基于綜合物探法的城市堤防淺層滲漏探測(cè)

耿曉明，張 力，孫 雪，蔡 敏

（1.南京市秦淮河河道管理處，江蘇 南京 210012；2.鹽城市農(nóng)業(yè)資源開(kāi)發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)與評(píng)審中心，江蘇 鹽城 224000；3.南京市水利投資有限公司，江蘇 南京 210012）

近年來(lái)，隨著城市土地的開(kāi)發(fā)利用不斷加快，城市下墊面變化加劇了內(nèi)澇排放，導(dǎo)致河道水位快速上漲，加大了城市河道防洪壓力。堤防作為保護(hù)城市和人民財(cái)產(chǎn)生命安全的重要屏障，對(duì)城市防洪安全起到極端重要的作用。堤防在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，土地容易產(chǎn)生的一些洞穴、裂縫形成滲水通道，在高水位滲透壓力下，容易發(fā)生滲漏、管涌等險(xiǎn)情，通過(guò)無(wú)損檢測(cè)對(duì)堤防進(jìn)行有效的隱患排查，可以為堤防除險(xiǎn)加固提供技術(shù)支撐，便于消險(xiǎn)方案的精準(zhǔn)制定。本文結(jié)合南京市秦淮河實(shí)例，采用探地雷達(dá)和瑞雷面波2種隱患探測(cè)相結(jié)合的綜合物探法對(duì)堤防滲水段進(jìn)行全面檢測(cè)，充分掌握堤身可能存在的松散、不密實(shí)和土體不均勻等不良質(zhì)體的分布位置和范圍，為堤防消險(xiǎn)工程的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，同時(shí)通過(guò)消險(xiǎn)前后綜合物探的對(duì)比，確保消險(xiǎn)工程對(duì)堤防防滲處理達(dá)到預(yù)期效果。

1 探地雷達(dá)和瑞雷面波勘探原理

1.1 探地雷達(dá)工作原理

探地雷達(dá)法是由發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁波，利用地下介質(zhì)對(duì)電磁波的不同反應(yīng)來(lái)分辨地下介質(zhì)特征的一種探測(cè)技術(shù)［1］。當(dāng)電磁波在地下傳播時(shí)，介質(zhì)的屬性、電性、形狀變化會(huì)導(dǎo)致電磁波的頻率、振幅、相位等頻譜參數(shù)產(chǎn)生變化并產(chǎn)生反射，由接收天線接收，通過(guò)識(shí)別雷達(dá)波所產(chǎn)生的波形參數(shù)變化，達(dá)到對(duì)地下目標(biāo)體探測(cè)的目的。當(dāng)?shù)谭劳馏w較密實(shí)均勻時(shí)，雷達(dá)反射波同相軸連續(xù)，波形穩(wěn)定，頻率均一，振幅一致性較好。當(dāng)?shù)躺泶嬖诋惓Ｈ毕?，如滲漏時(shí)，缺陷位置的雷達(dá)波將和周圍產(chǎn)生明顯差異，如同相軸不連續(xù)，出現(xiàn)散射和繞射等雜波，波形雜亂無(wú)序，振幅變強(qiáng)等。本次探地雷達(dá)采用40 MHz和20 MHz的天線頻率對(duì)堤防進(jìn)行全面檢測(cè)。

1.2 瑞雷面波勘探原理

瑞雷面波是一種沿介質(zhì)自由表面?zhèn)鞑サ膹椥圆?，其特有的傳播?guī)律反映了傳播途徑中所涉及介質(zhì)的彈性參數(shù)［2］。本次瑞雷面波勘查采用SWS工程勘探與工程檢測(cè)儀，工作參數(shù)設(shè)計(jì)為：24道接受，記錄采樣點(diǎn)數(shù)1 024，采樣間隔為1.0 ms，偏移距為5 m，采用錘擊震源，5次疊加，觀測(cè)排列方向平行于堤壩軸線。探測(cè)結(jié)果表明，瑞雷面波法對(duì)地層結(jié)構(gòu)的劃分和堤防隱患的探測(cè)均具有較好的效果，探測(cè)深度較深，不受地下水位影響，能獲取地層的剪切波速度等物性參數(shù)，該方法揭示地下結(jié)構(gòu)分布在物探方法中具有一定的優(yōu)越性。

2 工程背景

現(xiàn)以秦淮河主城區(qū)某段堤防為例，該處堤防為土堤，汛期高水位期間背水側(cè)坡腳發(fā)生滲漏險(xiǎn)情，滲漏長(zhǎng)度約350 m。汛期發(fā)生險(xiǎn)情后，首先對(duì)出險(xiǎn)范圍內(nèi)進(jìn)行了地質(zhì)勘查，檢測(cè)結(jié)果顯示堤頂所在場(chǎng)地地層由上至下分為：①雜填土，由黏性土、碎磚塊、建筑垃圾及少量生活垃圾組成，層厚0.50～3.00 m；素填土（粉質(zhì)黏土），以粉質(zhì)黏土為主，見(jiàn)少許植物根莖及碎石，層厚2.60～5.45 m，頂板埋深0.00～3.00 m。②淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，土質(zhì)不太均勻，局部夾薄層狀粉土，層厚2.80～16.80 m。③粉質(zhì)黏土，該層局部未揭穿，最大可見(jiàn)層厚8.20 m。為了更精準(zhǔn)地掌握堤身土體不密實(shí)、不均勻的分布情況，采取了探地雷達(dá)和瑞雷面波2種無(wú)損檢測(cè)方法進(jìn)行全面檢測(cè)。

2.1 測(cè)線布置及定位

根據(jù)場(chǎng)地條件，在迎水坡、堤頂、背水坡布置3條縱向測(cè)線，在堤頂路面一側(cè)布置了瑞雷面波勘探點(diǎn)。測(cè)線長(zhǎng)度和定位用皮尺刻度定位，以迎水側(cè)最高水位線為起點(diǎn)，沿測(cè)線每隔5 m距離做標(biāo)記點(diǎn)。堤防消險(xiǎn)處理后，在堤防的中心位置各布置一條探地雷達(dá)探測(cè)線。

2.2 探測(cè)結(jié)果

探地雷達(dá)結(jié)果表明：堤防表層，厚度小于0.5 m，雷達(dá)波波形穩(wěn)定，振幅的一致性較好，變化較小，介質(zhì)總體均勻性較好；雜填土層由黏性土、碎磚塊、建筑垃圾及少量生活垃圾組成，介質(zhì)顆粒分布均勻性差，介質(zhì)的介電常數(shù)差異大，雷達(dá)波在雜填土層內(nèi)發(fā)生折射和散射，振幅的一致性差，反射能量強(qiáng)，波形紊亂，表明堤防雜填土層孔隙率大，介質(zhì)不均勻，密實(shí)性差；素填土層厚度有一定的變化，雷達(dá)波振幅的一致性較好，總體連續(xù)，但雷達(dá)波傳播速度慢，說(shuō)明素填土層孔隙率大，為高含水土體，素填土層同樣欠密實(shí)。

其中：堤防堤頂下方堤身雜填土、素填土層土體均勻性差，孔隙率高，土體局部不密實(shí)，不密實(shí)區(qū)域深度基本都在6 m以上，主要分布在0～8 m、17～55 m、65～160 m、164～200 m、205～275 m。堤防迎水坡總體良好，土體介質(zhì)總體分布均勻，局部存在欠密實(shí)區(qū)，主要分布的范圍在水平位置77～93 m、118～130 m、175～212 m、230～247 m、253～262 m，堤防不密實(shí)區(qū)域深度基本都在6～7 m以上。堤防背水坡雜填土、素填土層土體均勻性差，孔隙率高，滲水性好，主要分布的范圍在水平位置0～25 m、115～163 m、238～248 m、275～335 m，其中275～335 m為堤防土體高度富水區(qū)，范圍相對(duì)較大。

探地雷達(dá)探測(cè)異常統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 探地雷達(dá)探測(cè)異常統(tǒng)計(jì)

瑞雷面波勘探資料的解釋分辨率較高，可對(duì)堤防結(jié)構(gòu)層中的雜填土層、素填土層、粉質(zhì)黏土層和淤泥層等進(jìn)行精細(xì)劃分。瑞雷面波的頻散曲線的形態(tài)表明，雜填土層內(nèi)出現(xiàn)“之”字形拐點(diǎn)多，深度范圍大約在4～6 m，反映了該深度范圍內(nèi)堤身結(jié)構(gòu)層存在多個(gè)地層分界面，并且各層介質(zhì)的速度差異大，說(shuō)明在該深度范圍堤身構(gòu)筑物的均勻性較差，推測(cè)與該深度上堤身普遍存在碎磚塊、建筑垃圾或生活垃圾等雜填土介質(zhì)有關(guān)。

各面波點(diǎn)位的瑞雷面波探測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各面波點(diǎn)位的瑞雷面波探測(cè)結(jié)果

本次探測(cè)結(jié)果表明，堤防產(chǎn)生滲水的原因，主要為堤防雜填土和素填土層介質(zhì)不均勻，孔隙率高，為中等滲水土體，局部粉質(zhì)黏土層弱滲水，是堤防內(nèi)含有的不良土體，在瑞雷波速度上表現(xiàn)為H2和H3地層土體層速度值偏低。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖驗(yàn)證

綜合物探探測(cè)所獲得的堤防信息顯示土體不均勻、欠密實(shí)和富水等異常體，是堤防土體層介質(zhì)相對(duì)周圍介質(zhì)物性存在差異的直接反映，推測(cè)堤身內(nèi)存在大量雜填土、碎石及建筑垃圾等，為了進(jìn)一步明確雜填土、建筑垃圾的存在情況，對(duì)堤頂進(jìn)行了局部開(kāi)挖，驗(yàn)證了綜合物探探測(cè)結(jié)果，該段堤身雜填土、建筑垃圾較多，孔隙率高，在水的作用下，攜帶走大量的細(xì)小顆粒，易形成較大的滲水通道。結(jié)合探測(cè)結(jié)果，對(duì)該段堤防針對(duì)性地采用了高壓旋噴樁和壓密灌漿雙重防滲處理。

2.4 堤防消險(xiǎn)后雷達(dá)結(jié)果

由堤防消險(xiǎn)后探地雷達(dá)探測(cè)剖面圖像可知，顯示消險(xiǎn)后的堤防電磁波在土體中傳播時(shí)能量均勻衰減，雷達(dá)波同相軸連續(xù)性總體良好，波形、波向和振幅一致性均較好，表明消險(xiǎn)后堤防的連續(xù)性總體良好，未見(jiàn)明顯的不密實(shí)區(qū)域存在，說(shuō)明消險(xiǎn)后的堤防堤身土體的均勻性變好，堤身結(jié)構(gòu)層土體密實(shí)性增強(qiáng)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)綜合物探法的應(yīng)用比較，本工程發(fā)現(xiàn)不同物探方法在解決不同問(wèn)題的能力及優(yōu)勢(shì)［3］。本次南京市秦淮河滲水段，采用了低頻探地雷達(dá)和瑞雷面波法相結(jié)合的綜合物探方法進(jìn)行探測(cè)，以探地雷達(dá)法作為本次堤防隱患探測(cè)的主要物探方法，其探測(cè)效果好，反映的地層結(jié)構(gòu)信息和土體異常更準(zhǔn)確，不僅能反映出土體異常的性質(zhì)，而且能對(duì)異常的形態(tài)和規(guī)模進(jìn)行量化［4］。然后再以瑞雷面波法進(jìn)行驗(yàn)證，查明了堤防土地內(nèi)部的異常性質(zhì)，主要為堤防堤身內(nèi)雜填土和素填土層局部不密實(shí)、孔隙率高，局部堤身大面積富水，并圈定了異常的位置和范圍，為堤防消險(xiǎn)工程的實(shí)施提供了有力的依據(jù)，消險(xiǎn)后通過(guò)探地雷達(dá)對(duì)堤防檢測(cè)驗(yàn)證消險(xiǎn)工程實(shí)施的效果。