組合物探手段在堤防質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用分析

黎 昱荊 昊徐 榮

（1.江蘇省工程勘測(cè)研究院有限責(zé)任公司，江蘇 揚(yáng)州 225002；2.揚(yáng)州市潤揚(yáng)河工程管理處，江蘇 揚(yáng)州 211404）

組合物探手段在堤防質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用分析

黎 昱1荊 昊2徐 榮1

（1.江蘇省工程勘測(cè)研究院有限責(zé)任公司，江蘇 揚(yáng)州 225002；2.揚(yáng)州市潤揚(yáng)河工程管理處，江蘇 揚(yáng)州 211404）

在潤揚(yáng)河堤防質(zhì)量檢測(cè)中，采用“以探地雷達(dá)法普查篩選異常部位，再以高密度地震映像法對(duì)普查發(fā)現(xiàn)的異常部位進(jìn)行詳查，最后以瑞雷面波法進(jìn)行驗(yàn)證”的組合物探方法，檢測(cè)手段不斷疊加，檢測(cè)成果質(zhì)量相互驗(yàn)證，組合檢測(cè)效果良好，形成了組合地球物理探測(cè)技術(shù)進(jìn)行堤防質(zhì)量檢測(cè)的技術(shù)體系。

堤防質(zhì)量檢測(cè)；組合物探；技術(shù)體系；檢測(cè)手段；擋水建筑物

堤防是常見的擋水建筑物，各類堤防在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。堤防工程多已完建，也有新建堤防工程，堤防工程本身結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定、堅(jiān)固耐用，主要受建設(shè)質(zhì)量約束。堤防為隱蔽工程，長期以來，堤防質(zhì)量檢測(cè)與評(píng)價(jià)方法仍沿用傳統(tǒng)開挖檢查和鉆孔取樣試驗(yàn)的常規(guī)技術(shù)。開挖檢查和鉆孔取樣試驗(yàn)都會(huì)對(duì)堤防造成一定的損害，而且開挖檢查和鉆孔取樣試驗(yàn)都只能以點(diǎn)帶面，很難全面掌握堤防沿線整體的質(zhì)量狀況。鑒于物探無損探測(cè)技術(shù)具有高精度、高分辨能力、探測(cè)成果彩色直觀和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)快速便捷等優(yōu)點(diǎn)，在堤防質(zhì)量檢測(cè)中有著越來越廣泛的應(yīng)用。物探技術(shù)種類繁多，方法原理不同，探測(cè)效果受地質(zhì)環(huán)境影響較大，探測(cè)成果有時(shí)存在較大差異，單一的物探手段很難獲得精準(zhǔn)的無損檢測(cè)數(shù)據(jù)。為了提高檢測(cè)成果質(zhì)量，往往需要采用多種物探手段組合進(jìn)行堤防質(zhì)量檢測(cè)。在潤揚(yáng)河堤防質(zhì)量檢測(cè)中，“以探地雷達(dá)法普查篩選異常部位，再以高密度地震映像法對(duì)普查發(fā)現(xiàn)的異常部位進(jìn)行詳查，最后以瑞雷面波法進(jìn)行驗(yàn)證”的組合物探方法進(jìn)行應(yīng)用研究，形成了組合地球物理探測(cè)技術(shù)進(jìn)行堤防質(zhì)量檢測(cè)的技術(shù)體系。

1 探查方法原理和參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1 探地雷達(dá)法

圖1 探地雷達(dá)工作原理圖

1.1.1 方法原理。探地雷達(dá)法是利用主頻106～109Hz波段的電磁波，以寬頻帶短脈沖的形式，由地面通過天線發(fā)射器發(fā)至地下，經(jīng)地下目標(biāo)體或地層的界面反射后返回地面，被雷達(dá)天線接收器所接收，通過對(duì)所接收的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行處理和圖像解譯，探測(cè)隱蔽介質(zhì)的分布和特征（圖1）。

電磁波在特定介質(zhì)中的傳播速度是不變的，因此根據(jù)探地雷達(dá)記錄的電磁波傳播時(shí)間ΔT，即可據(jù)下式算出異常介質(zhì)的埋藏深度H：

式中：V是電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，其大小由下式表示：

式中：C是電磁波在大氣中的傳播速度，約為3.0×108m/s；ε為相對(duì)介電常數(shù)，不同的介質(zhì)其介電常數(shù)亦不同。

雷達(dá)波反射信號(hào)的振幅與反射系數(shù)成正比，在以位移電流為主的低損耗介質(zhì)中，反射系數(shù)可表示為：

反射信號(hào)的強(qiáng)度主要取決于上、下層介質(zhì)的電性差異，電性差越大，反射信號(hào)越強(qiáng)。

1.1.2 實(shí)測(cè)參數(shù)選擇。根據(jù)本次探查工作的需要，采用了低頻組合天線，低頻組合天線的工作頻率為80MHz，儀器主要工作參數(shù)設(shè)置如下：

表1 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集參數(shù)

現(xiàn)場(chǎng)探查方式采用天線沿布置測(cè)線貼地面連續(xù)探查，天線移動(dòng)速率約為0.4m/s。

1.2 高密度地震映像法

1.2.1 方法原理。高密度地震映像法是以相同的小偏移距逐步移動(dòng)單點(diǎn)接收地震信號(hào)，對(duì)地下地層或地下目的物進(jìn)行連續(xù)掃描，利用彈性波信息來探查地下介質(zhì)變化的淺層地震勘探方法。當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)密度、速度、泊松比等彈性特征參數(shù)具有差異時(shí)，彈性波遇到彈性分界面或彈性突變點(diǎn)將發(fā)生反向或繞射和產(chǎn)生頻散現(xiàn)象。該法是利用反射波和繞射波的特性，記錄波的旅行時(shí)間和動(dòng)力學(xué)特征，反演介質(zhì)的物性參數(shù)，獲取物性分界面或突變點(diǎn)的雙程旅行時(shí)間和埋深（圖2）。

圖2 高密度地震映像工作原理圖

對(duì)于高密度地震映像法而言，其反射波旅行時(shí)間為：

式中：x0為炮檢距；t0為雙程旅行時(shí)間。當(dāng)反射界面為水平界面時(shí)，其時(shí)距曲線為一直線。

1.2.2 參數(shù)選擇。本次高密度地震映像法采用28Hz的縱波檢波器，野外觀測(cè)采用小偏移距單道接收技術(shù)，布設(shè)觀測(cè)點(diǎn)間距為0.5m，炮檢偏移距10.0m，錘擊震源，采樣時(shí)間2ms，采樣點(diǎn)數(shù)2048，數(shù)據(jù)采集時(shí)采用全通模式。

1.3 瑞雷面波法

1.3.1 方法原理。依據(jù)彈性動(dòng)力學(xué)理論，在地面上瞬態(tài)震源作用下，將產(chǎn)生一定頻率范圍、以震源點(diǎn)垂線為軸對(duì)稱的不均勻柱面瑞雷波向四周傳播，它是縱波和橫波在地表面相互干涉疊加出現(xiàn)的波型轉(zhuǎn)換結(jié)果，形成質(zhì)點(diǎn)按一定的橢圓軌道逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)軌跡的振動(dòng)，其能量主要集中在地表及其附近。在二維坐標(biāo)系中，設(shè)垂直方向?yàn)閆軸，水平方向?yàn)閄軸，坐標(biāo)原點(diǎn)位于地面震源，其質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移分量分別為：

式中：kR為瑞雷面波波數(shù)；kp、kS分別為縱波和橫波波數(shù)；w為圓頻率；t為時(shí)間變量；A為地面處振幅。

面波勘探的核心問題是要利用頻散現(xiàn)象準(zhǔn)確地獲得不同頻率面波的相速度VR，同一頻率的VR在水平方向的變化反映出地質(zhì)條件的橫向不均勻性，不同頻率的瑞雷波速度VR的變化則反映出介質(zhì)在深度方向的不均勻性，因此該方法揭示地下結(jié)構(gòu)分布在物探方法中具有一定的優(yōu)越性。

圖3 瞬態(tài)瑞雷波勘探法工作原理示意圖

瑞雷面波法探查方法如圖3所示，相距震源一定的距離處，在震源至接收點(diǎn)處的連線方向上放置一個(gè)接收排列，各接收道間距為Δx，由位移分量式（4）可知，相鄰接收道間的初至?xí)r間差為：

相位差應(yīng)為：

從而得到頻率為f的瑞雷面波波速計(jì)算式：

或：

式中：Df為相鄰接收道間面波的振動(dòng)相位差；Δt為相鄰接收道間面波的初至?xí)r間差。

在觀測(cè)排列范圍內(nèi)的平均波速為：

或：

式中：N為觀測(cè)排列的接收道數(shù)；Δti為第i個(gè)道間距的時(shí)間差；Dij為初相位差。

由此可見：對(duì)接收的瞬態(tài)瑞雷面波振動(dòng)波形，通過頻譜分析、FK交換和提出面波基階模態(tài)的頻散曲線方式，獲取不同頻率所對(duì)應(yīng)的波長λ和瑞雷面波波速，即λ-VR曲線，從而獲取不同深度的面波速度，h-VR關(guān)系曲線，實(shí)現(xiàn)所謂的彈性波頻率測(cè)深。

基于瑞雷面波理論，通過擬合反演的方式，可得到觀測(cè)點(diǎn)處垂向瑞雷面波波速的分布，結(jié)合不同巖土層對(duì)應(yīng)于不同的瑞雷面波速度特性，對(duì)不同波速的介質(zhì)賦予地質(zhì)屬性的解釋，從而實(shí)現(xiàn)垂向巖土層勘探的目的。

1.3.2 參數(shù)選擇。本次瑞雷面波法外業(yè)觀測(cè)采用瞬態(tài)多道面波檢測(cè)技術(shù)，其試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)為：采用單邊錘擊排列觀測(cè)裝置，每個(gè)排列24道接收，道間距的選擇原則：2/3λR＜道間距＜λR，檢波器選用頻率由探查深度式：H＝VR/2f估算，根據(jù)堤防探查深度的要求，控制探查深度≤20m。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比后，確定采用的試驗(yàn)參數(shù)如表2所示：

表2 試驗(yàn)參數(shù)

2 場(chǎng)地土層

場(chǎng)地鉆探深度范圍內(nèi)所揭示的土層，按其成因類型及土的性狀自上而下主要分以下各層：A層（Q4

ml）：人工堆土，為灰、黃灰色中、重粉質(zhì)壤土雜輕粉質(zhì)砂壤土，局部為粉質(zhì)黏土。γd＝14.7kN/m3，c＝12.8kPa，φ＝12.3°，平均水平滲透系數(shù)為3.24×10-5cm/s，具弱透水性，抗沖刷能力一般。

1層（Q4pr）：灰、黃灰色重粉質(zhì)壤土，表層為耕作土，平均層厚1.0m，主要分布于農(nóng)田處。γd＝14.7kN/m3，c＝14.0kPa，φ＝11.7°，水平滲透系數(shù)為1.57×10-5cm/s，具弱透水性，抗沖刷能力較差。

2層（Q4al＋pl）：灰色淤泥質(zhì)中、重粉質(zhì)壤土，夾薄層輕粉質(zhì)砂壤土，或與之互層、互夾，局部夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，場(chǎng)地普遍分布，為場(chǎng)地分布的軟弱土。γd＝12.3kN/m3，c＝7.9kPa，φ＝8.5°，平均水平滲透系數(shù)為5.53×10-5cm/s，具弱透水性，抗沖刷能力較差。

2-1層（Q4al＋pl）：灰色輕粉質(zhì)砂壤土夾淤泥質(zhì)中、重粉質(zhì)壤土，局部為互層，局部地段為粉、細(xì)砂夾淤泥質(zhì)中粉質(zhì)壤土，飽和，土質(zhì)不均，平均層厚8.3m。γd＝13.3kN/m3，c＝7.7kPa，φ＝12.7°，平均水平滲透系數(shù)為2.36×10-4cm/s，具中等透水性，抗沖刷能力較差。

2-2層（Q4al＋pl）：灰色粉、細(xì)砂，夾薄層中、重粉質(zhì)壤土，局部為互層，一些地段為輕粉質(zhì)砂壤土夾粉砂和中粉質(zhì)壤土，飽和，土質(zhì)不均，平均層厚6.6m，場(chǎng)地多數(shù)地段有揭示。γd＝14.3kN/m3，c＝4.4kPa，φ＝21.0°，平均水平滲透系數(shù)為1.25×10-3cm/s，具中等透水性，抗沖刷能力較差。

3 測(cè)線布置

《堤防隱患探測(cè)規(guī)程》（SL436-2008）第3.2.2條規(guī)定：“當(dāng)?shù)添攲挾炔淮笥?m時(shí)，宜沿堤頂中線或迎水面堤肩布置一條測(cè)線；當(dāng)?shù)添攲挾却笥?m時(shí)，宜沿迎水面和背水面堤肩各布置一條測(cè)線?！庇捎跐檽P(yáng)河堤防堤頂寬度均大于4m，因此本次探查工作在堤頂迎水坡和背水坡兩側(cè)堤肩各布置了一條順堤的測(cè)線，測(cè)線布置詳細(xì)位置見圖4、圖5和圖6所示:

圖4 潤揚(yáng)河堤防隱患探查測(cè)線布置示意圖

圖5 儀揚(yáng)河閘段堤防隱患探查測(cè)線布置示意圖

圖6 江堤段堤防隱患探查測(cè)線布置示意圖

4 檢測(cè)成果

潤揚(yáng)河堤防填筑以壤土為主，若堤防填土的顆粒分布均勻，孔隙率與含水率相近，經(jīng)過壓實(shí)后土體的密實(shí)性良好，雷達(dá)電磁波或地震波在均勻填土中傳播時(shí)速度相近，反射波同相軸連續(xù)性較好，視頻率由高到低變化，介質(zhì)電性差異較小，因此振幅變化不明顯。當(dāng)?shù)谭捞钔羶?nèi)介質(zhì)出現(xiàn)土質(zhì)分布不均勻、含水率、孔隙率等變化較大，導(dǎo)致該處填土的介質(zhì)電（波）常數(shù)相對(duì)于周圍填土變化較大時(shí)，電磁波或地震波傳播到異常土體時(shí)，反射系數(shù)產(chǎn)生變化，反射信號(hào)也有明顯變化，與周圍較均質(zhì)的填土的雷達(dá)電磁波或地震波探查信號(hào)存在明顯差異，分析電磁或地震反射波的波形特征，從而識(shí)別填土異常體的性質(zhì)和分布規(guī)模。在潤揚(yáng)河堤防質(zhì)量檢測(cè)中先用探地雷達(dá)法普查，圈定異常，再用高密度地震映像法對(duì)普查發(fā)現(xiàn)的異常進(jìn)行詳查，最后利用瑞雷面波法進(jìn)行驗(yàn)證，檢測(cè)手段不斷疊加，檢測(cè)成果質(zhì)量相互驗(yàn)證，組合檢測(cè)效果良好。

4.1 堤防隱患雷達(dá)圖像特征

圖7是西堤迎水坡K2＋000～K2＋016雷達(dá)探查剖面圖像，探查結(jié)果顯示在該段剖面局部存在填土松散體，樁號(hào)為西堤迎水坡K2＋002～K2＋014，深度為2.5～4.5m，該異常段的填土相對(duì)于周圍填土欠密實(shí)，相對(duì)較松散，但含水率低，在雷達(dá)探查剖面圖上反映明顯。

圖7 西堤迎水坡K2＋000～K2＋016雷達(dá)剖面圖

4.2 高密度地震映像法探查成果

圖8為西堤迎水坡K2＋000～K2＋017段的高密度地震映像探查剖面圖像。通過對(duì)地震波相的識(shí)別，在西堤迎水坡K2＋000～K2＋017段的堤防斷面上，人工填土層的地震波同相軸出現(xiàn)了下陷，推斷為堤防填土層土質(zhì)松散，導(dǎo)致地震波傳播速度降低，傳播的時(shí)間變長，因此地震波同相軸下陷。

圖8 西堤迎水坡K2＋000～K2＋017高密度地震映像剖面圖

4.3 瑞雷面波法探查成果

圖9為西堤迎水坡K1＋996～K2＋020瑞雷面波剖面圖，圖中不同的顏色表示相應(yīng)的面波速度。圖中圈出的區(qū)域的面波速度相對(duì)周圍土體較低，表示該部位土體相對(duì)較松散。

圖9 西堤迎水坡K1＋996～K2＋020瑞雷面波剖面圖

通過西堤迎水坡K2＋000～K2＋016的雷達(dá)探查剖面圖像、高密度地震映像探查剖面圖像、瑞雷面波剖面圖，檢測(cè)效果逐次清晰，成果辨識(shí)度高，可以明顯地看出在K2＋002～K2＋014段堤身填土壓實(shí)度不夠，深度為2.5～4.5m。

5 結(jié)語

探地雷達(dá)檢測(cè)方法不需要布置檢波器，具有快速、便利的特點(diǎn)，適宜與堤防全線質(zhì)量普查，高密度地震映像法和瑞雷面波法需布置測(cè)線和檢波器，工效較差，但其成果圖像更加清晰、直觀，適宜與局部異常部位進(jìn)行詳查。探地雷達(dá)法普查篩選異常部位，再以高密度地震映像法對(duì)普查發(fā)現(xiàn)的異常部位進(jìn)行詳查，最后以瑞雷面波法進(jìn)行驗(yàn)證的組合物探方法，技術(shù)方法設(shè)計(jì)合理，檢測(cè)效果顯著，能夠滿足堤防質(zhì)量檢測(cè)的任務(wù)要求。無論是新建堤防質(zhì)量檢測(cè)，還是老舊堤防隱患探測(cè)，無損物探組合檢測(cè)技術(shù)都是可行的，可針對(duì)不同的地質(zhì)環(huán)境條件，選用適宜的檢測(cè)手段。潤揚(yáng)河堤防質(zhì)量檢測(cè)，采用組合檢測(cè)技術(shù)，檢測(cè)成果直觀、可靠，該組合檢測(cè)技術(shù)在水利工程中具有良好的應(yīng)用推廣價(jià)值。

[1]謝華萍，何繼雙．淺析堤防工程堤身填筑施工質(zhì)量控制[J]．低碳世界，2014，（9）.

[2]丁凱．地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在隱蔽工程質(zhì)檢評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究[D]．吉林大學(xué)，2007．

（責(zé)任編輯：蔣建華）

TV698

1009-2374（2017）07-0068-03

10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.07.032

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