探地雷達(dá)技術(shù)在白蟻巢穴探測中的應(yīng)用

史新偉 何向東 張志軍 李世偉

（1.河南省水利科學(xué)研究院，河南 鄭州450002；2.河南省白龜山水庫管理局，河南 平頂山467031）

引言

“千里之堤潰于蟻穴”，白蟻危害具有隱蔽性、廣泛性、長期性及嚴(yán)重的破壞性等特點(diǎn)，一直以來都是危害堤壩安全運(yùn)行的重要隱患之一，1998年特大洪水后經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，80%水利工程的破壞是由于白蟻蟻巢引起的[1-3]。白蟻能在江河堤防和水庫土壩內(nèi)密集營巢，迅速繁殖，菌圃星羅棋布，蟻道四通八達(dá)，有些蟻道甚至穿通堤壩的內(nèi)外坡。一旦汛期水位升高、超越蟻路時(shí)，水流便滲入隱藏在堤內(nèi)的空洞和通道，出現(xiàn)險(xiǎn)情，情況嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)滑坡和垮堤垮壩，給人民生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p。歷史上，河南并非白蟻的重災(zāi)區(qū)，隨著氣候的變化影響，白蟻危害北移情況非常明顯，河南許多地區(qū)如洛陽、鄭州、平頂山、駐馬店、南陽等都發(fā)現(xiàn)了白蟻，駐馬店全市162座大、中、小型水庫中，78座壩體存在白蟻危害，占總數(shù)的48%，其中蟻道貫穿大壩的43座。白蟻造成的危害隱蔽性強(qiáng)且危害巨大，治理和防治工作日益受到重視。探地雷達(dá)（又稱地質(zhì)雷達(dá)）方法作為現(xiàn)代地球物理探測技術(shù)的一個(gè)分支,具有探測效率高、探測速度快、無損、高分辨率、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。因而將探地雷達(dá)方法用于堤壩白蟻巢穴的探測具有其獨(dú)特的優(yōu)越性[4]。

1 探地雷達(dá)原理[5]

圖1 雷達(dá)探測時(shí)電磁波傳播示意圖

探地雷達(dá)（ground penetratingmdar）是通過向地下發(fā)射一個(gè)高頻電磁波的短脈沖（一般在10-2500MHz），產(chǎn)生一個(gè)向下傳播的波形，其中部分能量被地下具有電性差異的界面反射到地表，在地表使用1個(gè)接收器檢測反射能量與接收延時(shí)的比值。雷達(dá)探測時(shí)電磁波傳播示意見圖1。

向地下發(fā)射能量到接收機(jī)接收到脈沖的地下延時(shí)，是電磁波在地下介質(zhì)中的傳播速度和地下反射體深度的函數(shù)。電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁場強(qiáng)度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)的變化而變化。因此，根據(jù)接收到波的旅行時(shí)間、幅度與波形等資料，可探測地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及地下目標(biāo)體的埋藏深度等。探地雷達(dá)接收到的信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)濾波、增益恢復(fù)等一系列數(shù)據(jù)處理后形成雷達(dá)探測圖像。探地雷達(dá)圖像是資料解釋的基礎(chǔ)圖件，只要地下介質(zhì)中存在電性差異，就可在雷達(dá)圖像剖面中反映出來，通過同相軸追蹤可以測定各介質(zhì)反射層的反射波旅行時(shí)間。根據(jù)地下介質(zhì)的電磁波速度和反射波旅行時(shí)間可計(jì)算目的層深度。

2 探地雷達(dá)在堤壩蟻巢隱患探測中的應(yīng)用

白龜山水庫位于淮河流域沙潁河水系沙河本干上，大壩位于平頂山市西南郊，距市中心9公里。水庫始建于1958年，1966年8月竣工，水庫容量6.49億立方米。上游有昭平臺水庫，下游有泥沙洼滯洪區(qū)，左臨潁河上有白沙水庫，是一座綜合治理沙潁河的水利樞紐工程。下游為京廣鐵路干線、平頂山、漯河、周口三市及豫皖平原，位置至為重要。水庫控制流域面積2740km2，其中昭平臺、白龜山水庫間流域面積1310km2，水庫多年平均降雨量900mm，多年平均徑流量4.23億立方米。水庫工程按百年一遇洪水設(shè)計(jì)，千年一遇洪水校核，1998年10月進(jìn)行了除險(xiǎn)加固工程，達(dá)到兩千年一遇洪水校核，總庫容達(dá)到9.22億立方米，是一座以防洪為主、兼顧農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)和城市供水綜合利用的大II型年調(diào)節(jié)半平原水庫。

2.1 雷達(dá)測線布設(shè)

圖2 探地雷達(dá)測線布置圖

本次探地雷達(dá)探測堤壩白蟻隱患測試段選取在白龜山水庫攔河壩3+500～4+000段坡面進(jìn)行。測線布置垂直于大壩壩坡面的方向布設(shè)（如圖2所示）。采用青島電波22所研制的LTD-2100型探地雷達(dá)并配合400MHZ和270MHZ天線對坡面進(jìn)行組合測試，數(shù)據(jù)采用連續(xù)探測的方式。

2.2 探測參數(shù)的確定

利用無損探測設(shè)備進(jìn)行探測，關(guān)鍵是獲得真實(shí)、直觀的圖像資料，而獲取有效信號的根本是數(shù)據(jù)采集。因此，在進(jìn)行探地雷達(dá)的數(shù)據(jù)采集階段，應(yīng)盡量選取適當(dāng)?shù)臏y量參數(shù)，以使所要了解的地下目標(biāo)能在圖像上有一個(gè)直觀、清晰地顯示。信號采集需選擇合適的技術(shù)參數(shù)，項(xiàng)目組根據(jù)白龜山水庫堤壩填壩材料（均質(zhì)土、雜填土、沙土）的介電特性，分別給出了優(yōu)化后的參數(shù)設(shè)置，如表1所示。

2.3 探地雷達(dá)圖像特征分析

由于白蟻筑巢和外出覓食將會對堤壩內(nèi)部產(chǎn)生一定范圍的影響，從而形成不密實(shí)區(qū)域。白蟻蟻巢在雷達(dá)時(shí)間剖面圖上的特征主要表現(xiàn)為雷達(dá)波的繞射，蟻巢的波形為向上凸起的弧形，圖形中的弧形為暗-亮-暗的組合，弧頂即為蟻巢的頂部位置。圖3為帶通濾波處理過后，白蟻蟻巢的雷達(dá)探測剖面異常特征。

通過對蟻巢雷達(dá)圖像特征的總結(jié)得出了蟻巢的雷達(dá)圖像特征：

2.3.1 均質(zhì)壩體和沙土壩體中由于填料相對均勻一些，因此在無缺陷壩段中雷達(dá)圖像中各等色線在同相軸上分別平行。

2.3.2 蟻巢由于雷達(dá)波的繞射，其波形為向上凸起的弧形，圖像為暗-亮-暗的組合，弧頂即為蟻巢的頂部位置。

2.3.3 石頭與周圍土體由于在雷達(dá)波上發(fā)生極性反轉(zhuǎn)，因此在圖像中與均質(zhì)土相比會比較亮，在圖像中是單一的亮顯示。

2.3.4 空洞在雷達(dá)圖像中顯示的波形比較雜亂，并且出現(xiàn)了暗反應(yīng)。

本次對試驗(yàn)段進(jìn)行探地雷達(dá)探測，共標(biāo)記了20處可能的異常點(diǎn)，經(jīng)過開挖驗(yàn)證，其中有12處是蟻巢（蟻巢在雷達(dá)圖像中的大小尺寸和實(shí)際尺寸對比如表1所示），其余8處均挖出有碎石和石頭。從表2中可以看出雷達(dá)圖像中顯示的異常位置的深度和實(shí)際的深度基本一致。

表1 白龜山水庫堤壩探地雷達(dá)探測白蟻參數(shù)組合

表2 蟻巢尺寸對比表

圖3 處白蟻蟻巢雷達(dá)圖像及開挖驗(yàn)證探測的深度

圖4 探測蟻巢深度與實(shí)際深度對比圖

3 結(jié)論

本次試驗(yàn)段選取在攔河壩3+500～4+000段，全程共500m，利用探地雷達(dá)技術(shù)共標(biāo)定了20處異常位置。經(jīng)過開挖驗(yàn)證以后有12處白蟻蟻巢。準(zhǔn)確率達(dá)到60%以上。并且雷達(dá)探測異常位置的深度值和實(shí)際的深度值基本一致。通過實(shí)際的開挖驗(yàn)證總結(jié)出了蟻巢、石頭、均質(zhì)土和空洞在雷達(dá)圖像上的特征，為無損探測技術(shù)在堤壩白蟻探測的應(yīng)用中提供了技術(shù)支持。

［1］鐘平生，張頌聲，李靜美.惠州紅花湖水庫堤壩白蟻的危害與滅治［J］.中華衛(wèi)生殺蟲藥械，2007，13（5）:376-377.

［2］李棟，田偉金，黎明，等.論白蟻管涌（漏）與水利管誦的區(qū)別和處理［J］.昆蟲學(xué)報(bào)，2013，47（5）：645-651.

［3］李棟，莊天勇.田偉金，等.白蟻管漏的成崮發(fā)冀處理［J］昆蟲知識，2001，38（3）：182.

［4］鄧世坤.探地雷達(dá)在水利設(shè)施現(xiàn)狀及隱患探測中的應(yīng)用［J］.物探與化探，2000（4）:81-82

［5］李大心.探地雷達(dá)方法與應(yīng)用［M］.北京：地質(zhì)出版社，1994：121.