綜合物探方法在錢塘江海塘根石探測(cè)中的應(yīng)用

胡振華，沈 捷，王 軍，黃立勇

(1.浙江省錢塘江流域中心，浙江 杭州 310005；2.浙江省工程物探勘察設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 杭州 310005)

海塘工程是錢塘江河口地區(qū)防洪御潮的重要屏障之一，至今已有400年歷史。古海塘在錢塘江南北兩岸均有分布，主要位于海寧市、海鹽縣以及杭州市蕭山區(qū)境內(nèi)。古海塘自建立以來(lái)，長(zhǎng)期受到風(fēng)雨、潮涌以及浪激的沖刷，雖歷經(jīng)多次搶修維護(hù)，大部分古海塘仍屹立抗洪防潮汐一線，但也有少量岸段已損毀坍失。近年來(lái)，隨著“錢塘江嘉興段省管海塘及近岸地形變化情況分析”項(xiàng)目的開(kāi)展，對(duì)海塘沉降、位移、近岸灘地沖淤、丁壩地形等進(jìn)行周期性觀測(cè)，獲取了大量的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，為海塘安全維護(hù)、設(shè)計(jì)及加固施工提供了科學(xué)依據(jù)，但由于時(shí)間久遠(yuǎn)缺乏可靠資料，目前海寧段海塘安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)尚未涉及海塘塘腳根石探測(cè)及評(píng)價(jià)。為進(jìn)一步摸清錢塘江古海塘塘腳根石、多級(jí)護(hù)坦結(jié)構(gòu)及其分布情況，評(píng)估古海塘安全情況，采用綜合物探方法對(duì)錢塘江古海塘(海寧段)塘腳根石進(jìn)行探測(cè)，能夠?yàn)楹罄m(xù)的安全評(píng)估、海塘安全維護(hù)方案設(shè)計(jì)提供依據(jù)。歷史設(shè)計(jì)資料表明，錢塘江護(hù)坦由灌砌條石和木柱組成，這類結(jié)構(gòu)分為多級(jí)，按照距離塘口遠(yuǎn)近分為頭坦、二坦，局部甚至存在三坦、四坦。頭坦距離塘口大約2 m，二坦已位于江底覆蓋層之下，寬度不詳。護(hù)坦條石多為豎砌，用于抵御洪水沖刷，兩級(jí)護(hù)坦接縫處由雙排松木樁固定，木樁長(zhǎng)約4 m，其分布形式有多種(圖1)。

圖1 錢塘江古海塘斷面結(jié)構(gòu)示意圖

所指的“根石”指的就是灌砌條石，相當(dāng)于“拋石”，其本質(zhì)是海塘堤壩的護(hù)根石。本次工作采用地質(zhì)雷達(dá)法、高密度電阻率法對(duì)錢塘江海塘根石進(jìn)行了探索。

1 國(guó)內(nèi)研究情況

傳統(tǒng)根石探測(cè)多采用人工錐探、摸探方式，即按照一定間隔選取探測(cè)斷面，測(cè)量根石的埋深位置，用以評(píng)價(jià)穩(wěn)定性，為汛期加固維護(hù)提供依據(jù)[1]。黃河水利委員會(huì)為了提高根石探測(cè)準(zhǔn)確性及工作效率，于1997年引進(jìn)了美國(guó)EdgeTech公司的X-STAR淺地層剖面儀。相比于傳統(tǒng)人工探測(cè)，該剖面儀有效提高了水下探測(cè)精度和效率[2]；董學(xué)剛等[3]在高含沙量流域采用淺地層剖面法進(jìn)行根石探測(cè)，探測(cè)結(jié)果表明該方法具有探測(cè)效率高、圖譜連貫、工作便捷等優(yōu)勢(shì)；李文勇等[4]應(yīng)用地震SH橫波方法查明了根石分布及埋深情況，該方法可以較準(zhǔn)確地劃分堤壩結(jié)構(gòu)分層，但橫波收斂速度拾取精度不高對(duì)層厚計(jì)算存在影響；呂鑫方等[5]采用五極縱軸測(cè)深法對(duì)黃河根石分布情況進(jìn)行探測(cè)，該方法施工便利，數(shù)據(jù)解釋簡(jiǎn)便，但工作效率較低，M、N測(cè)量電極易受到淺部電性不均勻介質(zhì)以及極化電位差的干擾。

鑒于“根石”與“拋石”概念及物理性質(zhì)的相似性，部分拋石探測(cè)的成果也可以借鑒。[6]尚向陽(yáng)等人采用地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)黃河棗樹(shù)溝段進(jìn)行試驗(yàn)，雷達(dá)剖面中能夠清楚分辨出淤泥層、拋石層等，但采用100 MHz天線探測(cè)深度較小，最大有效探測(cè)深度約3.5 m[8]；魏永強(qiáng)等[9]采用綜合物探方法(地質(zhì)雷達(dá)法、高密度電阻率法)在某圍墾堤壩探測(cè)拋石，圈定了分布范圍和埋深，經(jīng)鉆孔驗(yàn)證，結(jié)果基本準(zhǔn)確；余金煌等[10]利用高密度電阻率法對(duì)安徽某水庫(kù)水下拋石層厚度進(jìn)行探測(cè)，電阻率剖面能夠反映出拋石體的頂、底界面，間接可以推斷出拋石體范圍及其厚度大?。魂惼降萚11]結(jié)合側(cè)掃聲納和淺地層剖面法對(duì)南京五橋南塔基礎(chǔ)水下拋石清理情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，能夠有效查明水下拋石清理情況。從國(guó)內(nèi)以往相關(guān)研究成果分析，地質(zhì)雷達(dá)法、高密度電阻率是根石(拋石)探測(cè)的常用方法。

2 主要地質(zhì)體物性特征分析

物理性質(zhì)差異是有效開(kāi)展物探工作的理論前提，目標(biāo)體與周圍介質(zhì)的物性差異越大，探測(cè)效果越好。地質(zhì)雷達(dá)法通過(guò)電磁波傳播特征和不同介質(zhì)間介電常數(shù)差異進(jìn)行探測(cè)。根據(jù)斷面結(jié)構(gòu)特征，工作區(qū)域主要涉及水、粉砂、條石、木樁等介質(zhì)，工作區(qū)常見(jiàn)介質(zhì)物性參數(shù)見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)：主要探測(cè)對(duì)象具有一定的物性差異，具備開(kāi)展綜合物探工作的物性前提。

表1 主要地質(zhì)體物性參數(shù)表

3 根石探測(cè)工作方法及原理

3.1 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)法(ground penetrating radar，GPR)即利用高頻電磁波信號(hào)對(duì)地下目標(biāo)體進(jìn)行掃描，獲得探測(cè)影像。電磁波信號(hào)遇到物性差異界面就會(huì)形成反射，且界面間物性差異越大波阻抗差異也越大，反射信號(hào)越強(qiáng)。與發(fā)射天線同步移動(dòng)的接收天線接收到反射回波信號(hào)，通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理，形成探測(cè)剖面圖，通過(guò)專業(yè)人員對(duì)雷達(dá)圖像的分析、判斷可推斷出地下介質(zhì)分布特征(圖2)。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)工作原理圖

本次工作采用瑞典MALA公司生產(chǎn)的RAMAC/GPR型地質(zhì)雷達(dá)及配套專用的高精度屏蔽探測(cè)天線。根據(jù)勘探深度要求，結(jié)合本地區(qū)以往工作經(jīng)驗(yàn)，選擇了主頻為250 MHz的天線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采樣頻率2 500 MHz，時(shí)間采集方式，采樣間隔0.1 s。

從野外采集回的數(shù)據(jù)采用國(guó)際通用REFLEXW處理軟件進(jìn)行處理，其主要處理流程：數(shù)據(jù)解編—剔除直流漂移—靜校正—增益控制(突出深部信號(hào))—抽取平均道—一維帶通濾波—滑動(dòng)平均—輸出時(shí)間剖面圖—根據(jù)速度分析進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換，得到解釋需要的剖面圖。

3.2 高密電阻率法

高密度電阻率法是日本地質(zhì)計(jì)測(cè)株式會(huì)社提出并發(fā)展起來(lái)的一種電阻率層析方法。該方法集電剖面和電測(cè)深于一體(圖3)，采用高密度布點(diǎn)，進(jìn)行二維地電斷面測(cè)量。高密度電阻率法改變了傳統(tǒng)電法勘探方式，能夠?qū)崿F(xiàn)快速采集和實(shí)時(shí)處理，是區(qū)分物性界面最為高效直觀的物探方法之一。

圖3 高密度電阻率法原理示意圖

采用重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所研制的高密度電阻率法測(cè)量系統(tǒng)，硬件主要由WDJD-4多功能數(shù)字直流激電儀和WDZJ-4多路電極轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。為保證勘探深度，同時(shí)兼顧分辨率及信噪比，采用1 m道間距，同時(shí)采集溫納和施倫貝謝兩種裝置數(shù)據(jù)，進(jìn)行聯(lián)合反演。數(shù)據(jù)處理在RES2DINV反演軟件中進(jìn)行，經(jīng)過(guò)壞點(diǎn)剔除、地形校正、格式轉(zhuǎn)換及反演計(jì)算等步驟后，繪制電阻率等值線圖。相關(guān)剖面可結(jié)合鉆探、地質(zhì)調(diào)查資料進(jìn)行綜合解釋。

3.3 剖面布置及數(shù)據(jù)采集

根石探測(cè)工作主要布置在里程分別對(duì)應(yīng)83 K+200、102 K+500的兩個(gè)區(qū)。里程83 K+200附近水域較為平緩，布置了垂直江道方向10條縱測(cè)線，每條測(cè)線長(zhǎng)在30～60 m不等，地質(zhì)雷達(dá)與高密度電阻率法測(cè)線同線位。里程102 K+500近岸約30 m范圍原先有河床出露，后受江水持續(xù)沖刷影響，該處已沒(méi)入水下，改為在木船上進(jìn)行探測(cè)，該處布置了垂直錢塘江水流方向的3條縱測(cè)線，每條測(cè)線長(zhǎng)也在30～60 m不等，平行江道方向的1條橫測(cè)線，測(cè)線長(zhǎng)120 m。本階段完成地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線14條，共832 m，高密度電阻率法測(cè)線14條，共510 m。

4 典型異常特征及驗(yàn)證結(jié)果

4.1 典型異常特征及推斷

5線位于丁壩上游，水深較淺，高密度電阻率法和地質(zhì)雷達(dá)法分開(kāi)采集數(shù)據(jù)，綜合剖面如圖4所示。在高密度電阻率法(中)剖面上，里程0～2 m范圍的高阻異常，為頭坦根石引起，2 m位置處淺表部低阻異常為木樁引起；里程2～7.5 m電阻率表現(xiàn)為高阻特征，為二坦根石引起，7.5～8.5 m梯級(jí)帶處為木樁引起的低阻異常。8.5 m向大里程方向均為低阻異常，無(wú)根石異常反應(yīng)。

圖4 5線綜合剖面圖

在地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)剖面上，里程0～5 m，埋深1.2～1.5 m有同相軸扭曲、錯(cuò)斷特征，其分界點(diǎn)與高密度電阻率法剖面圖中的根石基本一致，為二坦根石的反應(yīng)。里程5 m向大里程方向，同相軸基本連續(xù)，無(wú)明顯錯(cuò)斷，該區(qū)域覆蓋層下方無(wú)根石異常。

高密度電阻率法與地質(zhì)雷達(dá)剖面對(duì)于護(hù)坦結(jié)構(gòu)的反應(yīng)比較一致。

7線位于丁壩上游，近岸0～30段水深較淺，約0.5 m,其探測(cè)剖面如圖5中所示。圖5中測(cè)線里程13 m位置存在明顯分界，其中里程4～5.5 m和8～11 m范圍表現(xiàn)為相對(duì)低阻異常特征，為木樁及零散條石引起，里程0～13 m其他區(qū)域均有高阻特征，為根石分布的反應(yīng)；里程13 m向大里程方向，電阻率梯度帶變化平緩，無(wú)明顯孤立高阻異常，無(wú)根石異常。

圖5中在里程6～8 m、埋深0.7～1.5 m區(qū)域有弧狀繞射現(xiàn)象，推測(cè)為木樁及豎砌條石引起的異常，其分界點(diǎn)與圖5基本一致。里程15 m向大里程方向同相軸基本連續(xù)，無(wú)明顯錯(cuò)斷，表明該區(qū)域粉砂層下方?jīng)]有根石。

圖5 7線探測(cè)剖面

高密度電阻率法與地質(zhì)雷達(dá)剖面對(duì)于護(hù)坦結(jié)構(gòu)的反應(yīng)也比較一致。

4.2 驗(yàn)證情況

在解釋推斷的基礎(chǔ)上，采用摸探、釬探等方法對(duì)異常位置進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明：

1) 驗(yàn)證了頭坦木樁位置，地質(zhì)雷達(dá)法同相軸扭曲異常和高密度電阻率法低阻異常位置基本對(duì)應(yīng)。二坦受江底覆蓋層過(guò)厚影響，在驗(yàn)證點(diǎn)處無(wú)法開(kāi)展驗(yàn)證工作，需投入其他手段進(jìn)行驗(yàn)證。

2) 7線的9/L7～11/L7處的低阻異常應(yīng)為此前遺留的殘樁引起，由于殘樁中存在鋼筋等低阻介質(zhì)，使得高密度電阻率法剖面中反映為低阻特征。

5 結(jié) 論

1) 通過(guò)探測(cè)、推斷和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，認(rèn)為高密度電阻率法和地質(zhì)雷達(dá)法均能有效探測(cè)海塘腳根石。從異常表現(xiàn)效果上看，高密度電阻率法要優(yōu)于地質(zhì)雷達(dá)法，但從工作效率上地質(zhì)雷達(dá)法高于高密度電阻率法，可采用以高密度電阻率法為主，地質(zhì)雷達(dá)法為輔的探測(cè)方案。

2) 木樁在高密度電阻率法中多表現(xiàn)為條帶狀低阻或呈橫向梯級(jí)帶變化，在地質(zhì)雷達(dá)法斷面上表現(xiàn)為倒懸雙曲線形態(tài)，繞射波發(fā)育明顯。根石在高密度電阻率法中表現(xiàn)為呈高阻異常，在地質(zhì)雷達(dá)法中表現(xiàn)為局部呈連續(xù)強(qiáng)振幅特征。

3) 針對(duì)錢塘江古海塘根石的探測(cè)，建議地質(zhì)雷達(dá)法采用250 MHz高精度屏蔽天線，按照0.1 ns采樣間隔進(jìn)行時(shí)間采集。高密度電阻率法建議1 m點(diǎn)距，采用溫納、施倫貝謝兩種裝置同時(shí)觀測(cè)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行融合后再作反常處理，以提高探測(cè)分辨能力。