三維地質(zhì)雷達在錢塘江海塘隱患探測中的應(yīng)用

胡振華，李云鵬，夏潤賢，何震洲，朱虹

（浙江省錢塘江流域中心，浙江 杭州 310016）

1 問題的提出

錢塘江是浙江人民的母親河，錢塘江海塘則是沿江地區(qū)防洪御潮的重要屏障。位于海寧市、海鹽縣以及杭州市蕭山區(qū)境內(nèi)的古海塘有400多年歷史，已列入國家級或省級保護文物。海塘多年來受到外界作用（涌潮、強降水）易存在發(fā)育隱患，這些隱患往往具有隱蔽性、漸變性，需要定期對海塘進行常態(tài)化監(jiān)測以維持其長期運行。傳統(tǒng)人工監(jiān)測多采用巡查、觀測等方式，能夠?qū)扔谢蛘谘葑兊碾[患起到監(jiān)控作用，但很難滿足大規(guī)模、高效率、高精度以及無損養(yǎng)護監(jiān)測的需求。地質(zhì)雷達方法高效、無損等優(yōu)點恰恰彌補了人工監(jiān)測方法的不足，尤其是由二維單通道地質(zhì)雷達發(fā)展而來的三維車載地質(zhì)雷達的應(yīng)用，使常態(tài)化監(jiān)測成為可能，有利于保障海塘安全。

地質(zhì)雷達儀器設(shè)備伴隨著電磁理論的發(fā)展而出現(xiàn)，近三十年來發(fā)展迅速，由于應(yīng)用場景不同，產(chǎn)生多天線組合的陣列式及步進變頻三維地質(zhì)雷達。美國GSSI公司1990年設(shè)計出世界上第一臺四通道數(shù)字化地質(zhì)雷達，這是陣列式三維地質(zhì)雷達的雛形；隨后，1994年最先推出高速公路測量雷達SIR-10系列，并在我國首先使用。2001年，挪威3D-Radar公司推出GeoScope步進變頻式三維地質(zhì)雷達，通過發(fā)射步進頻率的電磁波兼顧分辨率和勘探深度。2016年，中公高科養(yǎng)護科技股份有限公司和大連中?？萍及l(fā)展有限公司聯(lián)合開發(fā)52通道三維陣列地質(zhì)雷達，我國地質(zhì)雷達實現(xiàn)由二維單個天線到三維陣列式天線的跨越。

理論研究方面，李世念等[1]利用基于三維時域有限差分法原理的模擬軟件GprMax 3D，開展道路路基空洞模擬和電磁波三維探地正演模擬，對獲取的空洞模型三維數(shù)據(jù)體進行分析，研究2種不同充填條件下空洞模型的三維地質(zhì)雷達圖像特征，有助于三維地質(zhì)雷達實測圖像解譯，提高判定監(jiān)測結(jié)果的可靠性，為開展三維地質(zhì)雷達在道路空洞探測中的研究積累經(jīng)驗。在實際應(yīng)用領(lǐng)域，唐嘉明[2]于2020年基于三維地質(zhì)雷達對瀝青路面施工質(zhì)量評價與控制進行數(shù)值模擬及實測數(shù)據(jù)分析研究。王洪華等[3]為全面了解上海某道路下方塌陷空洞的三維空間分布，采用意大利 IDS 公司生產(chǎn)的RIS-K2型地質(zhì)雷達系統(tǒng)實現(xiàn)道路塌陷隱患三維探測的可視化和定量化，使塌陷隱患的反映更直觀、解譯更準確，大大克服了二維雷達探測的局限性。趙鐠[4]利用三維地質(zhì)雷達對北京某實訓(xùn)場實施道路結(jié)構(gòu)及管線探測，取得理想的應(yīng)用效果。

目前，相關(guān)儀器設(shè)備研發(fā)及理論研究已具備一定基礎(chǔ)，但國內(nèi)研究機構(gòu)尚未在海塘堤壩監(jiān)測中開展相關(guān)工作。本文采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法對錢塘江海塘進行相關(guān)研究，研究成果有利于三維地質(zhì)雷達技術(shù)的推廣應(yīng)用。

2 方法原理

二維地質(zhì)雷達利用高頻電磁波信號對地下目標體進行掃描獲得探測影像，電磁波信號遇到具有波陰抗差異的界面會形成反射，且界面間波陰抗差異越大，反射信號越強。與發(fā)射天線同步移動的接收天線接收到反射的回波信號，通過數(shù)字信號處理，形成探測剖面圖。對雷達圖像進行分析、判斷，可推斷出地下介質(zhì)分布特征。工作原理見圖1。

圖1 二維單通道地質(zhì)雷達工作原理圖

三維地質(zhì)雷達采用陣列天線激發(fā)、接收技術(shù)，通過對某區(qū)域探測，能夠形成高密度三維立體電磁波數(shù)據(jù)。該技術(shù)在二維地質(zhì)雷達的基礎(chǔ)上發(fā)展起來，通過發(fā)射天線和接收天線進行交叉發(fā)射-接收，實現(xiàn)一發(fā)雙收的目的（見圖2）。組成的天線陣列可同時采集多個通道的數(shù)據(jù)，達到三維勘探效果，屬于三維探測技術(shù)。

圖2 三維地質(zhì)雷達的天線陣列工作原理示意圖

與二維地質(zhì)雷達相比，三維地質(zhì)雷達有以下優(yōu)勢：

（1）采用三維陣列天線技術(shù)，可采集到高密度、無縫拼接的海量數(shù)據(jù)，不會造成地下信息缺失；

（2）高密度采集獲得的縱、橫向數(shù)據(jù)間距接近天線中心波長的1/4，滿足高分辨率要求；

（3）通過三維陣列式天線實現(xiàn)真三維采集，為將來全三維處理、解釋提供硬件實現(xiàn)的可能；

（4）三維陣列式天線發(fā)射脈沖頻率一般可選擇200 MHz~1 300 MHz，高頻天線可做到超淺層的高分辨，低頻天線可保證一定的探測深度；

（5）通過帶基站的動態(tài)GNSS對天線陣列進行高精度定位，保證雷達數(shù)據(jù)的精確歸位，直觀解釋圖像。

3 海塘隱患模型的正演計算

正演計算是確定方法有效性的常用手段。常見海塘隱患有層間脫空、局部發(fā)育空洞等，該類病害多位于海塘表層以下，故一般無大量積水分布，具體表現(xiàn)為上、下兩層結(jié)構(gòu)之間存在由空氣充填的空隙。本次正演計算以常見的海塘結(jié)構(gòu)層間脫空為對象，建立簡化地電結(jié)構(gòu)模型（見圖3），設(shè)置網(wǎng)絡(luò)空間大小3.00 m×1.50 m，網(wǎng)格間距0.03 m×0.03 m，電磁波中心頻率200 MHz，各物性參數(shù)按表1賦值，采用GPRMax3.0正演模擬軟件進行正演計算，結(jié)果見圖4。

表1 模型介質(zhì)物性參數(shù)表

圖3 海塘結(jié)構(gòu)斷面圖與正演模型圖 單位：cm

圖4 正演計算結(jié)果圖 單位：cm

由圖4可見，脫空模型位置在地質(zhì)雷達剖面上呈現(xiàn)弧形繞射異常。越接近模型中心異常強度越大，趨向兩側(cè)則異常漸弱，且形態(tài)趨于寬緩。計算結(jié)果表明，三維地質(zhì)雷達用于海塘隱患探測具有可行性。

4 異常特征及驗證

基于正演計算結(jié)果，在錢塘江海塘里程91K+400 m段，針對漿砌條石下方0.20~1.00 m深度范圍的脫空發(fā)育情況開展試驗。

根據(jù)設(shè)計資料，古海塘試驗段塘面下方從上至下分別為漿砌條石、碎石回填土、水泥摻粉煤灰灌漿。其中條石厚約0.25 m；碎石回填層厚約2.00 m，呈倒梯形，自西向東厚度不斷增大，碎石由反濾層包裹，反濾層西側(cè)為回填粉土；水泥摻粉煤灰灌漿厚約3.50 m。

車載三維地質(zhì)雷達沿海塘道路進行覆蓋探測，測線沿道路方向布置，探測天線頻率200 MHz，點距4 cm，測線線距4 cm，剖面見圖5。

圖5 三維地質(zhì)雷達剖面圖

由探測結(jié)果可知：在三維地質(zhì)深度切片圖中，海塘隱患出現(xiàn)不規(guī)則強振幅反射異常，相位局部存在倒轉(zhuǎn)；在正交的2個二維時間剖面中，異常區(qū)振幅增強，有多次波發(fā)育，與周邊存在明顯差異。根據(jù)以上異常特征，圈定該處為疑似脫空異常隱患位置，采用800 MHz天線布置5條二維地質(zhì)雷達對異常點開展復(fù)測，工作布置見圖6。

圖6 工作布置圖

以L5、L7測線為例（見圖7~8），兩線分別相交于2.7/L5、14.8/L7位置。L5測線剖面中同相軸零星錯斷，0.5~9.5 m處（虛線框區(qū)域）同相軸局部上翹；L7測線處相位局部倒轉(zhuǎn)，9.0~20.0 m處（虛線框區(qū)域）同相軸也存在上翹情況。2條正交測線的異常特征表明：該處異常呈現(xiàn)板狀分布特征，中部存在脫空現(xiàn)象，導(dǎo)致電磁波傳播速度加快，同相軸形成弧形上翹的特征。

圖7 L5測線剖面圖

圖8 L7測線剖面圖

為進一步確認隱患情況，分別采用釬探和開挖的形式進行驗證（見圖9）。釬探結(jié)果顯示脫空高約25 cm，隨后圍繞釬探點開挖，以進一步確認病害異常。根據(jù)開挖情況，脫空隱患由深部基礎(chǔ)物質(zhì)流失造成。后續(xù)對該隱患點進行回填恢復(fù)處理。

圖9 開挖驗證情況圖

5 結(jié) 語

地質(zhì)雷達法是監(jiān)測海塘隱患常用的方法，三維地質(zhì)雷達法由于實現(xiàn)了三維勘探，能夠更加高精度、高保真、高速度地對海塘隱患進行探測定位。本文應(yīng)用三維地質(zhì)雷達探測海塘堤壩隱患，并通過正演模擬和實際探測論證該方法的異常特征及有效性。

結(jié)合實際探測情況，由于三維地質(zhì)雷達多采用車載方式進行作業(yè)，發(fā)射-接收天線存在空氣耦合問題，影響勘探深度，所以常用車載三維地質(zhì)雷達對海塘隱患進行普查，發(fā)現(xiàn)定位異常后采用二維地質(zhì)雷達或其他高精度物理探測方法對異常情況進行詳細解剖，這樣的作業(yè)模式更能提高探測結(jié)果的準確度和探測效率。