(guī)模和埋深等分布規(guī)律提供了必要的地球物理基礎(chǔ)條件[10]。

表1為堤防工程中常見介質(zhì)的物性參數(shù)。由表1可知，筑堤常用的黏土、砂等原料和空氣、水、巖石等介質(zhì)之間存在明顯的物性差異，再加上堤防工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及隱患類型和分布復(fù)雜多變，致使常用的堤防隱患探測方法都有其局限性。因此，綜合采用多種物探方法進行探測，不同方法之間相互補充、取長補短，是提高隱患探測效果的良好途徑[11]。

3 常用物探方法及其特點分析

3.1 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)法的探測原理是基于高頻電磁波理論，工作時由地面向下發(fā)射寬頻帶、短脈沖電磁波信號，電磁波在介電常數(shù)發(fā)生變化的界面上產(chǎn)生反射而返回地面，并被地面接收天線接收。電磁波在地下介質(zhì)傳播過程中，其波形、路徑及電磁場強度將隨介質(zhì)的電性、幾何性態(tài)等變化而不同，通過分析攜帶介質(zhì)地電信息的回波信號，就可以解譯出目標(biāo)體的位置、特性及分布（見圖1）。該方法具有信號采集速度快、抗干擾能力強和分辨率高等優(yōu)點，成為堤防淺部隱患探測的有效方法之一[12-13]。

在堤防工程填筑介質(zhì)均勻且碾壓密實的情況下，地下空間相當(dāng)于均勻介質(zhì)，雷達(dá)反射回波信號很弱且同相軸連續(xù);當(dāng)?shù)谭纼?nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，存在洞、縫、松等不良地質(zhì)體時，異常體與周圍介質(zhì)之間的電性差異，導(dǎo)致回波信號在裂縫發(fā)育處產(chǎn)生同相軸錯斷，在孔洞或松散體部位產(chǎn)生弧狀反射且振幅和頻率等發(fā)生變化，在含水率較高的隱患部位波長變大且信號衰減強烈。因此，根據(jù)反射信號的強度、波形及同相軸的特征便可識別堤防淺部隱患的發(fā)育狀況。

3.2 高密度電法

高密度電法是以地下巖土介質(zhì)的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)的一種直流電探測技術(shù)，其探測原理是通過向地下介質(zhì)供入電流的方式形成人工電場，并利用測量電極觀測其電場分布來研究地下介質(zhì)的分布情況（見圖2）。其集電剖面法和電測深法于一體，具有采樣密度高、采集速度快等優(yōu)點，一次布極可實現(xiàn)多種裝置觀測，從而獲得更加豐富的地電信息。由于高密度電法具有一定的體積效應(yīng)，因此常用于查明相對其埋深具有一定規(guī)模的隱患（堤身部位），但對查明埋深大的弱小隱患比較困難。

理想情況下，當(dāng)?shù)谭拦こ痰叵陆橘|(zhì)均勻、無隱患時，其視電阻率等值線呈水平層狀分布且電阻率值從堤頂向下一般呈降低趨勢。當(dāng)?shù)谭纼?nèi)部存在洞穴時，相應(yīng)部位呈現(xiàn)視電阻率梯度變化較大、范圍較小的圓形或橢圓形高阻分布，其值達(dá)到或大于2倍的正常背景值;當(dāng)?shù)谭纼?nèi)部有土質(zhì)松散或不均勻體時，便會出現(xiàn)范圍較大、形態(tài)不規(guī)則的高阻分布，且其視電阻率異常值接近或超過1.2倍的正常背景值。根據(jù)視電阻率的大小及分布，綜合考慮測區(qū)相關(guān)堤防資料，便可推斷出隱患部位的埋深、性態(tài)和分布[14-16]。

3.3 面波法

面波法基于堤防工程隱患部位與周圍介質(zhì)的波阻抗差異，通過儀器接收人工激發(fā)的多種頻率成分的面波，利用面波在層狀介質(zhì)中的頻散特性，分析堤防淺部構(gòu)造的變化規(guī)律，以達(dá)到探測堤防隱患分布特征的目的，其工作原理見圖3。面波法探測深度較大，但具有一定的淺部盲區(qū)，常被用于探測具有一定規(guī)模且埋深較大（堤身或堤基）的隱患[17-18]。

面波的波速與介質(zhì)的密實度緊密相關(guān)，密實度越大波速越高，密實度越小波速越低。面波波速與堤防工程的填筑質(zhì)量有較好的對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)?shù)谭纼?nèi)部存在一定規(guī)模的孔洞和土質(zhì)疏松區(qū)時，隱患部位與正常介質(zhì)之間存在明顯的波阻抗差異。因此，可根據(jù)其傳播速度和頻散曲線來分析判斷地下介質(zhì)的變化規(guī)律及隱患的分布等[19]。

4 堤防隱患探測實例及分析

黃河下游某堤防工程，近東西走向，堤高6～9 m，兩側(cè)地形平坦。地質(zhì)勘察及土工試驗結(jié)果顯示，堤身主要以砂壤土、粉砂為主，堤基主要由壤土和粉砂組成。因修建年代久遠(yuǎn)、基礎(chǔ)差、土質(zhì)復(fù)雜，且長期受黃河水、大氣降水的侵蝕和沖刷，堤防內(nèi)部很可能形成了危及堤防安全的裂縫、動物洞穴或局部不密實區(qū)域等隱患，在堤防發(fā)揮防洪功能時，極易形成塌陷甚至決口，急需查明堤防工程內(nèi)部的病險和隱患，為除險加固提供依據(jù)。在綜合分析堤防工程地形地貌、工程特點及介質(zhì)物性特征的基礎(chǔ)上，采用地質(zhì)雷達(dá)法、高密度電法與面波法聯(lián)合開展了堤防隱患探測工作。

4.1 地質(zhì)雷達(dá)法探測結(jié)果

地質(zhì)雷達(dá)探測采用美國GSSI公司生產(chǎn)的SIR-4000型探地雷達(dá)，結(jié)合探測的任務(wù)和要求，通過現(xiàn)場試驗，選用中心頻率為200 MHz的屏蔽天線。天線移動方向和探測方向一致且采用連續(xù)距離測量模式，掃描的采樣點數(shù)為1 024，記錄時窗為80 ns。為保證探測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定，工作時天線盡可能貼近被測物表面均勻移動，且移動速度小于0.5 m/s。

圖4為樁號1+140—1+160堤段堤身淺部的地質(zhì)雷達(dá)掃描圖，可以看出：在水平起點距1～5 m、埋深1 m處以下圖像上出現(xiàn)一組明顯的弧狀反射，推斷為空洞或洞穴隱患;在水平起點距14.5 m的近地表處產(chǎn)生同相軸錯斷現(xiàn)象，推測為裂縫隱患。

4.2 高密度電法探測結(jié)果

高密度電法探測采用重慶奔騰公司生產(chǎn)的WDJD-3多功能數(shù)字直流激電儀，工作過程中全部采用施倫倍格裝置。供電電極A、B對稱布置在測量電極M、N的兩側(cè)的一條直線上，A、B兩極與測點中心位置O距離相等。測量時，裝置按設(shè)定的參數(shù)橫向移動且同層A、M、N、B相對位置保持不變;隨著測量深度增加，A、B間距擴大，M、N間距不變。為保證數(shù)據(jù)采集的效率和精度，使用電極總數(shù)為60個，采用2 m電極距，測量剖面數(shù)為15個。

根據(jù)所有探測數(shù)據(jù)的總平均值和標(biāo)準(zhǔn)差δ，求出界限值F1=-δ、F2=-δ/3、F3=+δ/3和F4=+δ后，將視電阻率值劃分為ρ≤F1、F1<ρ≤F2、F2<ρ≤F3、F3<ρ≤F4和ρ>F4五個等級并確定色階，繪制彩色剖面。圖5為樁號1+100—1+200堤段高密度電法視電阻率剖面，圖中顯示該堤段視電阻率值整體呈現(xiàn)上高下低的趨勢，且在水平方向起點距大于60 m的堤段電阻率整體升高，反映出筑堤土在該堤段性質(zhì)的變化情況。同時在樁號1+123—1+130之間、深度8～13 m范圍內(nèi)出現(xiàn)一個高阻圈閉，反映出該部位電阻率相比周圍介質(zhì)較大，推斷為筑堤土體的不密實區(qū)域。

4.3 面波法探測結(jié)果

面波法探測采用北京市水電物探研究所生產(chǎn)的SWS-6型工程地震儀以及與之相匹配的頻率為4 Hz的檢波器，采用錘擊激發(fā)方式?，F(xiàn)場工作時激振點和檢波器排列在一條直線上，采用24道檢波器接收，道間距2 m，點距6 m，偏移距15 m，排列長度共48 m，測點位置為檢波器排列的中心。

根據(jù)面波數(shù)據(jù)成果圖，可清楚地對堤防工程進行分層，并找出各層層厚及土力學(xué)分布特征，從而為堤防質(zhì)量準(zhǔn)確評價提供依據(jù)。圖6為樁號1+100—1+200堤段面波法勘探數(shù)據(jù)反演剖面，整體上看隨著深度的增大，堤防筑堤土的波速呈現(xiàn)升高的趨勢。圖6中顯示水平方向起點距大于60 m堤段的波速明顯變大，相應(yīng)的密實度較大，推斷出該處堤段為新舊土結(jié)合處，該處易產(chǎn)生裂縫、不均勻土體或不密實區(qū)域等隱患。

4.4 綜合解譯

黃河下游堤防工程隱患探測的目的是查明堤防內(nèi)部的病險和隱患，為除險加固提供依據(jù)。結(jié)合已知的堤防工程地質(zhì)資料，將地質(zhì)雷達(dá)法、高密度電法和面波法探測的所有異常進行分類并進行分析解譯[20]，具體結(jié)果見表2。

綜合地質(zhì)雷達(dá)法、高密度電法及面波法三種方法可知，黃河下游堤防工程1+100—1+200段、1+141—1+145段和1+154.5處各存在1處雷達(dá)異常，推斷為空洞和裂縫隱患;在附近的1+123—1+130段存在一個高阻圈閉，推斷此處存在不密實區(qū)域，中心埋深8～13 m;而面波勘探結(jié)果顯示在樁號1+160附近堤段的波速或密實度差異明顯，推斷該處為新舊土結(jié)合處，易產(chǎn)生裂縫、不均勻土體或不密實區(qū)域等隱患，對地質(zhì)雷達(dá)和高密度電法的結(jié)論提供了有益補充。顯然，采用綜合物探方法對堤防工程進行全方位多層次隱患探測，不同物探方法之間互為補充，更加準(zhǔn)確地查明了堤防隱患的位置和特性，為堤防質(zhì)量評價提供了更加準(zhǔn)確的依據(jù)。

5 結(jié) 語

（1）物探技術(shù)具有快速、經(jīng)濟、無損等優(yōu)點，適用于解決“如何快速準(zhǔn)確查明堤防隱患的位置和特性”這一水利工程技術(shù)難題。地質(zhì)雷達(dá)法具有信號采集速度快、抗干擾能力強和分辨率高等優(yōu)點，但受有效探測深度的限制，適用于堤防淺部隱患探測;高密度電法具有采樣密度高、采集速度快等特點，獲得的地電信息更加豐富，但具有一定的體積效應(yīng)，適用于探測堤身部位相對其埋深具有一定規(guī)模的隱患;面波法受淺部探測盲區(qū)的限制，對堤身或堤基部位具有一定規(guī)模的隱患探測效果較好。

（2）物探方法種類繁多，但在堤防隱患探測中，單一的物探方法適用性有限，無法全面解決堤防隱患分布問題。而針對堤防工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜、隱患類型和分布復(fù)雜多變這一特點選用多種物探方法及其組合，取長補短、互為補充，可成功解決單一物探方法的局限性和適用性這一難題，較為快速、精確且全面地獲得堤防隱患分布情況，為堤防質(zhì)量評價提供更加準(zhǔn)確的依據(jù)。

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