基于地質(zhì)雷達的河道堤防質(zhì)量快速探測

陳健健，曹貫中

（長江水利委員會長江下游水文水資源勘測局，江蘇 南京 210011）

0 引言

地球物理勘探是水利工程內(nèi)部隱患探測的重要手段，可根據(jù)工程隱患特點快速選擇相匹配的綜合物探手段，實現(xiàn)內(nèi)部隱患的快速精準確定及原因分析。尤其對于監(jiān)測儀器布設盲區(qū)或未布設監(jiān)測儀器的工程，工程物探是全面獲得工程健康信息的主要方式。目前水利工程中常用的物探手段根據(jù)探測原理不同可分為以下 3 種：1）彈性波法。包括聲波和地震波等，探測成本低，但大多探測深度較淺。2）電法。包括自然電場法、激發(fā)極化法、充電法、高密度電阻率法、電測深法、電阻率層析成像法和電剖面法等，電法抗干擾能力強，探測效果明顯，但結果存在體積效應影響。3）電磁法。包括地質(zhì)雷達法、瞬變電磁法、電磁波 CT法等，探測效率高，但抗干擾能力相對較差[1-2]。

地質(zhì)雷達法由于具有地面適應性強、探測效率高等優(yōu)點，在工程中應用廣泛。Porsani 等[3]使用探地雷達法對失事后的地基進行探測，繪制尸體、結構建筑地圖，對于人道主義搜救具有一定的指導意義；宋洋等[4]使用探地雷達法對堆石壩混凝土面板下的脫空和滲漏進行探測，確定大壩的可能滲漏部位；Anchuela 等[5]結合地質(zhì)雷達和熱紅外圖像對大壩裂縫和接縫進行探測，分析可能產(chǎn)生的滲漏通道及對大壩安全性的影響；Pandita 等[6]使用地質(zhì)雷達法對印度喜馬拉雅西北查謨克什米爾基什瓦斷裂活動斷層地形進行識別；Cao 等[7]根據(jù)探地雷達圖像確定水庫滲漏位置和路徑，為水庫除險加固提供技術支撐。

目前地質(zhì)雷達主要應用于地基和水庫大壩的質(zhì)量探測，在河道堤防工程方面的應用相對較少。由于河道堤防頂面平整度和環(huán)境相對較差，此類條件下雷達探測及解析效果能否準確反映堤防質(zhì)量須進行研究討論。本研究結合某河道堤防工程實際，采用地質(zhì)雷達法進行探測，旨在高效、準確地獲得河道堤防質(zhì)量基本情況，為確定工程監(jiān)測和巡查重點提供科學指導。

1 地質(zhì)雷達探測工作原理與數(shù)據(jù)解析

1.1 工作原理

地質(zhì)雷達是由發(fā)射天線（T）向地下介質(zhì)發(fā)射某一頻率（10～2 500 MHz）的電磁脈沖波，傳播時遇到地下介質(zhì)中的物性界面（即電阻率和介電常數(shù)存在差異的界面）會發(fā)生反射。反射的電磁波傳回地面，被接收天線（R）接收，反射原理如圖 1 所示，圖中，x為移動距離，h為物性界面高度，v為電磁波速率。

圖1 地質(zhì)雷達反射原理圖

反射脈沖波形由重復間隔發(fā)射（重復率為 20～100 kHz）的電路，按采樣定律等間隔采集疊加后獲得?？紤]到高頻波的隨機干擾性質(zhì)，由地下返回的反射脈沖系列均經(jīng)過了多次疊加（疊加次數(shù)為幾十次至數(shù)千次）。當?shù)孛娴陌l(fā)射和接收天線沿探測線以等間隔移動時，即可在縱坐標為探測深度（單位 m，由雙程走時t（單位為 ns，由反射脈沖相對于發(fā)射脈沖的延時測定）和電磁波速率求得）、橫坐標為點位（單位 m，由發(fā)射/接收點位組成）的圖像上繪出僅由反射體深度決定的“時-距”波形道軌跡圖，如圖 2所示，其中虛線為目的體、基巖等強反射信號?？筛鶕?jù)波的延滯、形狀、雙程走時和聚焦能量等參數(shù)，認識內(nèi)部構造及分布、電磁特性、異常分布等，達到探測內(nèi)部隱患的目的。

圖2 “時-距”波形道軌跡圖

1.2 數(shù)據(jù)解析

地質(zhì)雷達探測工作數(shù)據(jù)解析主要包括以下 3 個步驟：

1）野外數(shù)據(jù)采集前儀器設備選擇與調(diào)試。關鍵在于選擇合理的抗干擾參數(shù)，根據(jù)需要探測的深度選擇合適的天線和記錄長度（時窗），根據(jù)不同地層確定合適的頻率范圍和振幅顯示幅度。

2）數(shù)據(jù)處理。采用地質(zhì)雷達進行數(shù)據(jù)采集的過程中，由于環(huán)境、設備、人員等影響皆可對信號造成一定干擾，如系統(tǒng)內(nèi)部的干擾波、外界不平整界面產(chǎn)生的反射波、現(xiàn)場電磁干擾等。為消除以上干擾的影響，常需對數(shù)據(jù)進行處理，主要通過數(shù)字信號處理技術消除干擾，通常包括濾波、希爾伯特變換、反褶積、背景消除、增益補償、譜值平衡、小波運算等，用以提高信噪比和分辨率，減少干擾信號，從而提高目標識別能力。

3）時間剖面解釋工作。解釋工作是將間接的物理探測數(shù)據(jù)反演成地質(zhì)成果的關鍵，不僅要求解釋人員了解雷達探測技術特點，還要求解釋人員具備較豐富的地質(zhì)知識，能準確地將雷達數(shù)據(jù)，尤其是振幅、頻率異常翻譯為地質(zhì)語言。地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)處理流程如圖 3 所示。

圖3 地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)處理流程

2 工程應用

選用地質(zhì)雷達對某河道堤防質(zhì)量情況進行探測。該堤防為均質(zhì)土體結構，采用中、重粉質(zhì)壤土填筑，分層碾壓，壓實度不低于 0.94，頂寬為 5 m，高約為 10 m，內(nèi)側邊坡坡度為1 ：2.5，外側邊坡坡度為1 ：2.25。為初步了解河道堤防土體的密實程度，查明是否存在脫空、疏松、滲漏等隱患，開展本次探測工作。

2.1 探測儀器及方法

選取 GSSI 型地質(zhì)雷達儀，選定中心頻率為 100 MHz的屏蔽天線，窗口長度設為 300 ns。由于堤防具有長距離、均質(zhì)等特點，因此測線布置于堤防頂部軸線位置，探測獲得測線以下的剖面結果，從而反映對應堤段的土體情況。將雷達天線緊貼堤防頂部拖動，邊記錄邊監(jiān)控顯示。為所有剖面測線記錄獨立編寫文件號，所有正式工作探測剖面均為有效記錄。隨機情況影響到探測效果時，均在現(xiàn)場進行了復測。

本次探測順左、右岸兩側堤防河向各布置 1 條測線，每條測線長約為 10 km。雷達探測結果易受外界條件與環(huán)境因素的影響，如穿堤管道、路面坑洼，甚至是局部塌陷等，為后期的結果解譯帶來干擾，為排除此類因素的影響，在探測過程中對其位置進行記錄，并在探測結果中將此類因素帶來的波形異常進行排除，從而實現(xiàn)隱患結果的精準解譯。

2.2 探測結果分析

采用地質(zhì)雷達法對河道堤防進行整體探測，探測結果顯示，堤防總體較為完整、密實，未見大范圍的脫空、疏松等隱患。在本次探測范圍內(nèi)共發(fā)現(xiàn)異常位置14 處，大部分以局部土體的欠密實為主要特征，幾種主要的探測異?？偨Y如下：

1）局部土體欠密實。此類異常區(qū)域埋深大多在2～10 m間，特征如圖 4 所示。圖中探測距離為2 330～2 370 m 段，近40 m范圍內(nèi)的地質(zhì)雷達波形以振幅的正負交替變化為主要特征，表明該部位土體欠密實，而 2 280～2 300 m 段，近 20 m 的局部范圍內(nèi)，呈現(xiàn)振幅較小的特征，表明該處土體輕微松散，壓實度可能相對偏小。

2）堤防與原建基面結合不密實。雷達探測結果如圖 5 所示，可以看出，在探測距離為1 840～1 860 m與 1 915 m～1 970 m 段土體欠密實，除此以外，在這2 段探測深度約 8.5～9.0 m 的位置有較為明顯的高負振幅-低正振幅-高負振幅的特征。結合堤防高度，該位置位于堤防底部土體與原建基面結合部位，表明該結合部位土體存在不密實現(xiàn)象，在地質(zhì)雷達影像圖展現(xiàn)的特征與局部土體欠密度的地質(zhì)雷達波振幅的正負交替變化類似。

3）局部含水率高。地質(zhì)雷達圖像中潮濕土體較正常干燥土體介電性變化較大，特征如圖 6 所示。可以看出：潮濕土體區(qū)域雷達成果顯示同相軸的連續(xù)性較差，局部地段呈現(xiàn)下開口拋物線的形態(tài)特征，表明該區(qū)域內(nèi)土體含水率相對較高。

4）其他干擾。堤防表面或淺部存在積水、金屬管及鋼板等其他干擾信息，也會在雷達探測成果圖中顯示，特征如圖 7 所示?？梢钥闯觯涸摱蔚谭纼?nèi)總體未見明顯的地質(zhì)雷達信號波形錯斷、繞射等表征不良巖土體的信號，局部強振幅信號大多由地表埋設的金屬物及部分路段的積水引起。

3 結語

在對地質(zhì)雷達探測工作原理與數(shù)據(jù)解析流程進行簡單闡述的基礎上，針對堤防工程距離長、頂部路面條件差等特點，根據(jù)堤防高度選用 100 MHz 的地質(zhì)雷達對某河道堤防進行探測。地質(zhì)雷達可有效獲取堤防內(nèi)部隱患信息，對堤防質(zhì)量進行初步判斷；主要異常包括局部土體欠密實、與原建基面結合不密實、局部含水率高等。

圖4 土體欠密實地質(zhì)雷達法探測結果特征

圖5 與原建基面結合不密實地質(zhì)雷達法探測結果特征

圖6 局部含水率高地質(zhì)雷達法探測結果特征

圖7 其他干擾地質(zhì)雷達法探測結果特征

需要指出的是，由于電磁波在含水率高的區(qū)域衰減嚴重，導致有效探測距離較短，較深的滲漏點探測效果較差，對于雷達探測結果應輔以其他手段綜合判斷，即以雷達探測結果為整體、快速手段，針對探測的疑似隱患部位，選取地震類、電法類或示蹤法類等其他方法再進行局部及精細化探測，從而更好地判別隱患類型、規(guī)模等。