堤岸隱患探測中的地球物理方法及應(yīng)用

栗寶鵑，劉棟臣，張美多，王志豪，杜長青

( 中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司勘察院，天津 300222)

1 引 言

堤岸隱患指由于自然或人為等因素作用所產(chǎn)生的潛在影響堤岸工程安全的險情因素，主要包括天然地質(zhì)缺陷、施工質(zhì)量缺陷、生物破壞洞穴、沖刷磨蝕裂縫、堤岸搶險堵口遺留的對安全不利物質(zhì)等，其顯著特征是與周邊介質(zhì)物性特征存在差異性[1-3]。截至2017年底，我國有大中型水庫9萬6千余座，江河湖泊堤防31萬km，這些水庫及堤防等在防洪、供水、灌溉等方面發(fā)揮著重要的作用。我國江河堤防基本以人工填筑為主，隨著時間的流逝和水流的沖蝕，水庫堤岸、堤防等水利工程設(shè)施存在各種安全隱患，嚴(yán)重威脅堤壩工程的運行安全，因此，定期、定點探測就變得尤為重要。目前，對堤岸隱患進行探測的地球物理方法以電磁法探測[2-8]、電法探測[1-4,7-10]、彈性波探測[2-7,11-13]、流場法[3]及放射性探測[2,4]為主。

黃河故道經(jīng)由“侵泗奪淮”形成，堤岸底部是洪泛泥沙沉積形成的洪積層，頂部是人工填土層，因此普遍存在洞穴、裂縫、松散體、脫空區(qū)等安全隱患。兼之黃河故道為高于兩岸的“懸河”，一旦發(fā)生散浸、管涌、垮塌等險情，不僅影響堤岸工程的安全運行，還容易造成周邊居民的生命和財產(chǎn)損失，因此，本文擬對黃河故道堤岸隱患進行探測，并對其探測方法及實施效果進行探討。通過對黃河故道堤岸隱患探測方法及應(yīng)用效果進行研究，確定隱患類型、位置、尺度及特征，并為堤岸工程維護提供數(shù)據(jù)服務(wù)和決策支持。

2 研究方法和技術(shù)路線

從探測方法角度而言，“多類型方案設(shè)計”、“高密度測線布設(shè)”、“多探點鉆孔資料”是實現(xiàn)高準(zhǔn)確度、高精確度堤岸隱患探測的基礎(chǔ)，鉆探資料雖可以實現(xiàn)堤岸隱患的精確定位及精細(xì)勘察，但鉆探過程需要消耗較多的人力、物力和財力，且 “一孔之見”難以全面揭示目標(biāo)堤岸段的隱患分布，不適于“長距離”、“多期次”的堤岸隱患探測。因此，以現(xiàn)有地質(zhì)資料為基礎(chǔ)，分析目標(biāo)隱患地球物理參數(shù)的差異性，采用不同類型地球物理方法進行綜合探測，實現(xiàn)針對目標(biāo)的逐級篩選和逐步確定，雖達不到鉆探方法的探測精度，但該方法是基于“多類型方案設(shè)計”、“高密度測線布設(shè)”思想進行快速、精細(xì)、準(zhǔn)確、無損堤岸隱患探測的技術(shù)基礎(chǔ)。

從探測目標(biāo)角度而言，黃河故道堤岸主要是由第四紀(jì)松散層和人工填土層組成，探測目標(biāo)主要是洞穴、裂縫、松散體與脫空區(qū)等不良地質(zhì)現(xiàn)象，因此，其物性特征與周圍介質(zhì)存在明顯的差異性。結(jié)合以往工程經(jīng)驗，在充分考慮黃河故道堤岸的工程地質(zhì)條件的情況下，根據(jù)理論分析和方法有效性試驗結(jié)果，分析探測目標(biāo)與周圍介質(zhì)在密度、波速、及介電常數(shù)和電阻率等物性參數(shù)的差異性(表1)，具備開展基于電性、彈性參數(shù)差異的探地雷達法、高密度電阻率法、瞬態(tài)瑞雷面波法等物探方法探測的前提。

表1 物性參數(shù)

針對探測目標(biāo)地球物理參數(shù)的差異性，本文首先采用探地雷達法對河堤兩岸進行普探，根據(jù)相對介電常數(shù)的大小及波阻抗界面的強弱確定堤岸隱患的存在及位置；然后，以雷達資料解譯結(jié)果為基礎(chǔ)，采用高密度電阻率法進行進一步的詳查，根據(jù)電阻率數(shù)值對目標(biāo)進行深入的判斷，驗證隱患的存在并確定探測深度；最后，根據(jù)探地雷達法與高密度電阻率法綜合判斷的結(jié)果，引入縱波速度這一物性參數(shù)，采用瑞雷面波法對上述位置進行復(fù)測，驗證探測深度并推斷是否存在滲漏水異常。

2.1 探地雷達法探測

探地雷達是一種用于探測地下結(jié)構(gòu)、異常及埋設(shè)物的無損探測設(shè)備，其理論基礎(chǔ)是電磁波傳播原理。探地雷達法是一種用于地球淺表成像的地球物理方法，該方法采用發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁波，當(dāng)電磁波遇到存在電性(比如介電常數(shù)、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等)差異的界面時，會發(fā)生反射或折射現(xiàn)象，同時介質(zhì)對電磁波也會產(chǎn)生吸收濾波或散射作用，接收天線接收并記錄來自地下的電磁波信號，經(jīng)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和圖像識別之后，對探測目標(biāo)進行合理的推斷和解釋(圖1)。

圖1 探地雷達測試原理示意Fig.1 Schematic diagram of GPR testing principles

探地雷達法的具體實現(xiàn)過程可通過以下公式進行表現(xiàn)，其中，電磁波在地下傳播的時間公式如下：

(1)

式中，h為裂縫深度(m);x為發(fā)射天線和接收天線之間的距離(m)；v為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度(m/ns)。

電磁波在介質(zhì)中的傳播速度如下：

(2)

式中，c為電磁波在真空的傳播速度(0.3 m/ns);εr為介質(zhì)的相對介電常數(shù);ur為介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率，在空氣等非磁性物質(zhì)中近似為1。

綜上可知，電磁波傳播的異常性取決于在介質(zhì)中傳播的差異性。介質(zhì)的電性特征主要由電導(dǎo)率σ和介電常數(shù)εr決定。電導(dǎo)率σ主要決定電磁波探測深度，在電導(dǎo)率一定的前提下，介電常數(shù)εr主要決定電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。

當(dāng)電磁波遇到介電常數(shù)明顯變化的界面時，將會發(fā)生反射和透射現(xiàn)象，其反射和透射能量主要與界面的反射系數(shù)有關(guān)：

(3)

式中，R為界面的電磁波反射系數(shù)，ε1為第一層介質(zhì)的相對介電常數(shù)；ε2為第二層介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

探地雷達法現(xiàn)場實施便捷、探測速度快、工作效率高，在頻率選擇恰當(dāng)?shù)那疤嵯?，可?zhǔn)確鎖定堤岸隱患的存在及位置，具有良好的工程應(yīng)用效果。

2.2 高密度電阻率法探測

高密度電阻率法具體實現(xiàn)過程如下：通過電極將直流電通往地下，建立穩(wěn)定的人工電場，然后觀測同一深度不同位置或同一位置不同深度的電阻率變化規(guī)律，根據(jù)電阻率數(shù)值大小及曲線形態(tài)的變化特征推測隱患空間分布。與常規(guī)電阻率方法相比，高密度電阻率法是一種陣列式電阻率測量方法，在測量過程中，將全部電極布設(shè)在有一定間隔的測點上進行觀測，由此可以通過一次測量得到更多的信息。

電極布置如圖2所示，A、B為供電電極，M、N為測量電極，由供電電極輸入電流I，假設(shè)在均勻半空間表面上，在距一個電源距離為L處的電勢為：

(4)

式中，ρ為視電阻率(Ω·m)；I為電流(A)；U為電位差(V)。

高密度電阻率法排列方式很多，常用的有溫納排列、施倫貝謝排列、偶極排列等。以溫納裝置布設(shè)(圖3)為例，根據(jù)電流場分布特性，可得兩點之間的電位差如下：

(5)

由此可計算求出視電阻率ρ：

(6)

式中，K為裝置系數(shù)。

圖3 溫納排列方式Fig.3 Wenner arrangement

在測量過程中，溫納排列AM=MN=NB，相互間隔為一個電極間距，通過A、B、M、N逐點向右移動，得到一條剖面線；四個電極分別按照同序、等電極間距(一個電極距)逐次向右移動，得到另一條剖面線，通過不斷掃描測量，最終得到“倒梯形斷面”。對測量進行處理并反演分析得到視電阻率分布圖，由此為技術(shù)人員解釋和分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

長距離探測、覆蓋式測量與高密度測點為該方法主要特點，鑒于電測深法主要用于解決與深度相關(guān)的地質(zhì)問題，如分層探測、異常探測等，電剖面法主要用于探測地層、巖性在水平方向的變化。除此之外，高密度電阻率法還具有如下特征：①具有電測深和電剖面的雙重特點，即一次探測可以完成二維探測過程；②對地電結(jié)構(gòu)具有一定成像功能，不僅可獲得豐富的地質(zhì)信息，其結(jié)果在成果圖上均有直觀反映。

綜上所述，高密度電阻率法除具有方法簡單、探測速度快、探測成本低的特點之外，還能明確探測深度，適用于堤岸隱患詳查階段的探測。鑒于堤岸隱患在深度與水平方向均與周圍介質(zhì)存在電性差異，高密度電阻率法是一種行之有效的探測方法。

圖4 瑞雷波野外采集示意Fig.4 Schematic diagram of Rayleigh wave field acquisition

2.3 瑞雷面波法探測

瑞雷面波法是一種淺層工程地球物理勘探方法，其理論基礎(chǔ)是瑞雷波的頻散特性。瑞雷面波是一種沿介質(zhì)自由表面?zhèn)鞑サ膹椥圆?，從能量分布角度而言，統(tǒng)稱為面波。英國學(xué)者瑞雷(Rayleigh)于1887年首先在理論上確定，因此統(tǒng)稱為瑞雷面波。面波勘探法主要有穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法，兩種勘探方法的區(qū)別在于震源不同，前者是以一單頻率的瑞雷波來獲取速度曲線，而后者需要分析疊加在一起的瑞雷波。瑞雷面波法大部分能量集中在表面附近的小區(qū)域內(nèi)并沿界面?zhèn)鞑?，?dāng)介質(zhì)為半無限彈性介質(zhì)時，在自由空間和彈性介質(zhì)分界面上將會出現(xiàn)瑞雷波，這是采用該方法進行堤岸隱患探測的主要原因。

瞬態(tài)瑞雷面波法是對地面進行瞬態(tài)激振就會產(chǎn)生不同波長的復(fù)雜面波，該面波沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑ィ|(zhì)點在波傳播方向的垂直面內(nèi)振動，波陣面為一圓柱體，運動軌跡為逆時針運動的橢圓。在不均勻介質(zhì)中傳播時，其不同頻率的波按照不同的速度向外傳播。假設(shè)道間距為Δx，單位(m);時間差為Δt,單位(s);瑞雷波的傳播速度VR,單位(m/s),VR為：

(7)

在地表沿波的傳播方向設(shè)置N+1個檢波器，瑞雷波在NΔx長度范圍內(nèi)的傳播速度VR,單位(m/s),VR為：

(8)

根據(jù)同一地段測量出的瑞雷波傳播速度VR，就可以得到VR-t曲線，即頻散曲線或轉(zhuǎn)換為VR-λ的曲線，λR為波長(m)，具體表示如下：

(9)

VR-f曲線的變化規(guī)律與地下介質(zhì)物理力學(xué)性質(zhì)相關(guān)，通過對頻散特性進行反演解釋，便可得到地下某一深度范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造情況。

瞬態(tài)瑞雷面波法采用“一發(fā)多收”的激發(fā)接收方式(圖4)，即通過多道地震儀布設(shè)多個測點的接收系統(tǒng)，然后對多個檢波器信號逐道進行頻譜分析和相關(guān)計算，在數(shù)據(jù)處理過程中，運用疊加處理方式消除隨機干擾，由此達到強化瑞雷波、壓制縱橫波的目的。

瑞雷面波具有如下特性：①在均勻介質(zhì)中無頻散，在非均勻介質(zhì)中存在頻散特性；②振幅與波的傳播路程呈指數(shù)衰減特性；③地表兩點間的瑞雷面波速度可等效為地表下一定厚度(一個波長之內(nèi))地層的平均瑞雷面波速度[3]。鑒于瑞雷面波法可利用不同激發(fā)頻率得到不同的瑞雷波速度，因此又稱為“頻率測深法”，可實現(xiàn)堤岸松散體、滲漏水異常區(qū)等的探測。

3 應(yīng)用案例分析

3.1 工區(qū)地質(zhì)特征

黃河故道位于黃淮海平原東南部，西起河南蘭考縣，穿山東、安徽境內(nèi)，經(jīng)徐州至淮陰套子口入海。在黃河故道形成的過程中，泥沙淤積導(dǎo)致河床抬升、變寬，形成一條高出附近地面6～9 m的懸河，其中，徐州段近東西走向，將城區(qū)大致分為南、北兩部分(圖5)。

圖6 WT1探地雷達剖面Fig.6 Ground penetrating radar profile of WT1

徐州段黃河故道全長16.4 km，市區(qū)段全長11 km，基本地貌單元為山前洪積平原向黃泛平原過渡的部分，地勢開闊平坦。場地東南側(cè)為北東走向斷續(xù)分布的低山，海拔高程約為60～200 m。場地所處地貌為剝蝕殘丘間的沖洪積平原，微地貌單元為低山丘陵與廢黃河高漫灘的過渡區(qū)。

工程地點地層發(fā)育相對較全，其中，下部巖層發(fā)育有寒武系、奧陶系地層，巖性以灰?guī)r、泥灰?guī)r、白云巖為主，夾鈣質(zhì)砂巖、泥巖；上部第四系松散層由全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)組成，以黃泛沖積、洪積相為主，全新統(tǒng)地層區(qū)內(nèi)地表廣泛分布，厚約5.0～14.0 m，巖性以粉土、粉砂、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為主；上更新統(tǒng)地層厚約1.0～20.0 m，巖性以黏土、粉質(zhì)黏土、中細(xì)砂和含礫中細(xì)砂層為主。黃河故道堤頂高程為39.2 m，堤頂寬7 m，堤坡1∶3，堤岸底部是洪泛泥沙沉積形成的洪積層，頂部是人工填土層，本次探測的目標(biāo)是黃河故道可能存在洞穴、裂縫、松散體、脫空區(qū)等安全隱患。

3.2 探地雷達法探測結(jié)果分析

在黃河故道堤岸隱患探測過程中，首先采用瑞典MALA的RAMAC/GPR雷達系統(tǒng)對黃河故道堤岸兩側(cè)進行普查，根據(jù)堤岸探測的目標(biāo)深度，儀器設(shè)備參數(shù)設(shè)置如下：選擇中心頻率為100 MHz的天線進行探測，測線間距0.1 m，樣點頻率1 014 MHz，采樣時窗410 ns，采樣點數(shù)416，采用自動疊加的方式。

對特定區(qū)間段進行探地雷達法測試，該測線沿堤岸頂部布置，測線長度118 m。在探測過程中，根據(jù)雷達剖面波阻抗的強弱及同相軸的反射規(guī)律，初步篩選出4處探測異常(圖6)，具體如下：①異常位置1：長度28.7 m，埋深0.7～6.8 m，雷達剖面特征表現(xiàn)為多條平行的能量較強的反射波同相軸，推測為松散體或土質(zhì)不均一，異常體右側(cè)局部表現(xiàn)為反射能量較強的弧形彎曲，初步推斷可能局部存在孔洞或存在局部滲水現(xiàn)象；②異常位置2：長度24.3 m，埋深3.2～10.1 m，局部表現(xiàn)為多條平行的能量較強的反射波同相軸，推測為松散體或土質(zhì)不均一；③異常位置3：長度25.9 m，埋深為1.5～8.7 m，左側(cè)表現(xiàn)為多條平行的能量較強的反射波同相軸，推測為松散體或土質(zhì)不均一；④異常位置4：長度6.9 m，埋深0.8～5.0 m，表現(xiàn)為多條平行的能量較強的反射波同相軸，推測為松散體或土質(zhì)不均一。

3.3 高密度電阻率法探測結(jié)果分析

在探地雷達法探測的基礎(chǔ)上，對上述區(qū)段進行高密度電阻率法進行測試，測試采用溫納裝置，儀器設(shè)備為DUK-2A高密度電法測量系統(tǒng)，在測試過程中，其參數(shù)設(shè)置如下：電極距2 m；單一排列采用60根電極，電極隔離系數(shù)18；供電電壓為144 V。

對探測結(jié)果(圖7)進行分析可知：該剖面在垂向上主要分為兩層：表層電阻率一般為34～220 Ω·m，推測為人工雜填土，埋深約3～4 m；第二層電阻率一般為21～34 Ω·m，推測為粉土等在電性上的反映。在測線21.4～45.0 m、49.4～82.7 m、78.1～102.4 m、埋深2 m之下，為團塊狀相對低阻異常，分別與探地雷達法探測結(jié)果的異常位置1、異常位置2、異常位置3相對應(yīng)，推測為松散體或土質(zhì)分布不均一。鑒于高密度電阻率法有效探測范圍表現(xiàn)為梯形，雷達剖面的異常位置4在探測范圍之外，無法從剖面上進行有效的反映。

圖7 WG1測線電阻率斷面Fig.7 Resistivity section of WG1

需要重點關(guān)注的是：測線21.4～45.0 m、埋深2 m以下相對低阻異常對應(yīng)的位置，內(nèi)部還存在一更為低阻的異常點。在假設(shè)土質(zhì)均勻的前提下，巖土體含水或局部孔洞均可產(chǎn)生低阻異?，F(xiàn)象。這與探地雷達探測過程中較強的反射能量弧形彎曲、推斷可能存在孔洞的位置一致。

3.4 瞬態(tài)瑞雷面波法探測結(jié)果分析

對WG1測線的10～100 m處進行瞬態(tài)瑞雷面波法探測，瑞雷面波法探測以彈性波理論為基礎(chǔ)，其傳播符合Snell定律，可根據(jù)其傳播速度確定波速異常區(qū)的存在。在黃河故道堤岸隱患探測過程中，主要采用多道數(shù)字高分辨率地震儀進行探測，其參數(shù)設(shè)置為：采用單一排列， 24道接收，4 Hz垂直檢波器，檢波距1 m，點距10 m。探測結(jié)果如圖8所示。

圖8 WR1測線瑞雷波速度斷面Fig.8 Rayleigh wave velocity section of WR1

由圖8可知，在WG1測線10～100 m、埋深12 m之上，波速約為180～190 m/s，整體速度較低。在測線45～80 m之間存在一下凹的低速區(qū)，這與前兩種方法異常區(qū)域形態(tài)類似。由圖8可知，在低速區(qū)中存在局部高速反應(yīng)，根據(jù)瑞雷面波速度與巖土體特征的關(guān)系，巖土體含水引起波速增高，孔洞則導(dǎo)致波速降低，由此推斷，該處孔洞可能存在滲水現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

本文以黃河故道徐州市區(qū)段為例，根據(jù)探測目標(biāo)波阻抗界面介電常數(shù)、電阻率及波速的差異性，采用探地雷達法、高密度電阻抗法、瑞雷面波法三種地球物理方法對黃河故道堤岸可能存在的洞穴、裂縫、松散體、不良地質(zhì)體等隱患類型進行探測，從探查異常存在，驗證異?，F(xiàn)象，到最終確定地質(zhì)隱患的類型及特征，不斷引入不同類型的地球物理參數(shù)，最終逐段、逐級、逐步實現(xiàn)對探測目標(biāo)的甄選和辨識。

地球物理方法具有工程損傷小、探測效率高、針對性強等優(yōu)點，可快速實現(xiàn)對堤岸隱患的類型及特征的定性探測，但地球物理方法也存在探測結(jié)果不精確、成果解譯不確定等不足，針對上述問題，在地質(zhì)隱患目標(biāo)區(qū)段進行高密度測線布設(shè)，可盡可能精細(xì)地得到探測結(jié)果，同時，不同類型探測方法的實施可減少探測結(jié)果的不確定性。上述案例實施表明，只要地球物理方法的方案設(shè)計和測線布設(shè)準(zhǔn)確、得當(dāng)，可實現(xiàn)對堤岸隱患的精確探測和精準(zhǔn)識別，值得在實踐中進行推廣和應(yīng)用。