探地雷达技术在马汊河堤防隐患探查中的应用

翟 铎，黄小祥，王颖聪，李 益

(1.南京市滁河河道管理处，江苏 南京 210048；2.南京市水利投资有限公司，江苏 南京 210048)

探地雷达技术在马汊河堤防隐患探查中的应用

翟 铎1，黄小祥1，王颖聪2，李 益1

(1.南京市滁河河道管理处，江苏 南京 210048；2.南京市水利投资有限公司，江苏 南京 210048)

探地雷达用于堤防无损检测具有传统隐患排查方式无可比拟的优点。本文介绍了探地雷达检测的基本原理，通过分析其在马汊河堤防检测中所取得的成果，并与瑞利波法、瞬变电磁法互相验证，证明采用地质雷达进行堤防隐患探查可靠性较高，能满足对堤防进行定期安全检测的要求，可在我国水利工程中推广应用。

堤防无损检测；探地雷达；反射波组

马汊河是滁河中下游一条重要的分洪道，承担着流域设计洪水总量36.3%的分泄任务，其河道堤防状况关系着六合区及化学工业园区的安全[1]。以往堤防隐患排查主要通过非汛期人工锥探和机械钻探，及汛期人工巡堤查险相结合的方法，存在着费时、功效低、以点代面、查探范围有限的缺点，且往往险情发展到一定程度时才能被发现，除险加固工作变得十分被动。研究采用先进科学的手段对堤防隐患进行探测在当前就显得十分重要。

目前，在各种堤防质量无损检测技术中，探地雷达(GPR)检测技术因具有检测速度快、操作简便、成像色彩丰富、结果直观可视、数据精度高、分辨能力强等优点而在实际工程中应用较好[2]。鉴于此，本文针对性的研究了探地雷达检测技术在马汊河堤防隐患探查中的应用，并用其他检测方式加以验证，以期为堤防工程的安全检测提供一种新途径。

1 工程概况、试验方法与原理

1.1 工程概况及试验方法

马汊河西起南京市六合区小头李，在三航三公司预制厂北侧入长江八卦洲北叉江，全长13.6 km，其中上游6 km及下游1.4 km为堤防段，中游6.2 km为切岭段。根据马汊河堤防的实际情况，本研究选取在马汊河上游小头李到葛新桥范围两岸堤防段。试验选取12个堤段进行，研究采用地质雷达探测法获得堤防内部介质构造、不密实区域、裂缝，以及渗漏通道等病害隐患。同时，分别采用瑞利波法及瞬变电磁法对上述12个堤段中的2个堤段进行检测，为探地雷达用于堤防隐患探查的可靠行提供验证。

1.2 探地雷达的检测原理

地质雷达是利用超高频短脉冲电磁波在地下介质中传播规律来确定地下介质分布的一种方法。一般地，电导率高的土体，吸收雷达波强烈，雷达波通过这些介质时，振幅衰减就快；介电常数大的土体，雷达波在这种介质中传播的速度就小。利用电导率和介电常数对雷达波的振幅与波速的影响，可以探测土体性质和物理力学状态。当堤防与地基中存在松散层、空洞、裂缝等隐患时，隐患部位与周围土体分界位置存在电性界面，有时甚至形成土体—空气或土体—水的理想分界面。在这种情况下，由于土体和空气及土体与水的电性差异较大，就形成了良好的反射界面。地质雷达利用以上原理来检测土体内部是否存在松散带和孔穴等异常隐患[3]。工程应用实践表明，该方法对典型的堤防隐患探测具有良好的效果。

在工程探测过程中，通过改变电磁波的发射频率达到探测不同深度地质体情况的目的。频率越低，探测深度越大，本次探测研究的目的层主要在0.0～12.0 m范围[4-7]，为了达到检测的目的，首先进行不同频率天线的对比试验，以选用适合检测本工程的检测仪器和天线频率。经现场试验比对，主要检测设备采用GSSI(美国通用物探仪器公司)制造的SIR-20型高速地质雷达,选用单体屏蔽的400 MHz和100 MHz两种天线来进行组合测试。图1为GSSI地质雷达基本工作原理示意图。

图1 地质雷达工作原理示意图

2 探测成果及分析

2.1 地质雷达法检测资料处理与分析

现场实测得到的雷达检测时间系列信号，经滤波、平衡处理后得到清晰的雷达图像，据此全面客观地分析各种雷达波组的特征(如波形、频率、强度等)，尤其是反射波的波形及强度特征，通过同相轴的追踪来确定波组的地质意义。

地质雷达接收信号强度除与发射信号功率大小有关外，还与所测介质的结构特征和物性参数有关，而反射信号的强度在一定的发射功率下，主要取决于不同介质接触界面的反射系数和穿透介质的衰减系数，其中反射系数主要取决于界面两侧介质的介电常数，而介质的衰减系数与介电常数和电导率有关[2]。表1为常见介质的物理参数。根据反射波组的同相性、相似性和波形特征，区分不同介质体的反射波组，并研究它们的相互关系和变化趋势。所以，地质雷达资料反映的是所测介质的电磁分布特征，把所测介质的电磁分布特性转化为地质结构分布，从而获得正确的介质结构特征。

表1 常见介质的物理参数

在马汊河上游两岸堤防段内共进行了12段检测试验，各段的检测分析详细情况见表2。图2、图3、图4为相应检测段的地质雷达剖面示例图。

表2 各段的检测分析详细情况表

图2 马汊河右岸0+60～0+85堤段地质雷达剖面图

图3 马汊河右岸3+360～3+985堤段地质雷达剖面图

图4 马汊河左岸2+67～2+87堤段地质雷达剖面图

2.2 瑞利波法及瞬变电磁法检测成果及分析

为验证探地雷达检测成果的可靠性，本研究在选取12个堤段中的0+60～0+85及2+67～2+87两个堤段进行了瑞利波法及瞬变电磁法检测试验验证[8-9]。

2.2.1 瑞利波法检测成果及分析

在用瑞利波法进行缺陷检测时，主要采用的是波谱分析法。根据以下准则：

x/3<λ<2△x

(1)

来选取频散数据。

根据上述的波谱分析法原理编制了相应的数据处理分析程序，其流程见图5。应用该程序对实测得到的数据进行频散曲线计算和分析。各段的检测分析详细情况见表3。

图5 波谱分析处理数据的程序流程图

表3 各堤段的瑞利波法检测分析详细情况表

图6、图7是用瑞利波法检测堤防质量的实验分析结果。可以看出，地下异常体使瑞利波频散曲线产生如“之”字形的突变。其影响程度取决于测试位置距异常体的距离、异常体本身的大小、埋深、性质等因素。一般检波器间距越小、测试位置越靠近异常体，则频散曲线波动也越剧烈。这种介质内的异常缺陷对瑞利波传播特性的影响可解析为由作用在介质表面上的震源所产生的波传播到异常缺陷位置时，异常体将会对体波、瑞利波等产生反射。异常体对体波的反射很弱可忽略，产生的反射波主要为瑞利波。这实际上相当于异常体作为次生震源产生的波场，其瑞利波成分占其能量的主要部分。反射瑞利波和入射瑞利波两者之间进行了相互干涉，则会影响瑞利波的波速，从而在频散曲线上表现出波动。因此，通过频散曲线可反演结构内部的异常缺陷。

图6 马汊河堤防右岸在0+60～0+85堤段上的频散曲线分布图

图7 马汊河堤防左岸在2+67～2+87堤段上的频散曲线分布图

2.2.2 瞬变电磁法检测成果及分析

瞬变电磁法利用堤防某个部位电导率出现异常值判断堤防存在病害隐患。在通常情况下对于一段堤防填筑材料就近取土，土质和水质可以近似认为是均匀的，因而各处的电导率是均匀的，当其中某些部位存在缺陷或渗漏时该处的电导率就会出现异常，通过检测电导率异常区就可以发现隐患并确定其部位。

在马汊河上游两岸堤防段内共选择两个堤段进行了检测试验，各段的检测分析详细情况见表4。图8、图9是用瞬变电磁法检测堤防质量的实验分析结果。

表4 各堤段的瑞利波法检测分析详细情况表

图9 马汊河堤防左岸在2+67～2+87堤段上的电阻率分布图

3 结 论

在调查马汊河堤防工程实际工作状况以及历史勘探资料基础上，研究运用地质雷达探测法对马汊河小头李到葛新桥范围堤防12个堤段进行了隐患检测，并对其中2个堤段进行了瑞利波法、瞬变电磁法检测验证形成研究结论如下。

(1)针对马汊河堤防目前的实际工作状态，研究运用地质雷达探测法对堤防工程开展健康检测与诊断，检测分析结果表明，在所检测堤段内未发现影响堤防安全的病害隐患，总体质量较好。瑞利波法、瞬变电磁法两种检测方法检测结果与地质雷达法检测结果基本一致，说明采用地质雷达法进行堤防隐患探查具有较高的可靠性。

(2)在各测试段范围内，局部存在有相对松散不均匀土体，反应在地质雷达测试剖面上的反射波组的对应位置同相轴变化复杂，呈现错位、缺失、不连续等现象。瞬变电磁法图象层状特征产生波动变化。而从瑞利波法探测得到的瑞利波波速值的变化在145～175 m/s之间，堤身内瑞利波平均波速均在正常值的范围之内，没有大的异常波动变化；瑞利波波速沿深度方向总体具有基本一致的分布规律，且随着深度的增加，瑞利波波速逐渐增大，表明堤防介质的密实度随深度的增加而增大，堤防处于安全稳定状态。

(3)地质雷达法探测具有灵活、快捷、准确、分辨率高、受场地条件约束小等的特点，能满足对堤防进行定期安全检测的要求，可在我国水利工程中推广应用。

[1] 水利部长江水利委员会.滁河流域防洪规划报告(2004年修订)[R].武汉：水利部长江水利委员会，2006.

[2] 张震夏.堤防隐患检测的方法与仪器[J].大坝与安全，2004(1)：1-8.

[3] 李大心.探地雷达方法与应用[M].北京：地质出版社，1994.

[4] 江苏省水利勘测设计院勘测总队.马汊河上游段(新桥涵洞-表塘涵洞)勘探试验报告[R].南京：江苏省水利勘测设计院勘测总队，1984.

[5] 江苏省水利勘测设计院勘测总队.马汊河分洪道第二期工程(东线桥-滁河)勘探试验报告[R].南京：江苏省水利勘测设计院勘测总队，1983.

[6] 江苏省水利勘测设计院勘测总队.马汊河分洪道第二期补充勘探报告[R].南京：江苏省水利勘测设计院勘测总队，1988.

[7] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50286-2013堤防工程设计规范[S].北京：中国计划出版社，2013.

[8] 陈红.堤防安全评价方法研究[D].南京：河海大学，2004.

[9] 吴威.荆江大堤堤防工程安全综合评判体系研究[D].南京：河海大学，2007.

The application of ground-penetrating radar todetection of defects in Macha embankment

ZHAI Duo1，HUANG Xiaoxiang1，WANG Yingcong2，LI Yi1

(1．ManagementdivisionofMaCha-riverofNanjing,NanJing210048，China；2．NanjingwaterconservancyinvestmentCo.,Ltd,NanJing210048)

Ground-penetrating radar has many unparalleled advantages in nondestructive test of embankment, compared with the traditional troubleshooting method. In this paper, we introduced the basic principles of ground-penetrating radar, and analyzed its achievement in the nondestructive test of MaCha river embankment. In addition, ground-penetrating radar was proven to have higher reliability and meet the requirements of embankment safety test by mutually verification with the rayleigh wave method and transient electromagnetic method. Thus, it can be applied to water conservancy projects in our country.

dike ND；ground penetrating radar；reflection wave group

翟 铎(1979-)，男，工程师，从事水利工程管理工作。E-mail：20229488@qq.com

TV871

A

2096-0506(2015)06-0043-07