綜合地質(zhì)雷達(dá)法與瞬變電磁法的堤防工程隱患探測

中圖分類號：TV87文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

堤壩無損探測[1-2]是采用物理探測手段研究堤壩物理特征變化進(jìn)而判斷工程隱患埋深、規(guī)模、形態(tài)的勘查方法，是指導(dǎo)水利工程安全管理和汛期快速精準(zhǔn)搶險(xiǎn)救災(zāi)的有效手段之一[3-4]。近年來，瞬變電磁[5]、地質(zhì)雷達(dá)[、電阻率層析成像[7-8]、紅外熱成像[9]等技術(shù)被廣泛運(yùn)用于堤壩的隱患探測。這些隱患探測技術(shù)具有快速、經(jīng)濟(jì)、無損等優(yōu)點(diǎn)，但單一探測方法存在隱患結(jié)果多解、隱患特征識別準(zhǔn)確度低、應(yīng)用范圍受限等不足[10-12]。地質(zhì)雷達(dá)的電磁波頻率越高，衰減越快，對淺層結(jié)構(gòu)隱患的探測分辨率高，但深層隱患探測分辨率較差。采用小回路多匝線圈的瞬變電磁法對深層隱患的探測具有較高的分辨率，但對淺層隱患的探測精度受關(guān)斷時(shí)間（儀器停止發(fā)射信號到接收信號的時(shí)間間隔）影響大。地質(zhì)雷達(dá)和瞬變電磁優(yōu)劣互補(bǔ)，且可以通過兩者探測結(jié)果的相互驗(yàn)證，分析異常檢測結(jié)果，從而有效剔除干擾信號，提升隱患識別的準(zhǔn)確性?；诖耍疚木C合應(yīng)用瞬變電磁法和地質(zhì)雷達(dá)法開展堤防工程隱患綜合探測研究。

1基本原理與技術(shù)

1.1 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)檢測技術(shù)基于探測目標(biāo)體與周圍介質(zhì)間的介電性差異，通過發(fā)射天線向被檢測介質(zhì)發(fā)射高頻脈沖電磁波，然后接收被檢測介質(zhì)內(nèi)不同介電性界面反射回的電磁反射波。利用介質(zhì)內(nèi)反射電磁波的傳播路徑、電磁場強(qiáng)度和波形隨介質(zhì)的電磁性質(zhì)以及幾何形態(tài)而變化的原理，研究反射波的往返旅時(shí)、振幅、頻率和相位特征，確定被檢測介質(zhì)內(nèi)隱蔽體位置、形態(tài)和埋深。地質(zhì)雷達(dá)法工作原理如圖1所示。

雷達(dá)反射波強(qiáng)度的大小與界面處反射波數(shù)有關(guān)，其反射系數(shù) R 計(jì)算式為

式中： 分別為地下介質(zhì)1、2的相對介電常數(shù)。

由式（2）可計(jì)算出反射界面的埋深Z。

式中： u 為電磁波在地下介質(zhì)中的傳播速度； t 為電磁波在地下介質(zhì)中的傳播時(shí)間； x 為收發(fā)天線間的間距。

地質(zhì)雷達(dá)的分辨率包括垂直分辨率和水平分辨率，其中垂直分辨率是指從隱患體頂面和底面反射回來的兩個(gè)脈沖重疊的部分能夠區(qū)分開的最小距離，一般為所探測地層中電磁波波長的 1/8～1/4 ；水平分辨率 Δx 是指從隱患體水平方向上能夠區(qū)分開的最小距離，與電磁波的波長和垂距有關(guān)，表達(dá)式為

式中：為電磁波的波長； z 為垂距。

雷達(dá)波圖像能直觀反映堤防內(nèi)部介電差異性較大的缺陷結(jié)構(gòu)，主要用于堤防淺部空洞、松散不均勻體的探測。但地質(zhì)雷達(dá)的探測深度受儀器設(shè)備的工作頻率、發(fā)射功率、收射靈敏度、抗干擾能力，天線與大地的匹配耦合效應(yīng)，地電條件（如圍巖導(dǎo)電性）等影響。當(dāng)儀器設(shè)備確定時(shí)，決定探測深度的主要因素為地表電阻率和工作頻率，由于導(dǎo)電介質(zhì)中電磁波的衰減系數(shù)與工作頻率成正比，對于某一特定工作頻率f而言，其探測深度與地表導(dǎo)電率 σ 成反比。地質(zhì)雷達(dá)的探測深度可按式（4）進(jìn)行估算。

式中： d_max 為最大探測深度。

1.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法的原理是基于地下探測目標(biāo)體與周圍介質(zhì)間存在著明顯的導(dǎo)電性差異，利用不接地中心回線向地下發(fā)送一次磁場，在一次脈沖磁場瞬變后的間歇期間，通過測量線圈觀測和研究地下導(dǎo)電異常體所產(chǎn)生的感應(yīng)二次渦流場的磁場隨時(shí)間變化規(guī)律，獲取垂向地下地層分布信息。瞬變電磁法工作原理見圖2。

瞬變電磁法具有靈敏度高、異常響應(yīng)強(qiáng)、探測深度大、受地形和接地電阻影響小等優(yōu)點(diǎn)。由于感應(yīng)二次場隨時(shí)間的衰變規(guī)律與地下介質(zhì)的導(dǎo)電性有關(guān)，地下介質(zhì)導(dǎo)電性越好，二次場衰減越慢；反之，二次場衰減越快。因此，通過研究瞬變感應(yīng)二次場隨時(shí)間的變化規(guī)律，可探測地下具有不同導(dǎo)電性的滲漏通道分布。

瞬變電磁法的探測深度可由式（5）計(jì)算得到。

式中： h 為探測深度； ρ 為電阻率； t 為采樣時(shí)間。

1.3地質(zhì)雷達(dá)法與瞬變電磁法綜合探測

地質(zhì)雷達(dá)法以探測體介電性差異為基礎(chǔ)，利用電磁波束的反射來檢測隱患，具有分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適合于淺層探測。瞬變電磁法利用電磁場的時(shí)空變化規(guī)律來檢測隱患，具有受接地電阻影響小、探測深度大等優(yōu)點(diǎn)，因其受早期信號影響，因而淺層識別精準(zhǔn)度不高。兩者的優(yōu)缺點(diǎn)具有互補(bǔ)性，綜合運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)法和瞬變電磁法進(jìn)行探測，可大大提高探測的精準(zhǔn)度。

2 實(shí)例分析

2.1 工程概況

滁河為長江下游左岸一級支流，發(fā)源于安徽省肥東縣，在安徽省滁州市全椒縣十字鎮(zhèn)陳淺村進(jìn)入南京市，流經(jīng)浦口區(qū)、江北新區(qū)、六合區(qū)，在六合區(qū)大河口入長江，干流全長 269km 。滁河干流江北新區(qū)段總長 29.5km ，干堤主要位于沖湖積平原，堤基主要以粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)壤土、砂壤土與粉細(xì)砂等土質(zhì)為主，滲透變形、堤（岸）坡穩(wěn)定、軟基問題、砂土液化問題等工程地質(zhì)問題突出。2020 年汛期，滁河干流江北新區(qū)邵家斗門至老梗壩段、頭橋段、四柳河口段等處出現(xiàn)險(xiǎn)情。近年來，水利部門相繼實(shí)施了滁河防洪治理近期工程及完善工程，滁河干流堤防安全狀況得到較大改觀，但部分堤段仍然存在薄弱環(huán)節(jié)。

選取滁河干流江北新區(qū)邵家斗門段（長 1750m ）堤防，分別在堤頂迎水側(cè)、背水側(cè)布設(shè)2條測線，采用車載地質(zhì)雷達(dá)和拖電瞬變電磁進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)同步采集，對堤防開展綜合隱患探測，以期掌握松散、不密實(shí)、不均勻等不良地質(zhì)體的分布位置和范圍，預(yù)防汛期堤防隱患可能引發(fā)的險(xiǎn)情。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理

檢測中，地質(zhì)雷達(dá)設(shè)備探測采用的技術(shù)參數(shù)見表1，數(shù)據(jù)處理采用RADAN6.6專用雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件。對圖3（a）中沒有紅藍(lán)交替異常的雷達(dá)檢測剖面圖像頻譜圖進(jìn)行分析，可知雷達(dá)波主頻帶分布范圍是 25～60MHz ，高頻成分弱，雷達(dá)檢測剖面顯示堤防堤身土體基本密實(shí)，無明顯異常。對圖3（b）中存在紅藍(lán)交替異常的雷達(dá)檢測剖面圖像頻譜圖進(jìn)行分析，可知堤防地層雷達(dá)波主頻帶分布范圍是 25～60MHz ，在 65～75MHz 的頻帶范圍出現(xiàn)一個(gè)高頻脈沖，對應(yīng)堤防堤身土體不密實(shí)異常區(qū)。

2.2.2瞬變電磁數(shù)據(jù)處理

采用GeoElectro電法數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對瞬變電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。原始數(shù)據(jù)采集后，由于IP效應(yīng)、局部噪音和其他干擾因素的影響，衰減曲線會出現(xiàn)尾部畸變和個(gè)別“跳點(diǎn)”現(xiàn)象，需進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)截?cái)嗯c光滑處理，以提高數(shù)據(jù)的解釋精度。

瞬變電磁設(shè)備采用高分辨拖電式FCTEM瞬變電磁觀測系統(tǒng)，基于晚期視電阻率計(jì)算方法（見式（6）），對預(yù)處理后的視電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行擬二維反演，即給定反演的圓滑因子、剖面方向及參與反演的所有點(diǎn)號，快速計(jì)算出視電導(dǎo)率結(jié)果，然后插值成像形成瞬變電磁剖面圖像。

式中： ρ_τ 為反演的視電阻率； μ₀ 為均勻半空剪的磁導(dǎo)率； t 為測道時(shí)間； q 為接收線圈的有效面積； V（t） 為接收線圈的感應(yīng)電壓； I 為發(fā)射電流； V（t）/I 是實(shí)際

觀測的歸一化感應(yīng)電壓； A 為發(fā)送回線面積。

2.3 探測成果分析

雷達(dá)數(shù)據(jù)處理濾波采用FIR帶通的方法，其低通頻率 200～250MHz ，高通頻率 50～80MHz 在不損害有效波的前提下有效去除十?dāng)_信號，并通過反褶積提高資料的信噪比，得到高信噪比的電磁波B掃描圖像。瞬變電磁法采用非線性反演算法，得到視電阻率結(jié)果。通過地質(zhì)雷達(dá)法和瞬變電磁法結(jié)果的綜合對比分析，判斷可能存在的隱患。

堤防迎水側(cè)地質(zhì)雷達(dá)法和瞬變電磁法探測剖面結(jié)果見圖4，背水側(cè)地質(zhì)雷達(dá)法和瞬變電磁法探測剖面結(jié)果見圖5。分析探測結(jié)果可知：

（1）地質(zhì)雷達(dá)法結(jié)果顯示存在由表面向堤防內(nèi)部的雙曲線雷達(dá)波，瞬變電磁法結(jié)果顯示在堤防表面局部存在低阻異常區(qū)，其原因?yàn)楝F(xiàn)場障礙物（如車輛、路燈等）對雷達(dá)和瞬變電磁造成信號干擾，迎、背水坡探測結(jié)果一致。

（2）在迎水側(cè)離起點(diǎn) 52～57m 、深度大約1m以內(nèi)的堤身范圍，存在雷達(dá)波同相軸連續(xù)性差、彎曲、局部異常紊亂，分析結(jié)果為該處土體均勻性差，孔隙率差異大，堤身結(jié)構(gòu)層土體不密實(shí)，為堤防存在的不良地質(zhì)體。

（3）在離起點(diǎn) 552m 、深度 2～4m 處瞬變電磁存在一封閉的低阻異常區(qū)，通過現(xiàn)場勘查該處為一涵洞，迎、背水坡探測結(jié)果一致。

（4）在離起點(diǎn) 1225m 、深度 28～32m 處存在一封閉的低阻異常區(qū)，分析結(jié)果為該處土體含水量高。

（5）在離起點(diǎn) 1675m 、深度 6～8m 處存在雷達(dá)波同相軸扭折、彎曲、極性正常，瞬變電磁電阻率局部降低，分析結(jié)果為該處土體含水量高、均勻性差。

（6）在背水側(cè)離起點(diǎn) 150～200m 、深度 2～9 m處存兩處雷達(dá)波同相軸扭折、彎曲的異常體，瞬變電磁結(jié)果剖面同樣存在電阻率異常，分析結(jié)果為該段堤身土體均勻性差，不密實(shí)或存在孔洞。

（7）地質(zhì)雷達(dá)能夠快速地識別堤身隱患，有效探測深度小于 10m 。瞬變電磁有效探測深度可達(dá)30m，除了堤身的隱患外，瞬變電磁還能對堤基的滲漏隱患進(jìn)行探測。結(jié)合現(xiàn)場探測記錄發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)刭|(zhì)雷達(dá)出現(xiàn)雙曲線特征，瞬變電磁結(jié)果剖面淺部同時(shí)顯示局部低阻異常區(qū)，可以判定結(jié)果中的異常為一些干擾（如車輛、路燈等），使得判定結(jié)果更準(zhǔn)確。同時(shí)，借助雷達(dá)結(jié)果剖面的波組特征、極性變化，綜合瞬變電磁的局部低電阻率，可以有效地對堤防內(nèi)部高富水率土體進(jìn)行識別，有利于及早發(fā)現(xiàn)堤防的薄弱部位及滲漏隱患潛在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

3 結(jié)束語

基于地質(zhì)雷達(dá)法和瞬變電磁法兩者之間具有互相驗(yàn)證、互為補(bǔ)充的特點(diǎn)開展綜合物探研究，并以滁河干堤為對象進(jìn)行實(shí)例分析，查明了探測堤段穿堤涵閘和堤身內(nèi)部不良地質(zhì)體的性質(zhì)和分布。結(jié)果表明，潛在隱患主要為堤身內(nèi)土層不密實(shí)、孔隙率高，局部堤段含水量高且范圍廣，需要管理單位予以重點(diǎn)關(guān)注。實(shí)踐表明，綜合物探能夠消除單一物探方法的局限性，大大提高探測精度，更好地指導(dǎo)工程安全運(yùn)行管理和汛期快速精準(zhǔn)搶險(xiǎn)救災(zāi)，助力水利工程高質(zhì)量管理。

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