綜合物探方法在金山城市沙灘大堤安全隱患評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

王 波

（上海市金山區(qū)海洋海塘管理所 上海 201507）

城市堤防工程在社會(huì)發(fā)展中起著相當(dāng)重要的作用,而地球物理勘探技術(shù)（以下簡(jiǎn)稱物探）是堤防工程建設(shè)中的核心技術(shù)之一[1]。傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性分析是以物探結(jié)果作為分析依據(jù)，因此物探的精準(zhǔn)程度直接影響著后續(xù)安全穩(wěn)定分析的可靠性。工程中應(yīng)用較為廣泛的物探方法有地質(zhì)雷達(dá)法、瞬態(tài)面波法和地震映象法等[2]。其中地質(zhì)雷達(dá)法具有無(wú)損、衰減小、淺層分辨率高等特點(diǎn)[3,4]。瞬態(tài)面波法具有探測(cè)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、不受各地層速度關(guān)系影響等特點(diǎn)。地震映象法具備快速普查、有效測(cè)深可觀、精度高等特點(diǎn)[5,6]。以上方法各具優(yōu)劣，針對(duì)它們的特點(diǎn)取長(zhǎng)補(bǔ)短，有效的綜合應(yīng)用于工程中，將會(huì)出現(xiàn)可觀的效果。陳耀軍[7]將瑞雷波法和地質(zhì)雷達(dá)法綜合應(yīng)用在查找實(shí)際工程填埋垃圾充填邊界中，準(zhǔn)確地查明了垃圾填埋場(chǎng)充填邊界的分布位置、分布形態(tài)等。王小永[8]簡(jiǎn)述了采用測(cè)量、開挖、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)等方法，揭示了黃河焦作段堤防左堤69+000～78+100堤段背河堤肩和堤坡縱向裂縫的形態(tài)特征。邱紅雷[9]采用多道瞬態(tài)面波法、地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)水泥土截滲墻進(jìn)行綜合檢測(cè),快速準(zhǔn)確地反映出墻體孔洞、夾層等缺陷的位置、大小程度等。胡滿堂[10]采用地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)物探并結(jié)合土力學(xué)理論分析局部明顯塌空及塌陷情況。

本文針對(duì)金山城市沙灘大堤出現(xiàn)填土掏空等現(xiàn)象，采用地質(zhì)雷達(dá)法、多道瞬態(tài)面波法和地震映象法三種物探方法綜合探測(cè)，以地質(zhì)雷達(dá)法和地震映象法作為普查方法,進(jìn)行全線探測(cè),多道瞬態(tài)面波法作為局部異常區(qū)域輔助勘察方法，全面、細(xì)致地對(duì)大堤進(jìn)行綜合勘查。

1 工程概況及物探方法

1.1 工程概況

金山城市沙灘水庫(kù)大堤于2006年建成，圍堤長(zhǎng)約3.421km。水庫(kù)圍堤典型斷面如圖1所示，圍堤在運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)在靠近臨排管附近約50m的范圍內(nèi)堤頂?shù)缆废虏?，高程?.8m以上，局部出現(xiàn)填土掏空的現(xiàn)象，現(xiàn)已經(jīng)對(duì)發(fā)現(xiàn)問題的地段進(jìn)行了處理。為了解整個(gè)水庫(kù)圍堤段下部吹填土、吹泥管袋等充填物的現(xiàn)狀，采用地質(zhì)雷達(dá)法作為普查方法,進(jìn)行全線探測(cè),若局部存在明顯異常,采用多道瞬態(tài)面波法、地震映象法等對(duì)局部異常區(qū)域進(jìn)行綜合勘查。本次物探勘查共完成地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線2條，長(zhǎng)度共計(jì)6726m，地震映象測(cè)線條，長(zhǎng)度3353m，24道面波排列4條。

圖1 水庫(kù)圍堤典型斷面

圖2 地質(zhì)雷達(dá)反射波法探測(cè)原理圖

圖3 瞬態(tài)瑞雷波法地震勘探工作布置圖

圖4 頂測(cè)線布置示意圖

圖5 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)解釋圖

表1 地震映像波形分析匯總表

圖6 0+812排列面波波形圖

圖7 2+438排列面波波形圖

1.2 物探勘查方法及技術(shù)原理

常見物探勘察方法有地質(zhì)雷達(dá)法、瞬態(tài)面波法、地震映像法三種。

（1）地質(zhì)雷達(dá)法

探地雷達(dá)利用高頻電磁波以寬頻帶短脈沖形式，由地面通過天線T送入地下，經(jīng)過下地層或目的體反射后返回地面，為另一天線R接收（圖2），脈沖波行程需時(shí)：，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的地下介質(zhì)波速V為已知時(shí)，可根據(jù)測(cè)得的t值，由上式求出反射體的深度Z

（2）瞬態(tài)面波法

瑞雷波沿自由表面?zhèn)鞑?，由P波和SV波的不均勻平面波彼此干涉產(chǎn)生，當(dāng)遇到不均勻地質(zhì)體（如空洞等）會(huì)產(chǎn)生散射，散射的規(guī)模和程度與地質(zhì)體或結(jié)構(gòu)體的形態(tài)和規(guī)模有關(guān)。瞬態(tài)瑞雷波法勘探是采用重錘擊發(fā)，將一串檢波器等間距沿直線布置，接收面波信號(hào)的垂直分量（如圖3）。

（3）地震映像法

地震映像法是近十年來(lái)用于探測(cè)淺部介質(zhì)中縱、橫向不均勻體的常用方法。不同于面波法有明確的勘查層，地震映像法是采集近震源處的彈性波場(chǎng)，在特殊情況下也能采集到反射波。利用這些波的振幅、相位、頻率來(lái)體現(xiàn)勘探剖面下縱橫向的不均勻體的特征。該方法數(shù)據(jù)采集方法簡(jiǎn)單，施工人員需要2-3人即可，具有很高的工作效率。

2 物探勘查工作布置

通過現(xiàn)場(chǎng)踏勘，堤頂寬約7m，其中距圍堤內(nèi)側(cè)邊2m為旋噴樁防滲墻，在防滲墻至圍堤外側(cè)之間沿圍堤方向布設(shè)2條SIR-20型地質(zhì)雷達(dá)配100Mhz天線的地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線，全線同時(shí)還布設(shè)一條地震映像測(cè)線。此外，在部分異常區(qū)域布設(shè)瞬態(tài)瑞雷面波，用以確定大堤的介質(zhì)速度分層?，F(xiàn)場(chǎng)按直線段50m間距布設(shè)標(biāo)記點(diǎn)，彎曲段進(jìn)行加密，并按上海城市坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)記線測(cè)點(diǎn)位置以50米的間距均勻布置。距現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)記線約1m的內(nèi)側(cè)進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)及地震映像探測(cè)，外側(cè)進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)（圖4）。

3 勘探結(jié)果分析

3.1 地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線結(jié)果分析

地質(zhì)雷達(dá)法布設(shè)兩條測(cè)線，在現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)記線內(nèi)側(cè)測(cè)線號(hào)為NLD，外側(cè)測(cè)線號(hào)位WLD，探測(cè)方向均為從小樁號(hào)至大樁號(hào)。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)主要側(cè)重于淺部介質(zhì)層位變化情況，圖5為截取測(cè)線中一段典型特征圖，其中彩色曲線表示層狀介質(zhì)的層位，不平直的彩色曲線表示下部層狀介質(zhì)層位出現(xiàn)一定的變化，白色線圈出的部分波組振幅較為散亂，表明介質(zhì)不均勻、局部松散。

圖8 3+088排列面波波形圖

3.2 地震映像測(cè)線結(jié)果分析

兼顧瑞雷面波探測(cè)剖面的選取，地震映像法偏移距取8m時(shí)既能基本避開近震復(fù)雜源波場(chǎng)，又能有一定的能量即獲得較高的信噪比。通過對(duì)波組同相軸連續(xù)性、能量、頻率等參數(shù)變化進(jìn)行分析，地震映像剖面總體分為7個(gè)區(qū)段，詳見表1。

3.3 瞬態(tài)面波勘查結(jié)果分析

根據(jù)以上探測(cè)結(jié)果分析得出，還需選擇4處局部位置進(jìn)行瞬態(tài)面波勘查，以確定圍堤下部介質(zhì)的分層情況。其中零偏移距面波剖面如圖6～圖9所示。圖中豎向小短線為現(xiàn)場(chǎng)混凝土路面分隔縫，從圖中可以看出，波組在分隔縫兩側(cè)能量有明顯差異，高頻波經(jīng)過分隔縫后衰減，低頻波組能量減弱，且出現(xiàn)一定的頻散，在分隔縫處出現(xiàn)較明顯的散射波組，說(shuō)明混凝土路面分隔縫對(duì)面波傳播產(chǎn)生一定的影響。

4 結(jié)論

圖9 3+438排列面波波形圖

綜合采用地質(zhì)雷達(dá)法、地震映象法和瞬態(tài)面波法對(duì)金山城市沙灘大堤進(jìn)行了物探勘查，對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行了推斷解釋。推斷出的對(duì)大堤不利的異常位置，便于海塘堤防的日常管理。需要重點(diǎn)關(guān)注測(cè)段為：

（1）樁號(hào)2+800～2+834段位于東南角拐彎段防滲墻之間，地震映象顯示該段波組散亂、低頻波組較發(fā)育且同相軸不連續(xù)，地質(zhì)雷達(dá)也表現(xiàn)出明顯異常，推斷該范圍深約8m以淺介質(zhì)疏松嚴(yán)重。

（2）2+732～2+783段，深約 4.5m以淺波組較連續(xù)、正常，約5m以下低頻波組發(fā)育，推斷該范圍介質(zhì)疏松較嚴(yán)重。

（3）2+500～2+640段淺部波組較連續(xù)，深約6m～8m范圍低頻波組較發(fā)育，波組同相軸較連續(xù)，推斷該范圍介質(zhì)存在疏松的趨勢(shì)。

目前大堤尚在正常運(yùn)行中，受到潮位、地下水位變化、波浪沖刷以及道路行車震動(dòng)等影響，可能會(huì)產(chǎn)生進(jìn)一步影響和變化，通過本次探查圈出的異常區(qū)域，今后海塘日常管理中要加強(qiáng)日常巡查和觀測(cè)。本次探測(cè)大堤表層為厚約0.9m的混凝土及砌石等高速體，下部為波速較低的吹填土，對(duì)雷達(dá)電磁波以及地震波的傳播造 成 一 定 的 不 利 影 響 ，0+812、2+438、3+088以及3+438部位需重點(diǎn)關(guān)注，需要對(duì)介質(zhì)疏松較嚴(yán)重的區(qū)域進(jìn)行驗(yàn)證和處理，以確保大堤的安全運(yùn)行。陜西水利

[1]劉云禎．工程物探新技術(shù)［M］．北京：地質(zhì)出版社，2006．

[2]宋先海，李端有，顧漢明等．瑞雷波勘探理論及其應(yīng)用［M］．北京：中國(guó)水利水電出版社，2010．

[3]戴前偉，呂紹林，肖彬．地質(zhì)雷達(dá)的應(yīng)用條件探討［J］．物探與化探，2000，24（2）:157-160.

[4]李遠(yuǎn)強(qiáng)．探地雷達(dá)探測(cè)地裂縫的幾個(gè)實(shí)例 ［J］． 物探與化探，2012，36（4）:651-654.

[5]李雷,張國(guó)棟.我國(guó)堤壩隱患探測(cè)技術(shù)及面臨的問題與建議[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2009，12（4）:91-99.

[6]謝向文,馬愛玉,張曉予，等.堤防隱患探測(cè)和險(xiǎn)情監(jiān)測(cè)技術(shù)研究 [J].大壩與安全,2004（1）:24-26.

[7]陳耀軍．瑞雷波法和地質(zhì)雷達(dá)法在查找填埋垃圾充填邊界中的綜合應(yīng)用［J］． 工程地球物理學(xué)報(bào)，2013，10（4）:566-570.

[8]王小永.黃河焦作段左岸堤防縱向裂縫成因淺析 [J].人民黃河，2006，28（5）:75-76.

[9]薛建，曾昭發(fā)，王者江，等．探地雷達(dá)在城市地鐵沿線空洞探測(cè)中的技術(shù)方法［J］．物探與化探，2010，34（5）:617-621.

[10]胡滿堂，張梁.深圳河羅湖口岸段堤岸塌陷原因分析及處理方法 [J].水利水電快報(bào)，2012，33（6）:35-36.