長江堤防張家港段隱患探測分析方法

孟新華

（江蘇省張家港市水利局，215600，張家港）

長江堤防是我國防洪工程的重要組成部分，長江堤防張家港堤段長達90多km，保護著張家港市90多萬人口以及重要城鎮(zhèn)的防洪安全。1998年長江洪水后，長江堤防張家港堤段加強了江堤的達標工程建設，加固后江堤安全得到一定保證，但由于堤防戰(zhàn)線長，存在的安全隱患問題難以在短時間內(nèi)消除，加之沿江堤段重要國民經(jīng)濟設施密度大，人口密集，以及長江口地區(qū)高潮位有不斷提高的趨勢等特點，對堤防防洪安全要求越來越高。由于嚴重缺乏薄弱堤段安全探測及評價資料，使得抗洪搶險決策往往處于被動，常常導致險情預警預報滯后，不能滿足堤防工程建設和管理的需求。

為優(yōu)化出適合長江大堤張家港堤段的隱患探測技術，選取6個典型堤段開展高密度電法、地質(zhì)雷達法、彈性波反射法、瞬變電磁法和工程CT等隱患探測，優(yōu)選出適合該堤段的隱患探測方法。探測成果以朝東圩港堤段為例說明。

一、探測方法簡介

①高密度電法。直流電法的基本原理是，通過在地表布設供電電極和測量電極，根據(jù)在一定供電條件下，測量的地表電位值，從而確定地下測點位置的視電阻率值。視電阻率雖然不完全等同于真實電阻率，但是能夠反映地下真實電阻率的分布情況，從而判斷地下的隱患分布情況。

②地質(zhì)雷達。地質(zhì)雷達是利用電磁波在有耗介質(zhì)中的傳播特性，以寬頻帶短脈沖的形式向介質(zhì)內(nèi)發(fā)射高頻電磁波，當其遇到不均勻體時會反射部分電磁波，其反射系數(shù)由介質(zhì)的相對介電常數(shù)決定，通過對雷達主機所接收的反射信號進行處理和圖像解譯，達到識別隱蔽目標物的目的。

③彈性波反射。彈性波反射波法是利用人工激發(fā)的彈性波在巖土界面上產(chǎn)生反射的原理，對淺層具有波阻抗差異的地層或構造進行探測的一種彈性波勘探方法。

④瞬變電磁法。探測采用WTEM-1Q瞬變電磁勘探系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由信號接收部分 (包括主機和接收線圈)和信號發(fā)射部分(包括發(fā)射機、供電機和發(fā)射電纜)兩部分組成，是一種人工源的電磁法探測設備。利用不接地電性源向地下發(fā)送一次脈沖電磁場（一次場），在其激發(fā)下，地下地質(zhì)體中激勵起的感應渦流將產(chǎn)生隨時間變化的感應電磁場 （二次場），通過記錄地下渦流變化的情況來達到了解地下電阻率的目的。

⑤工程CT。工程CT是根據(jù)射線掃描，由于各種土層電性(電阻率ρ、介質(zhì)常數(shù)ε等)不同，對電磁波的吸收有一定的差異，通過對所得到的信息進行反演計算，重建被測范圍內(nèi)巖體彈性波和電磁波參數(shù)分布規(guī)律的圖像，從而達到圈定地質(zhì)異常體的一種物探反演解釋方法。根據(jù)所使用的地球物理場的不同，層析成像又分為彈性波層析成像和電磁波層析成像。

二、隱患探測測線布設

朝東圩港堤段各探測方法的測線布置如下：高密度電法測線位于堤防背水堤肩，測線起點樁號280+42m，向下游方向完成4組測試，每組排列60個電極，電極距2m；地質(zhì)雷達測線位于堤防中線，測線起點樁號280+416m，終點樁號279+816m；瞬變電磁法測線位于堤頂中線，測線起點樁號279+70m，測點43個，測線長42m；彈性波法測線位于堤防背水堤肩，測線起點樁號280+390樁，終點樁號280+510m，測線長120 m；彈性波CT方法利用位于堤防臨水、背水面的2個鉆孔進行，孔距4.6m。

三、探測成果分析及方法優(yōu)選

5種方法的探測成果描述如下：

①由高密度電法探測成果可見，整體上電阻率分布為上高下低，水平方向較為規(guī)律。地表以下9.5 m，視電阻率取值介于13～79Ω·m之間，且呈層狀分布，基本上可分為3層，距起點越遠分層所占厚度越小，總體上取值較為均勻，相對其他堤段視電阻率取值較小。地表以下3 m左右視電阻率變化梯度較大，起點距20～90 m地表附近存在多處高阻異常，起點距333m處存在低阻異常。該堤段地處入?？冢艹毕绊戄^大，歷史上曾多次出現(xiàn)險情，堤段正處于淤沙施工階段，背河側(cè)水位相對較高，導致堤身含水率相對較高，為電阻率取值低的主要原因。

②由于工作現(xiàn)場正處于淤沙施工階段，現(xiàn)場有多條電纜橫跨和順堤防布設，給地質(zhì)雷達的探測工作造成很大的影響，從成果圖（略）上很難辨認地層反射的同相軸，除干擾信號外，該堤段沒有特別明顯的反射信號。

③根據(jù)視電阻率取值，該堤段大致分為4個地層，第一層為0～1m，視電阻率較高；第二層為1～3 m，視電阻率較低；第三層為3～8 m，視電阻率較高；第四層為8m以下，視電阻率低。

④由地震映像探測成果可見，探測圖譜中記錄時間10 ms附近存在反射同相軸，按照1 000 m/s的波速，估計在深度5 m左右存在波阻抗界面，在起點距12 m、28 m、40 m和50 m附近存在反射能量較強的反射點，由于這幾點埋深較為一致，推測在此深度存在連續(xù)性不好的土層分界情況。

⑤由工程CT探測成果圖（略）可知，地表以下0～4.8 m范圍波速較低，取值在 800～1 000 m/s左右，5.6 m以下波速較高，基本在1 200 m/s以上。斷面沒有明顯的孤立波速偏低部位。

5種方法的優(yōu)選比較如下：

①通過隱患探測成果及其規(guī)律性分析，結合土工與監(jiān)測試驗成果驗證可見，高密度電法基本可以探明測區(qū)內(nèi)地層分布情況，且探測電阻率圖譜色彩鮮明，電阻率異常變化點反映突出，可以直觀地顯示于成果圖譜上，便于解讀與交流，現(xiàn)場探測電阻率變化隨深度變化趨勢與室內(nèi)試驗測得電阻率和土工試驗探測成果之間的相關關系有較好的一致性，因需電極布設，故探測深度受到限制。由探測結果可知，高密度電法在探明地下水埋深方面還不完善。就隱患探測而言，高密度電法適用于張家港長江堤段的裂縫、空洞等隱患探測。

②地質(zhì)雷達法若降低屏蔽天線發(fā)射頻率，可以探測到較深的地層，但易受干擾，如現(xiàn)場條件復雜，有電纜、高壓線等，淺層探測適用性不強。

③瞬變電磁法在探明堤防工程淺部土層分布和地質(zhì)夾層上優(yōu)勢明顯，基本可以探明地下水埋深，若遇裂隙或空洞，視電阻率突變明顯，隱患位置鮮明，直觀易懂。若遇地下水，視電阻率減小較快，甚至為零，雖然測試視電阻率取值與實際有偏差，但基本可以確定地下水埋深，因瞬變電磁法探測深度是由公式計算而得，其值與發(fā)射線圈與接收線圈的大小均有關系，是一個近似值，與實際值有一定的差異。由此可見，瞬變電磁法適用于張家港長江堤段淺層或地下水以上的裂縫、空洞等隱患探測及地下水埋深探測，但隱患和地下水埋深是一個近似深度。

④地震映像法在探測土層分布上適用性不高，但由探測成果與土工試驗探測成果對比可知，地震映像法在探測淺層砂性土方面適用性強，且基本可以探明地下水水位，該法探測深度由波速轉(zhuǎn)化而來，波速取值一般較大，且不同介質(zhì)波的傳播速度不同，故無法明確探測深度，適用性不高。

⑤由工程CT探測成果可知，該斷面波速在地表以下4.8 m左右波速出現(xiàn)突變，推斷為土層分界面。由大堤堤身高度可知，此位置大約是堤身與堤基交界面，且4.8 m以上探測圖譜均勻，波速取值穩(wěn)定。由實際可知，大堤堤身材料相對較為均勻，地表以下6～7 m波速出現(xiàn)明顯變化，由現(xiàn)場監(jiān)測結果可知，該深度基本是地下水水位高程，可見工程CT探測法用于探明張家港長江堤段的土層分布及地下水埋深適用性好。但該法每次只能探測一個斷面，且需打探測孔，耗時量大，經(jīng)費高，不適合于大規(guī)模的隱患普查，但該法適用重點堤段的土層分布及隱患的精確探測。

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