地質(zhì)雷達(dá)與高密度電法在堤防滲漏探測(cè)中的應(yīng)用

孟頌頌，華興林

（南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司,江蘇 南京 210014）

1 引言

堤防作為重要的水利工程,在河湖安全運(yùn)行中起到至關(guān)重要的作用。在我國,堤防一般由土石等堆筑而成,在土石堤防工程中,堤防滲漏是影響堤防安全運(yùn)行的重要隱患之一。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國每年的潰壩事故中,有超過一半是因堤防滲漏引起的。因此,及時(shí)查明堤防滲漏隱患并采取合理措施進(jìn)行治理是保證堤防正常運(yùn)行的重要前提。

堤防探測(cè)常規(guī)手段主要分為地質(zhì)鉆探、地球物理勘探以及人工探視[1]。地質(zhì)鉆探具有直觀、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn),但是地質(zhì)鉆探適用于堤防規(guī)模小,對(duì)施工周期要求不太嚴(yán)格時(shí)較為適用；而人工探視,僅能對(duì)堤防表面發(fā)生的隱患進(jìn)行識(shí)別,而對(duì)于堤防內(nèi)部存在在隱患卻無能為力[2]。地球物理勘探在堤防滲漏探測(cè)時(shí),具有快速、無損并且特別適合大規(guī)模的堤防滲漏探測(cè)。目前,在堤防滲漏探測(cè)中,應(yīng)用比較廣泛的地球物理勘探方法主要有：探地雷達(dá)、電法勘探、核磁共振法以及地震法等。地質(zhì)雷達(dá)是以地下不同介質(zhì)體的介電性差異為基礎(chǔ),確定地下巖土體分布情況的地球物理勘探方法[3]；高密度電法是一種直流電法勘探手段,具有對(duì)巖土體的低阻異常敏感性較強(qiáng),但很難區(qū)分是否為堤防滲漏導(dǎo)致的低阻異常[4]。因此兩種方法的聯(lián)合運(yùn)用,能夠取長補(bǔ)短,相互驗(yàn)證,從而提高地球物理勘探的精度和可靠性。

2 基本原理

2.1 高密度電法基本原理

高密度電法是一種以電法理論為基礎(chǔ),研究人工施加穩(wěn)定電流場(chǎng)作用下巖土體導(dǎo)電性差異規(guī)律的一種電探方法。它是一種集電測(cè)深法和電剖面法優(yōu)點(diǎn)于一體的勘探技術(shù),野外具體操作時(shí)只需將相應(yīng)的電極按一定順序插入選定的路線上,利用微機(jī)工程電測(cè)儀和程控電極變換控制器就能完成不同方法的數(shù)據(jù)高效收集,可對(duì)同一場(chǎng)地利用不同方法進(jìn)行綜合對(duì)比分析,其原理如圖所示。在具體跑級(jí)過程中,通過控制供電電極（A 和B）以及測(cè)量電極（M 和N）間距,實(shí)現(xiàn)AMNB 逐點(diǎn)向右移動(dòng),一個(gè)移動(dòng)周期獲得一組數(shù)據(jù),然后調(diào)整間距獲得下一組數(shù)據(jù),周期往復(fù),直至得到倒梯形電阻率斷面數(shù)據(jù)。其計(jì)算原理如下：

式中：ρs為視電阻率；ΔV 為M 與N 之間的電位差；I 為供電電流；K 為設(shè)備常數(shù)；DAM、DAN、DBM、DBN為各電極之間的水平距離。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)

地質(zhì)雷達(dá)是利用發(fā)射的高頻電磁波,以脈沖形式經(jīng)過天線定向傳入地下。在電磁波傳播過程中,當(dāng)遇到不同電性性質(zhì)的地下介質(zhì)或目標(biāo)時(shí),發(fā)生反射,經(jīng)地面返回接收天線。通過接收到的發(fā)射電磁波信號(hào),經(jīng)后期處理、分析其強(qiáng)度、波形以及旅行時(shí)間等屬性,進(jìn)而判斷地下地質(zhì)體的結(jié)構(gòu)、形態(tài)。電磁波反射系數(shù)公式如下：

式中：R 為反射系數(shù)；ε1為界面上介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；ε2為界面下介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

為了獲取反射界面（目的層）的深度地質(zhì)雷達(dá),利用同相軸追蹤得到目的層反射波的旅行時(shí)間,經(jīng)便可計(jì)算目的層的深度：

式中：v 為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度；t 為電磁波的雙程走時(shí)；x 為發(fā)射天線和接收天線之間的距離。

3 應(yīng)用實(shí)例分析

3.1 工程概況

高旺河為長江南京段北岸支流,位于南京市浦口區(qū)東南,發(fā)源于浦口境內(nèi)西南山丘區(qū)的天井山西華山,向南流匯合龍山河、建設(shè)、向陽山洪溝3 條支流于山圩分界處的老高旺橋匯合形成圩區(qū)主河道,在西江處入長江,全長12 km,干流長5.6 km。2020 年汛期長江水位達(dá)到歷史最高水位,受長江高水位頂托作用,高旺河水位居高不下,高旺河堤防局部段落存在安全隱患,堤后部分區(qū)域未填塘,堤后無平臺(tái),緊鄰深塘,部分區(qū)域填塘范圍不足,不利于汛期巡查堤防險(xiǎn)情；堤身土體含水量大,無法及時(shí)排出,對(duì)堤身穩(wěn)定不利。為查明堤防滲漏具體范圍及含水情況,對(duì)汛后消險(xiǎn)工作提供技術(shù)支撐,在高旺河險(xiǎn)情段開展了高密度電法和地質(zhì)雷達(dá)聯(lián)合探測(cè)。

3.2 測(cè)線布置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況,在險(xiǎn)情段分別布設(shè)一條物探測(cè)線（高密度電法）,布設(shè)時(shí)以滲漏點(diǎn)為中點(diǎn),向兩邊各延伸50 m～60 m。具體位置布置圖見工程地質(zhì)平面圖。

本次地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)采用100 MHz 屏蔽天線,共完成地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線2 條（編號(hào)L1～L2）,測(cè)線位于險(xiǎn)情段上方,測(cè)線長度約90 m,間距約1.5 m,測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距均為10 cm。累計(jì)完成測(cè)線總長度267 m,測(cè)線覆蓋了要求的探測(cè)區(qū)域,并與高密度電法探測(cè)區(qū)域基本一致。

3.3 探測(cè)結(jié)果分析

對(duì)布置的測(cè)線測(cè)量數(shù)據(jù)運(yùn)用最小二乘法進(jìn)行反演分析,高密度電法測(cè)線反演結(jié)果所得計(jì)算電阻率云圖分別見圖1 和圖2,探測(cè)深度13.0 m～20.0 m。云圖橫坐標(biāo)為測(cè)點(diǎn)坐標(biāo),采用常數(shù)坐標(biāo)軸,縱坐標(biāo)為深度。

圖1 測(cè)線Ⅰ-高密度電法視電阻率擬斷面及反演云圖（樁號(hào)K1+273～K1+392）

圖2 測(cè)線Ⅱ-高密度電法視電阻率擬斷面及反演云圖（樁號(hào)K1+421～K1+540）

圖3 雷達(dá)測(cè)線數(shù)據(jù)典型圖（L1）

圖4 雷達(dá)測(cè)線數(shù)據(jù)典型圖（L2）

由樁號(hào)K1+273～K1+392 云圖可知,在樁號(hào)K1+285～K1+293（12 m～20 m）、K1+297～K1+346（24 m～73 m）、K1+353～K1+360（80 m～87 m）、K1+372-K1+376（99 m～106 m）段云圖中深度5.5m ～7.0m 范圍內(nèi)顯示為藍(lán)色低電阻區(qū),推斷為富水區(qū)。在K1+294～K2+297（21 m～24 m）、K1+347～K2+352（74 m～79 m）、K1+361～K1+371（88 m～98 m）段云圖中深度5.5 m～7.0 m 范圍內(nèi)顯示為淺藍(lán)色中低電阻區(qū),推斷為土質(zhì)較疏松的松散體。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)查勘記錄,K1+367 處為散浸點(diǎn)。

由樁號(hào)K1+421～K1+540 云圖可知,該段物探測(cè)線顯示圖中深度5.5 m～7.0 m 范圍內(nèi)顯示為藍(lán)色低電阻區(qū),推斷為富水區(qū)。在樁號(hào)K1+430-K1+486 段,3.0 m～5.5 m 深度內(nèi),出現(xiàn)明顯高阻區(qū),推測(cè)為該層土體孔隙較大,在高水位時(shí)易發(fā)生滲漏。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)查勘記錄,在樁號(hào)K1+471-K1+490 段為散浸點(diǎn)。

對(duì)堤頂雷達(dá)測(cè)線數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,得出雷達(dá)典型特征波形圖。由圖1～圖2 測(cè)線雷達(dá)圖像可看出,在深度4 m～8 m雷達(dá)圖像上主要表現(xiàn)為雷達(dá)波形出現(xiàn)多次同相軸呈弧形的反射波,波形能量顯著增強(qiáng),頻率相對(duì)較低,外形也類似于“鍋底狀”,一般來說,雷達(dá)發(fā)射波同相軸向下彎曲可能是反映地層含有大量水分所致。這與高密度電法云圖所示結(jié)果一致,說明兩種方法具有較好的一致性。

兩種物探方法結(jié)果分析可知,堤防滲漏（散浸）一般發(fā)生在堤身4 m～8 m 深度范圍內(nèi),通過后期鉆探可知,該層為堤身填土層,發(fā)生滲漏的原因主要是新建堤防時(shí)由于當(dāng)時(shí)施工工藝與技術(shù)水平有限導(dǎo)致堤身填土壓實(shí)度不足,松散體的存在,在汛期高水位時(shí)極易出現(xiàn)堤身飽水狀態(tài),進(jìn)而發(fā)生散浸或局部滲漏。

3.4 防滲處理設(shè)計(jì)

堤身回填粘土可解決堤身老土不密實(shí)問題,但對(duì)現(xiàn)狀堤頂?shù)缆芳案綄僭O(shè)施影響大,需完全破除堤頂?shù)缆?；水位較高時(shí)無法施工,且造價(jià)較高。而垂直防滲墻方案造價(jià)低,對(duì)現(xiàn)狀工程影響較小。在消險(xiǎn)處理時(shí),選擇了對(duì)現(xiàn)狀堤頂?shù)缆芳案綄僭O(shè)施影響較小的垂直防滲墻設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過兩年的安全運(yùn)行,證明該方案是可行的。

4 結(jié)論

通過綜合物探方法,基本查明了堤防滲漏的分布范圍和深度,為后續(xù)堤防除險(xiǎn)加固提供了科學(xué)依據(jù),發(fā)揮了兩種物探方法的先進(jìn)作用,取得了較好的應(yīng)用效果。

（1）高密度電法和地質(zhì)雷達(dá)在堤防滲漏探測(cè)中成像類型不同,每種方法具有不同的探測(cè)優(yōu)勢(shì),兩種方法結(jié)合應(yīng)用具有很好的參考價(jià)值。

（2）高密度電法對(duì)于低阻異常地質(zhì)體敏感性較好,能夠較為準(zhǔn)確的探測(cè)出含水區(qū)域,對(duì)于地質(zhì)雷達(dá)而言,能夠結(jié)合波形有效識(shí)別地質(zhì)體。

（3）高密度電法和地質(zhì)雷達(dá)法的聯(lián)合運(yùn)用,對(duì)堤防滲漏識(shí)別,劃定風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域,可為后期消險(xiǎn)施工提供科學(xué)依據(jù)。