利用GPR探测充填袋结构的试验与研究

周荣官，朱群峰，黄康理，何 宁

（1.南京水利科学研究院 ，江苏南京210024；2.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京210024）

利用GPR探测充填袋结构的试验与研究

周荣官1，2，朱群峰1，2，黄康理1，2，何 宁1，2

（1.南京水利科学研究院 ，江苏南京210024；2.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京210024）

摘要:采用疏浚土充填袋筑堤是一种新型技术，尚处于开发研究阶段，相应的检测手段等很不完善。基于GPR（地质雷达）的高效、无损、分辨率高等特点，开展GPR探测堤体结构特性的试验研究，并通过标定及与传统监测手段的比对等方法来论证探测堤体结构特性的可行性。研究成果表明，采用地质雷达探测充填袋压坡体结构其结果与分层沉降等实测资料较为吻合。充填袋典型的雷达图像特征 ，为充填袋筑堤变形的快速检测提供了依据。

关键词:疏浚土；充填袋；筑堤；地质雷达

近年来，在航道建设的疏浚工程中，大量的疏浚土需要弃置，且其中存在大量土性和排水特性都较好的亚粘土，将该部分疏浚土作为充填料 ，采用大型充填袋筑堤技术进行围堤和防波堤修筑在砂石料缺乏的沿海地区具有良好的社会和经济效益［1-2］。

与此同时，由于目前采用疏浚土充填筑堤的大型充填袋筑堤技术尚处于开发研究阶段，相应的设计理论和方法、检测措施等都不完善［3-8］，因此，通过现场原型试验，开展地质雷达探测堤体结构特性的试验研究，以现场标定试验以及和传统监测技术的比对试验，论证地质雷达技术探测堤体结构特性的可行性具有十分重要现实意义。

1　地质雷达探测的基本原理

地质雷达是利用高频电磁波（10 MHz～2 GHz）以宽频带短脉冲形式，由地面通过发射天线送入地下，经地层或探测目标物反射后返回地面，为另一接收天线所接收。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁波强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态等而变化。因此，根据接收到的波的旅行时间（亦称双程走时）、幅度与波形资料，通过图像处理和分析，可确定地下地层界面或目标体的空间位置和结构性质［9-15］。

2　试验段概况

现场试验段自2010年12月15日开始充填袋施工，截止2011年4月5日现场施工结束，6个试验断面按照设计文件填筑到5.5 m左右的高程。施工加载过程曲线见图1。

图1　充填袋压坡结构体加载过程线

施工加载过程可以分为三个阶段:前期施工速度不快，中期由于春节放假期间停止施工 ，后期施工速率过快。各断面加载总荷载量在84 kPa～95 kPa之间。试验段充填袋充填施工期间，通过沉降观测点测量各试验断面整体沉降过程。各层充填袋充填结束时，在充填袋的顶部放置沉降测量环 ，通过沉管测量施工过程中各层充填袋顶部的沉降变化过程。

3　地质雷达标定试验研究及其成果

3.1标定试验

地质雷达图像剖面反映了地下介质的电性特征。由于物性参数的多解性 ，这些电性特征要想转化成地下介质的分布，必须进行前期的试验工作 ，其目的是: （1）检查测量参数的选择是否符合预想结果。如果不合适还须调整测量参数 ，以便获得满意的地质雷达图像；（2）建立目标体的地质雷达图像特征。

雷达标定试验检测工作的主要过程为 :埋设沉降反射板→测量高程→充填疏浚土袋→雷达检测→钢钎测定反射板位置→测量高程→沉降环监测并获取对比资料→间隔一定时间→雷达检测→钢钎测定反射板位置→测量高程→沉降环监测并获取对比资料。

地质雷达对试验段充填体的沉降监测标定试验在多个区域进行。考虑到篇幅，本论文主要介绍B区即充填袋在含40%泥砂情况下沉降变形的监测及其研究。具体情况如下:2011年3月5日于B区第五层土工充填袋顶面上埋设反射板Gb1，埋设标高为3.816 m，随后在其面上铺设第六层土工充填袋并充填含40%泥砂，充填工作结束后于3月12日，3月13日进行了地质雷达检测。3月17日，在第六层土工充填袋上铺设第七层土工充填袋并充填纯砂并开展雷达检测，随后于3月30日、4月9日、4 月23日开展了多次雷达检测工作。

3.2地质雷达标定试验研究成果分析

图2为B区监测沉降所得到的雷达波形图。图2（a）～图2（e）分别代表B区反射板Gb1位置3月13日到4月23日期间开展的5次雷达检测工作所得结果。通过图2（a）可以得知3月13日在充填含40%泥砂后，反射板Gb1位置在充填袋面下0.71 m处，绝对高程为3.639 m，相比较于埋设初期的3月5日反射板Gb1沉降了0.177 m。由图2（b）可以得知3月17日在又充填一层纯砂后反射板Gb1位置在充填袋面下1.16 m处，绝对高程为3.573 m，相比较于埋设初期的3月13日反射板Gb1沉降了0.066 m。图2（c）～图2（e）是在未继续充砂情况下随后进行的雷达检测结果。由图及相关的测量高程得到结果是:3月30日绝对高程为3.413 m，同3月17日相比下降0.160 m，4月9日绝对高程为3.363 m，同3 月30日相比下降0.050 m，4月23日绝对高程为3.341 m，同4月9日相比下降0.022 m。

为了比较利用地质雷达方法所测得的资料的可靠性，将上述结果与测区附近的沉降管资料进行比较，比较结果见图3。

图3所示测区B反射板所得资料与该区沉降管所得资料的比较结果表明:位于第五层膜面上的反射板Gb1与第五层充填袋中的HB5沉降环两者高程数据其变化规律非常相似，表现为初期两者沉降不完全一致，但随着时间推移，两者均开始稳定，曲线表现为互相平行。这表明反射板来监测充填袋的沉降其数据是可靠的。同样，位于其他层膜面上的反射板也体现出了类似的规律。

原型试验中地质雷达标定成果表明采用反射板来监测充填袋的沉降其方法是可行的，数据是可靠的。表明采用地质雷达探测充填袋压坡体结构特性是可行的。

图2　试验B区Gb1反射板位置地质雷达图

图3　测区B反射板资料与沉降管资料的比较

4　地质雷达探测成果分析

采用地质雷达探测充填袋压坡体结构特性探测的测线及测区位置见图4所示。探测网布置总体原则为:每个试验段在沉降管附近布置一个横断面，总平面上沿不同高程分别布置4个纵断面，长度覆盖整个试验段。探测网孔位放样和孔口高程测量由专门人员实施，使用精密水准仪进行放样，并用油柒等加以标识。每条探测线用皮尺量距定位，并沿测线每隔一定距离做好标记。

图4　充填袋压坡体结构特性研究地质雷达探测网布置

图5为横断面D雷达探测成果图。图5（a）为测得的雷达波形图，图5（b）为根据该波形图结合各自不同条件所推断的充填袋形成断面图。

图5（b）为D试验区中靠近沉降管位置的一个雷达检测横断面成果图，该断面垂直于轴线，长21.3 m。由图可知:充填袋形成断面最厚处在轴线右侧9.35 m处，充填袋断面表面高程为4.25 m，底面高程为0.32 m，对应该位置充填袋总层数为7层，最厚处充填袋体平均厚度为0.561 m。

试验段充填袋压坡体各层充填袋设计初始充填厚度为0.75 m，根据地质雷达的断面测量资料有，试验段充填袋体压缩后厚度范围为0.417 m～0.583 m，由此计算得到对应的压缩率量值范围与试验段分层沉降测得结果基本一致，原型试验中采用地质雷达探测充填袋压坡体结构特性的研究成果表明采用地质雷达探测充填袋压坡体结构特性是可行的。

5　结 论

（1）在淤泥质海岸筑堤新技术试验研究项目中创新地将地质雷达测量技术应用于试验段现场充填体的结构特性探测，其技术思路正确。

（2）研究成果表明采用地质雷达探测充填袋压坡体结构其结果与分层沉降等实测资料较为吻合，表明该方法不仅可行，而且其测量精度能够满足工程监测的要求。

（3）通过分析比较地质雷达探测系统采集的数据资料，初步掌握了充填袋的的雷达图像特征 ，为充填袋筑堤的推广应用中各阶段变形控制等提供了一种快速检测的手段。

图5　横断面D雷达探测成果图

参考文献:

［1］ 侯海伟，殷 昕，马兴华，等.连云港港30万吨级航道一期工程围堤工程设计［J］.水运工程，2012，（12）:167-172.

［2］ 吴昌新，顾 青，王星梅 ，等.沿海大型围堤充填袋筑堤技术设计与研究［J］.中国水利，2013，（8）:49-51.

［3］ 刘斯宏 ，汪易森.土工袋加固地基原理及其工程应用［J］.岩土工程技术，2007，21（5）:221-225.

［4］ 王雪奎，王年香，顾行文 ，等.充填泥袋筑堤关键技术的离心模型试验研究［J］.郑州大学学报:工学版，2014，35 （5）:64-68.

［5］ WANG C Y，WATSON L T.The fluid-filled eylindrieal membrane econtainer［J］.Joumal of Engineering Mathematics，1981，15（2）:81-88.

［6］ 张俊平.土工织物充填袋在黄骅神华港一期工程中的应用［J］.中国港湾建设，2002，（2）:46-48.

［7］ 靳向煜，朱远胜，王 俊 ，等.围海造地中的充泥管袋应用研究［J］.纺织学报，2000，21（5）:56-59.

［8］ 周 辉，方大勇，李 川，等.大型土工织物充填袋筑堤时软土地基变形速率的控制［J］.广东水利水电，2004，（2）:20-21.

［9］ 李大心.探地雷达方法与应用［M］.北京:地质出版社，1994.

［10］ 曾昭发，刘四新，冯 日亘，等.探地雷达原理与应用［M］.北京:电子工业出版社，2010.

［11］ 郭华东.雷达图像分析及地质应用［M］.北京:科学出版社，1991.

［12］ 周荣官，晏琮良.物探在地质灾害勘察中的应用与研究［M］.南京:河海大学出版社，2013.

［13］ 周荣官，周醒驭.地质雷达图像处理在崩塌隐患探测中的应用及分析［J］.计算机工程与应用，2012，48 （S2）:222-226.

［14］ 何开胜，周荣官 ，王国群.瓦房城水库左岸高边坡地震破坏和探地雷达探测研究［J］.地质灾害与环境保护，2005，16（3）:320-324.

［15］ 石念增，刘康和.堤防隐患探测实例分析［J］.地质灾害与环境保护，2005，16（4）:376-382.

中图分类号:U612.2

文献标识码:A

文章编号:1672—1144（2015）01—0026—04

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2015.01.006

收稿日期 :2014-10-01修稿日期:2014-12-30

基金项目 :国家高新技术研究发展计划863资助项目（2012AAll2509）

作者简介 :周荣官（1963—），男，江苏苏州人，教授级高级工程师，主要从事岩土工程专业方面的研究工作。E-mail:rgzhou@nhri.cn

Research and Tests on the Applications of GPR in Filling Bag Structure Detection

ZHOU Rong-guan1，2，ZHU Qun-feng1，2，HUANG Kang-li1，2，HE Ning1，2
（1.Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing，Jiangsu 210024，China；2.The State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering，Nanjing，Jiangsu 210024，China）

Abstract:The application of dredged soil filling bags in diking is a new technique which is still at the R&D stage. Therefore，its corresponding detection method has not yet been fully developed.As GPR（Ground Penetrating Radar）have the advantages of high efficiency，no destruction，high resolution and so on，it was adopted to detect the characteristics of the dam body structure.Furthermore its feasibility in doing so was demonstrated by calibration of the radar and the comparison between this method and other conventional monitoring methods.The study indicates that GPR detection results are consistent with the monitored data of layered settlement.The typical image data of the detection provides the theoretical basis for fast deformation detection of dams built with filling bags.

Keywords:dredged soil；filling bags；diking；GPR