綜合物探法在城市堤防滲漏隱患探測中的應(yīng)用*

(1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210024；2.河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇 南京 211100)

近些年來，我國的城市建設(shè)得到了空前的發(fā)展，完成了大批的基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目。城市的地位愈發(fā)重要，對(duì)城市防洪能力的要求也越來越高。堤防作為一種長期的防洪措施是防洪體系的重要組成部分，城市防洪主要依靠城市內(nèi)河道兩岸的堤防，堤防對(duì)城市防洪的重要性不言而喻。

我國許多重要城市，尤其是其老城區(qū)內(nèi)的堤防建設(shè)年代久遠(yuǎn)，大多數(shù)為早期人工填筑或在老堤防基礎(chǔ)上除險(xiǎn)加高而成，堤身密實(shí)度低，加之服役時(shí)間長，堤身存在洞穴、裂縫、軟弱松散體等病害，嚴(yán)重破壞了堤防結(jié)構(gòu)。近些年我國遭受的洪澇災(zāi)害明顯增多，當(dāng)?shù)谭栏咚贿\(yùn)行時(shí)，在其薄弱環(huán)節(jié)極易產(chǎn)生滲漏、管涌、滑坡等險(xiǎn)情，對(duì)城市的防洪安全構(gòu)成了極大的威脅，對(duì)這些堤防進(jìn)行全線隱患檢測和排查是一項(xiàng)急迫重要的任務(wù)。

堤防隱患探測采用的主要方法有高密度電法、瞬變電磁法、探地雷達(dá)法、瞬態(tài)面波法、淺層地震法、自然電場法、示蹤法等，經(jīng)過許多研究者的實(shí)際應(yīng)用，認(rèn)為效果較好的是高密度電法、探地雷達(dá)法、瞬變電磁法、瞬態(tài)面波法[1-2]，這些方法各具優(yōu)勢，適用于不同的隱患類型和場地條件[3]。

對(duì)于城市堤防，其主要的病害類型是滲漏[4]，滲漏會(huì)導(dǎo)致土體含水率升高，進(jìn)而使土體電阻率降低[5]，利用高密度電法，通過探測堤防土體電阻率值的分布差異來檢測堤防滲漏具有良好的物理基礎(chǔ)。很多城市堤防處于人口、建筑密集的區(qū)域，場地內(nèi)干擾物較多，地下結(jié)構(gòu)和管線分布較復(fù)雜，這會(huì)影響到物探測線的布置和探測的準(zhǔn)確度，而探地雷達(dá)具有操作靈活、速度快、精度高的特點(diǎn)，適用于城市堤防隱患探測，考慮到城市堤防所處環(huán)境的復(fù)雜性，采用單一的物探方法可能會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，本文采用高密度電法和探地雷達(dá)法結(jié)合的綜合物探法對(duì)城市堤防隱患進(jìn)行探測，兩種方法相互補(bǔ)充、相互參照，為城市內(nèi)堤防隱患探測的研究提供新思路。

城市堤防所處的物探環(huán)境較為復(fù)雜，目前對(duì)于城市內(nèi)堤防隱患探測的研究文獻(xiàn)極少，但在非城市堤防隱患探測方面，我國學(xué)者開展了一系列理論和試驗(yàn)研究。底青云等[6]將高密度直流電阻率法用于珠海堤壩隱患探測，曾提等[7]對(duì)利用地質(zhì)雷達(dá)探測堤壩隱患的有效性進(jìn)行了研究，冷元寶[8]進(jìn)行了大量的堤防探測工作與開挖驗(yàn)證對(duì)比，總結(jié)出一系列寶貴的經(jīng)驗(yàn)公式。陳勇[9]采用綜合物探法對(duì)堤壩的滲漏通道進(jìn)行了探測，取得了良好的效果。陸俊等[10]利用綜合物探法對(duì)大泉水庫堤壩白蟻隱患進(jìn)行了探測，成功探明了白蟻巢穴的位置和埋深。葛雙成[11]等利用高密度電法和探地雷達(dá)法對(duì)水庫的滲漏隱患進(jìn)行了成功探測。

1 工作原理

高密度電法是人工向地下施加穩(wěn)定直流電場，研究地下介質(zhì)電阻率在空間上的分布特點(diǎn)和變化規(guī)律的一種物理勘探方法，可達(dá)到探明地下構(gòu)造和地下電性不均勻體的目的。

如圖1所示，A、B為供電電極，M、N為測量電極，供電電極輸入電流I，根據(jù)兩個(gè)異性點(diǎn)電流源的電流場分布特征，由疊加原理可得到M、N兩點(diǎn)的電勢，進(jìn)而求出兩點(diǎn)的電位差:

(1)

由此可求得電阻率：

(2)

圖1 高密度電法工作原理

高密度電法集剖面和測深于一體，在斷面以一定極距布置多個(gè)電極，利用電纜將電極與程控式多路電極轉(zhuǎn)換開關(guān)連接，之后可自動(dòng)記錄采集數(shù)據(jù)，通過微機(jī)工程電測儀將數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，通過數(shù)據(jù)和正反演處理，得出斷面視電阻率剖面圖、等值線圖等結(jié)果，可以直觀地反映除地下巖土體不同電性的分布特征。

探地雷達(dá)法是由發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁波，利用地下介質(zhì)對(duì)電磁波的不同反應(yīng)來分辨地下介質(zhì)特征的一種探測技術(shù)。當(dāng)電磁波在地下傳播時(shí)，介質(zhì)的屬性、電性、形狀變化會(huì)導(dǎo)致電磁波的頻率、振幅、相位等頻譜參數(shù)產(chǎn)生變化并產(chǎn)生反射，由接收天線接收，通過識(shí)別雷達(dá)波所產(chǎn)生的波形參數(shù)變化，達(dá)到對(duì)地下目標(biāo)體探測的目的。

當(dāng)?shù)谭劳馏w較密實(shí)均勻時(shí)，雷達(dá)反射波同相軸連續(xù)，波形穩(wěn)定，頻率均一，振幅一致性較好。當(dāng)?shù)躺泶嬖诋惓Ｈ毕?，如滲漏時(shí)，缺陷位置的雷達(dá)波將和周圍產(chǎn)生明顯差異，如同相軸不連續(xù)，出現(xiàn)散射和繞射等雜波，波形雜亂無序，振幅變強(qiáng)，頻率變低，多次反射等。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)

南河右岸堤防為土質(zhì)堤防，因建設(shè)年代久遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)資料匱乏，堤頂高程約11.0m，堤后小區(qū)進(jìn)出路面高程8.4～10.5m，堤頂被辦公用房和圍墻分割為塊狀區(qū)域，迎水面為混凝土護(hù)坡，背水坡被削坡處理，坡面改造成直立擋墻，堤防斷面極不規(guī)整。堤防附近地下市政雨污管路、電纜信號(hào)線路密集，復(fù)雜的地形使得物探測線難以合理布置，干擾源多加大了對(duì)探測結(jié)果的解讀難度。堤防平面布置見圖2。

圖2 測線平面布置

通過地質(zhì)勘查知，堤防所在場地地層由上至下分為：?素填土，主要由黏性土組成，層厚2.4～7.2m；?淤泥質(zhì)土，主要為淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土，層厚14.60～18.50m；?含細(xì)粒土砂，夾粉土、淤泥質(zhì)土薄層。該層未揭穿，最大可見厚度26.60m。

在詳細(xì)查勘現(xiàn)場地形和熟知物探方法的基礎(chǔ)上，利用高密度電法對(duì)滲漏低阻的高敏感性和探地雷達(dá)法操作靈活、精度高的優(yōu)點(diǎn)，通過綜合物探技術(shù)對(duì)該段堤防進(jìn)行滲漏隱患探測，兩種方法相互補(bǔ)充，以提高探測結(jié)果的準(zhǔn)確性，重點(diǎn)探測堤段為K0+000～K0+100。

3 探 測

3.1 測線布置

3.1.1 高密度電法

在堤防背水側(cè)直立擋墻與小區(qū)進(jìn)出道路之間的狹長人行道上布置一條測線(0號(hào)測線)，平行堤軸線。測線起始樁號(hào)為K0+000～K0+160，電極陣列方式為溫納排列，電極距為2.0m。

3.1.2 探地雷達(dá)法

因堤頂辦公區(qū)內(nèi)圍墻間隔，此次雷達(dá)測線布置分為兩個(gè)區(qū)段：辦公管理區(qū)段(南區(qū))和籃球場段(北區(qū))。分別在南、北區(qū)堤頂布置縱向測線，共4條測線，編號(hào)為1～4號(hào)，測線布置特性見下表，平面布置見圖2，現(xiàn)場儀器布設(shè)情況見圖3。

綜合物探法測線布置特性表

圖3 儀器布置

3.2 探測結(jié)果

高密度電法選擇溫納裝置，采用RES2DINV反演軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，反演方法采用標(biāo)準(zhǔn)高斯-牛頓最小二乘法，對(duì)最小二乘法的模型修改矢量進(jìn)行圓滑約束，并減小數(shù)據(jù)噪聲敏感性，以提高堤防視電阻率的計(jì)算精度，得出堤防土體視電阻率分布的反演二維剖面圖(見圖4)，橫軸為樁號(hào)，縱軸為高程，南河水位約為7.0m。

由圖4可看出，探測范圍內(nèi)土體電阻率整體成層性較差，視電阻率等值線梯度變化較大，可見堤身及堤基土體整體均勻性差。地面下1.5m范圍內(nèi)整體呈現(xiàn)為高阻帶，存在小范圍高阻閉合圈，未見明顯低阻，主要因該層為道路和路基，介質(zhì)壓實(shí)度較高，含水量小。經(jīng)驗(yàn)證，地表K0+088～K0+100段的兩處小范圍的高阻閉合圈為地下管道。

在堤防浸潤線以下，高程0～7.0m，主要為少量素填土和淤泥質(zhì)土，共存在三處較為明顯的低阻異常區(qū)：?K0+022～K0+042，高程1.0～6.1m；?K0+050～K0+062，高程2.0～5.5m；?K0+068～K0+081，高程0.0～5.5m。

其中K0+022～K0+042段土體視電阻率值在5～9Ω·m之間，視電阻率值較低，說明該區(qū)域土體含水量較高。K0+050～K0+060段土體視電阻率值在2～5Ω·m之間，視電阻率值低，土體含水量高，可能存在滲漏。K0+070～K0+081段土體視電阻率值相對(duì)最低，1～5Ω·m之間，形成規(guī)則的低阻閉合圈，現(xiàn)場查勘路面冒水位置處于K0+074，故推斷該處存在滲漏。

圖4 0號(hào)測線反演視電阻率剖面

對(duì)1～4號(hào)堤頂雷達(dá)測線數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，得出雷達(dá)典型特征波形圖(見圖5～圖8)。由1號(hào)和3號(hào)測線雷達(dá)圖像可看出，堤身素填土和堤基淤泥質(zhì)土的分界反射面較為明晰，K0+034～K0+044段堤頂向下2.0～6.0m范圍內(nèi)雷達(dá)反射波強(qiáng)度增大，波形紊亂，振幅增強(qiáng)，與其他區(qū)段形成明顯的電性差異，推斷該區(qū)域土體富水。圖7中，2號(hào)測線表明在樁號(hào)K0+022～K0+029段深度6.0～12.5m、樁號(hào)K0+034～K0+044段深度6.0～13.5m范圍內(nèi)，雷達(dá)反射波強(qiáng)度增大，波形紊亂，振幅增強(qiáng)，形成明顯差異，推斷該處土體富水。三條測線結(jié)果一致性較好，與0號(hào)測線K0+022～K0+042段的低阻異常區(qū)水平位置基本吻合。

圖5 1號(hào)測線雷達(dá)波形

圖6 3號(hào)測線雷達(dá)波形

圖7 2號(hào)測線反演視電阻率剖面

圖8 4號(hào)測線反演視電阻率剖面

由圖8可知，4號(hào)測線表明在樁號(hào)K0+056～K0+060段深度5.0～11.0m以及樁號(hào)K0+065～K0+068深度6.0～12.5m范圍內(nèi)，雷達(dá)反射波增強(qiáng)，振幅增大，推斷該處土體含水率相對(duì)偏高，與0號(hào)測線樁號(hào)K0+050～K0+060處的低阻異常區(qū)水平位置基本吻合。

通過對(duì)0～4號(hào)測線探測結(jié)果的綜合分析，推斷堤防滲漏隱患位置為：?K0+022～K0+044，高程-2～9.6m；?K0+050～K0+060，高程0.5～6.5m；?K0+070～K0+081，高程0.0～5.5m。在之后的防滲處理中，采用鉆孔的方式對(duì)滲漏區(qū)域進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果和探測結(jié)論基本一致。

4 結(jié) 論

采用高密度電法和探地雷達(dá)法的綜合物探技術(shù)對(duì)處于復(fù)雜物探環(huán)境下的城市堤防進(jìn)行了滲流隱患探測，結(jié)合地勘資料和現(xiàn)場險(xiǎn)情的表現(xiàn)特征，基本查明了滲漏隱患的位置、范圍和埋深，為堤防的防滲處理提供了重要依據(jù)。

a.高密度電法可以較好地反映堤防水平和垂直方向的電性分布，對(duì)低電阻率異常具有高敏感性，對(duì)探測土堤滲漏隱患具有較好的效果，探測數(shù)據(jù)豐富、抗干擾能力強(qiáng)，結(jié)果直觀，便于資料解讀，但儀器布設(shè)易受場地的限制。

b.探地雷達(dá)法具有探測速度快、操作靈活、探測精度高的特點(diǎn)，可采用不同類型的天線對(duì)不同埋深的目標(biāo)體進(jìn)行有效識(shí)別，適用于復(fù)雜地質(zhì)和地形條件下的城市堤防隱患探測。

c.對(duì)于復(fù)雜環(huán)境下的城市堤防，根據(jù)各物探方法的原理和試用條件，采用綜合物探技術(shù)可以相互補(bǔ)充、相互參照，克服單一方法的局限性，較大消除資料解讀的多解性，結(jié)合地質(zhì)資料，必要時(shí)鉆孔驗(yàn)證，可大大提高隱患探測的準(zhǔn)確性，是城市堤防滲漏隱患探測的一種有效方法。