多維雷達(dá)結(jié)合瞬變電磁法在海塘隱患探測中的應(yīng)用

余延芬，王海禮，胡海忠，楊瑞東

（1.浙江省錢塘江流域中心，浙江 杭州 310016；2.浙江省錢塘江管理局勘測設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310016）

0 引 言

海塘在長期運(yùn)行過程中，受到復(fù)雜的自然條件和人為因素影響，其防滲體系隨時(shí)都在發(fā)生變化，甚至出現(xiàn)隱患。譬如：受潮水沖刷、人類活動、動物破壞、雨水侵蝕等因素的影響，海塘?xí)霈F(xiàn)裂縫、空洞、脫空及富水松軟等現(xiàn)象[1-3]；部分海塘由于歷史原因，塘身填筑材料復(fù)雜、填筑質(zhì)量差，存在較大安全隱患。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，近20年來，在以物理探測方法為主的無損探測領(lǐng)域，海塘工程探測技術(shù)研究成果豐碩。但由于海塘結(jié)構(gòu)復(fù)雜且所處環(huán)境惡劣，以及考慮到物理探測方法反演結(jié)果具有多解性[4-5]，利用單一的物理探測方法難以全面了解海塘隱患情況，因此需要不斷摸索和嘗試，在創(chuàng)新和實(shí)踐的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步尋找適合海塘隱患探測的準(zhǔn)確、高效、無損的綜合物理探測方法。

1 探測技術(shù)路線

錢塘江海塘斷面結(jié)構(gòu)及填筑材料復(fù)雜，同時(shí)受強(qiáng)涌潮影響，迎水面水位變化幅度大，加大了隱患探測難度。全面調(diào)研現(xiàn)有探測技術(shù)并對探測設(shè)備及參數(shù)進(jìn)行比選，采取的主要技術(shù)路線為：①淺部隱患探測以探地雷達(dá)為主，采用國內(nèi)首創(chuàng)多維地下病害雷達(dá)檢測系統(tǒng)，配備“車載二維+車載三維”、“低頻+高頻”雷達(dá)協(xié)作，兼顧探測深度與分辨率，多源、多模式探測，實(shí)現(xiàn)多維度時(shí)空大數(shù)據(jù)分析與海塘堤壩風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警；②深層探測以瞬變電磁法[6]為主，為克服海塘高背景噪音、高級二次場微弱信號等難題，實(shí)施過程中增大發(fā)射線圈的發(fā)射電流；③聯(lián)合探測和綜合分析，排查隱患大小、范圍、位置及類型；④人工鉆孔驗(yàn)證，互為印證和補(bǔ)充。多維雷達(dá)結(jié)合瞬變電法技術(shù)路線見圖1。

圖1 多維雷達(dá)結(jié)合瞬變電法技術(shù)路線圖

2 探測設(shè)備參數(shù)比選

2.1 探地雷達(dá)法

2.1.1 參數(shù)標(biāo)定

影響探地雷達(dá)解譯的因素眾多，實(shí)施前采用地面耦合天線結(jié)合鉆孔法對塘身漿砌塊石結(jié)構(gòu)、塘身草皮（砂土質(zhì)）相對介電常數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，結(jié)果見表1。

表1 探測目標(biāo)相對介電常數(shù)標(biāo)定表

采用己知深度目標(biāo)換算法進(jìn)行電磁波速度取值計(jì)算，根據(jù)公式T=K· 2D/V計(jì)算電磁波傳播速度：漿砌塊石平均波速0.12 m/ns，草皮平均波速0.10 m/ns。結(jié)合現(xiàn)場情況，經(jīng)標(biāo)定確定探地雷達(dá)參數(shù)：采樣點(diǎn)512個(gè)，采樣頻率5.12 GHz，天線中心頻率200 MHz，測量輪精度2 cm，探測時(shí)窗100 ns。

2.1.2 頻率比選

根據(jù)探地雷達(dá)特性，一般天線頻率越高，探測深度越淺，分辨率越高；天線頻率越低，探測深度越深，分辨率越低。為保障達(dá)到最佳檢測效果，本次探測分別對100、200、500 MHz 天線進(jìn)行比測。比測結(jié)果顯示：3種頻率的天線在病害處均有異常響應(yīng)，但效果不同。500 MHz天線能明顯識別病害異常，邊界清晰，分辨率較高，但探測深度較淺；100 MHz天線部分淺層信號被掩蓋，邊界有誤差，探測深度深，但淺層分辨率較低；200 MHz天線探測效果最好，異常響應(yīng)明顯，對干擾信號的過濾效果較好，探測深度適宜。

2.1.3 高、低潮位對比

同一測線上分別對高、低潮位采集的雷達(dá)剖面圖進(jìn)行比對分析，結(jié)果顯示：淺層異常基本不受影響，高、低潮位探測效果基本一致；深層差異較大，高潮位時(shí)深層的多次反射波多于低潮位，為確保探測效果宜在低潮位時(shí)進(jìn)行探測。

2.1.4 多維雷達(dá)比選

本改造是為了滿足生產(chǎn)工藝需求，對引風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造。利用DCS自控系統(tǒng)自動檢測鍋爐的壓力、流量、溫度，并根據(jù)工藝要求，自動控制變頻器頻率，通過電機(jī)調(diào)速達(dá)到控制風(fēng)量的目的，使鍋爐熱交換處以最佳工作狀態(tài)，改變原先靠閥門控制風(fēng)量的工作方式。改造后不僅節(jié)省大量的電能，而且能非常有效地控制風(fēng)量，提高鍋爐工作效率，延長設(shè)備的使用壽命，降低維修成本。

試驗(yàn)中二、三維一體探地雷達(dá)的產(chǎn)品配套基于高精度定位系統(tǒng)，AI智能解譯的二、三維一體化數(shù)據(jù)處理軟件快速生成深度切片，并具備海塘堤壩病害體機(jī)器識別功能，大大提升了堤壩病害檢測效率和準(zhǔn)確率。同一測線上二維雷達(dá)和三維雷達(dá)采集的雷達(dá)剖面圖以及對空洞病害的探測效果都非常清晰，但三維雷達(dá)的探測效果更加直觀（見圖2）。

圖2 200 MHz三維雷達(dá)空洞病害切片圖

通過以上對比測試，得到探地雷達(dá)法海塘病害體異常圖像特征（見表2）。

表2 探地雷達(dá)法海塘病害體異常圖像特征表

2.2 瞬變電磁法

2.2.1 回線裝置參數(shù)比選

瞬變電磁常用的回線裝置主要有重疊回線裝置、中心回線裝置、偶極-偶極裝置、大定源裝置等。瞬變電磁法的探測深度取決于塘身電阻率和儀器的采樣時(shí)間及功率，故可通過調(diào)節(jié)發(fā)射頻率和儀器采樣時(shí)間，方便地控制探測范圍。現(xiàn)場試驗(yàn)分別對邊長1.0 m×1.0 m、1.5 m×1.5 m、2.0 m×2.0 m、3.0 m×3.0 m天線進(jìn)行測試，依次對應(yīng)探測的最大深度為5.0、7.5、10.0、15.0 m。本次探測采用重疊回線裝置3.0 m×3.0 m線圈。

2.2.2 頻率比選

在試驗(yàn)段同一測線上分別以6.25、12.50 Hz頻率采集數(shù)據(jù)，繪制多測道剖面圖，結(jié)果顯示：兩者形態(tài)差異較大，發(fā)射頻率6.25 Hz具有更好的分辨能力和抗干擾能力，探測深度較深且對地下異常體范圍的識別明顯優(yōu)于12.50 Hz。

2.2.3 高低潮位對比

通過對野外采集數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、格式轉(zhuǎn)換和去噪濾波等預(yù)處理，利用預(yù)處理結(jié)果繪制初始多測道曲線，并根據(jù)曲線變化特點(diǎn)剔除畸變點(diǎn)數(shù)據(jù)，得到瞬變電磁法海塘病害體異常圖像特征（見表3）。

表3 瞬變電磁法海塘病害體異常圖像特征表

3 工程應(yīng)用

將多維雷達(dá)結(jié)合瞬變電磁法應(yīng)用于錢塘江北岸海寧段15 km海塘隱患探測工程，海塘塘面探測采用“探地雷達(dá)+瞬變電磁雷達(dá)”方法。布設(shè)測線平行于堤軸線，單條測線掃描寬度約2.5 m，依據(jù)漿砌塊石塘面寬度確定測線布設(shè)數(shù)量，保證覆蓋整個(gè)探測區(qū)域。對于車載無法進(jìn)入的區(qū)域采用手推式便攜雷達(dá)采集數(shù)據(jù)，測線布設(shè)數(shù)量根據(jù)實(shí)際寬度加密。對已發(fā)現(xiàn)的疑似目標(biāo)采用RTK設(shè)備精準(zhǔn)定位，現(xiàn)場使用便攜式雙頻探地雷達(dá)復(fù)測詳查，復(fù)測采取網(wǎng)格化加密布置測線。

探地雷達(dá)主要探測浸潤線以上塘身隱患，瞬變電磁雷達(dá)主要探測浸潤線以下塘身隱患。同時(shí)對比探地雷達(dá)和瞬變電磁雷達(dá)的探測成果，并對疑似病害采用地下空洞全景成像系統(tǒng)鉆孔驗(yàn)證，成果見圖3~7。

圖3 K91+275海塘病害體空洞圖

圖4 K91+082海塘病害體脫空圖

圖5 K99+980海塘病害體嚴(yán)重疏松圖

由圖3~5可知，檢測出空洞3處，面積3.80~11.55 m2，其中最大空洞長度5.50 m，寬度2.10 m，覆土厚度0.19 m，底部埋深0.71 m，位于海塘樁號K91+275處。檢測出脫空區(qū)26處，面積0.90~20.20 m2，覆土厚度0.12~0.33 m，病害探地雷達(dá)和瞬變電磁圖譜均有高阻反應(yīng)。檢測出嚴(yán)重疏松區(qū)28 處，面積0.56 ~80.00 m2，覆土厚度0.20~0.40 m。

由圖6可知，綜合2種方法共圈定深層異常23處，經(jīng)分析初步判斷3處富水體（滲漏點(diǎn)），覆土厚度2.80~4.70 m。

圖6 K100+167海塘病害體富水體圖

由圖7可知，結(jié)合海塘剖面資料，根據(jù)鉆孔進(jìn)一步精準(zhǔn)判斷異常體（構(gòu)筑物）20 處，埋深均在2.80 m以下。

圖7 K101+95~K102+450海塘地下結(jié)構(gòu)圖

綜上所述，對塘面隱患探測發(fā)現(xiàn)的空洞、脫空、疏松、富水、裂縫等病害進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)可知，病害累計(jì)長度約9.8 km，占總探測長度的 63.6%。

4 結(jié) 語

首次將2種最新物理探測設(shè)備的組合技術(shù)應(yīng)用于海塘隱患探測，研究參數(shù)比選、相關(guān)作業(yè)流程和數(shù)據(jù)解譯技術(shù)，在保證檢測深度和分辨率的前提下，同時(shí)提高了隱患識別準(zhǔn)確率和檢測效率。將檢測出的海塘隱患通過現(xiàn)場鉆孔取樣進(jìn)行驗(yàn)證，提高了綜合物理探測的準(zhǔn)確性，總結(jié)形成一套適合海塘的無損、準(zhǔn)確、高效、低成本的檢測方法，為海塘隱患探測和治理提供重要技術(shù)支持。