探地雷达技术及在土质堤坝隐患探测中的应用

胡　勇　（当涂县建设工程质量监督站，安徽 马鞍山 243100）



探地雷达技术及在土质堤坝隐患探测中的应用

胡勇（当涂县建设工程质量监督站，安徽 马鞍山 243100）

土质堤坝隐患形态复杂多变、规模小、探测难度大。为确保堤防安全，查明隐患部位是非常重要的。文章在阐述探地雷达技术基础上，以长江某处外护土质堤坝隐患勘查为例，探讨探地雷达在土质堤坝隐患探测中的工程应用，并获得了隐患的地下分布。探测结果表明探地雷达可有效探测土质堤坝隐患，并且具有快速、简便和直观精确等特点。

探地雷达；土质堤坝；电磁波

0　前言

由于土坝对地基的要求低，施工技术较简单，能就地取材，自古迄今广为采用，是国内外蓄水坝中用得最多的一种坝型。由于受施工质量、筑坝土料、环境等多种因素的影响，坝体质量可能会存在一定安全隐患。土质堤坝隐患主要指施工质量缺陷、人为或生物作用引起的洞穴和各种裂缝、以及在使用过程中形成的尚未被发现的不良地质现象等，这些隐患作为一种典型的地质灾害对堤防安全的影响越来越明显，因此有必要在险情出现前及时发现，为土质堤坝隐患的治理提供可靠的依据[1、2]。

作为堤坝安全检测的重要组成部分，隐患探测已越来越受到普遍重视。快速有效地探查隐患及渗漏，有的放矢地进行病险治理，对确保堤坝安全运行、充分发挥效益十分重要。土质堤坝隐患的探测方法有破损法和无损法。传统的破损法（如坑探、钻探、槽探等）虽然直观可靠，但其存在费用高、耗时长，容易漏探等缺点，因而很少使用。近年来，较多地采用了探地雷达等无损探测方法。探地雷达方法具有较高的分辨率，较强的抗干扰能力以及勘察过程中快速高效的特点，在各类岩土工程勘察中得到了广泛的应用[3-5]。本文将探地雷达技术应用于安徽长江某处外护堤隐患的探测中取得了较为满意的结果，证实该方法具有高效、快捷和成果形象直观等特点。

1　探地雷达探测方法原理

探地雷达是利用高频脉冲电磁波探测地下介质分布的一种地球物理勘探方法，最先由德国科学家在20世纪初提出。我国于20世纪60年代开始研究探地雷达仪器与方法，至90年代初，随着国内研制水平的提高与国外先进仪器的引进，该技术已在工程地质勘查、工程（公路、铁路、桥涵、隧道）质量检测、灾害地质调查、考古调查、资源勘探等众多领域中获得越来越多的应用。

天线发射器将宽频带短脉冲电磁波（106～109Hz）发送至地下，经目标体或电性界面反射后由雷达天线器接收，并以电磁反射波时域曲线形式成像。因地下空洞、裂缝、管线等与周围介质存在介电常数差异，可以形成良好的反射界面，同时电磁波在反射界面形上还可继续向下透射，在下一界面形成反射并被地面仪器接收，以此形成多层反射波时间域记录。通过对所接收的雷达信号进行处理和图像解译，达到探测异常的目的[6]。当已知地层中波速0ν或介质的相对介电常数γε时，读取雷达剖面上双程走时t，便可计算目标体深度，式中c为电磁波在真空中的传播速度（0.3m/ns）。工作原理如图1所示。

图1　探地雷达工作原理图

土质堤坝（土坝）常有粘土、砂性土、黄土等材料筑成。在坝身碾压密实时，土层的物理性质变化不大，可看成均匀介质，雷达反射波很弱，反射波同相轴连续、幅度小，地层连续性强。由于地下水位较高，当坝体土层产生扰动、坍塌疏松时，局部介质含水量增大导致电导率增大而产生明显的电性界面，在雷达图像上表现为低频高强度反射特征，并常伴有多次较强的多次反射。可见，土质堤坝隐患部位具备用探地雷达进行探测的物理条件，用这样方法探测是可行的。

探地雷达作为重要的探测方法，其探测结果最大的优越性体现在高分辨率上。分辨率是指分辨最小异常介质的能力。在地层介质中，雷达波垂直分辨率为；水平分辨率为，H为勘探深度，λ为波长。在实际工作中根据探测任务的要求和现场的实际情况选择合适的天线中心频率，就可以满足探测精度的要求。如在电磁波传播速度为0.1m/ns的介质中，频率为100MHz，子波长度1.0m，可分辨的最小地层厚度为0.25m。

2　工程应用

2.1工程概况

皖江某开发区需要抽取长江水，在地下埋设水管。工程施工场地紧邻长江外护堤，为长江河漫滩及一级阶地上，土质为粉质粘土和细砂。在进行取水顶管施工过程中，由于采用的是喷水旋转施工工艺，容易造成土层中的细砂层和粉质粘土层强度和稳定性降低，产生流沙现象，最后产生局部塌陷，影响长江外护堤安全渡汛。为查明潜在的塌陷区的范围和规模，采用探地雷达进行堤坝隐患探测。

2.2测试技术

根据本次勘查的隐患体规模及大致深度，采用PulseEKKOPRO型雷达系统，共布置2条测线，测线长30～50m，天线中心频率为50MHz，点距0.1～0.2m。

探地雷达在野外采集的原始数据，存在较多干扰，有效信号不突出，需经过相关数据处理后才能用于分析解释。数据编辑处理有将不连续的数据合并、剔除废道、测线方向一致化、标记编辑等；要对现场雷达信号有影响的标记位置进行编辑处理，以保证后续资料解释的准确性。滤波处理虽然能够去除或压制干扰波，但是有些滤波不仅不能突出异常，相反会淹没掉有用信息，经过多次比对总结出较好的滤波处理步骤：①一维滤波去直流漂移；②零点校正移动开始时间；③能量衰减增益控制；④二维滤波抽取平均值；⑤一维巴特沃斯带通滤波；⑥二维滤波滑动平均。此外，偏移归位和反褶积也是探地雷达资料处理中的常见方法[7-9]。

2.3结果分析

在完整均匀地层雷达剖面图反射波同相轴振幅较小，在扰动区或塌陷区上反射波同相轴振幅明显增大，且反射波同相轴的形态会发生变化。1#测线探地雷达剖面图（图2），测线长度30m，测量点距0.1m。根据图2可知，在剖面水平位置33～40m处，深度4.5～9m雷达波形呈层状强反射特征，振幅变化较为明显，这说明其介电常数发生显著变化，该异常区的深度与其他方法探测结果相吻合。

图2　1#测线探地雷达剖面图

2#测线探地雷达剖面图（图3），测线长度30m，测量点距0.2m。根据图3可看出，在剖面水平位置39～45m处，深度5～10m雷达波形呈层状强反射特征，振幅变化明显，波形杂乱，该异常区的位置与后期的高密度电法测量结果吻合。在剖面水平位置46m附近，发现该处由坝顶光缆引起的异常，雷达图像表现为反射波较多、能量强弱变化明显，图像较为杂乱。经后期开挖证明，检测判别出的隐患部位分布与现场实际开挖情况吻合的比较好，为施工单位的坝体加固处理工作提供了依据。

图3　2#测线探地雷达剖面图

3　结语

①应用探地雷达技术对道路路基进行探测，设备操作简便且对路基无破坏作用；探测效率高并能够获得较为连续的图像剖面；直观明了的显示探测结果并能显示探测目标体深度。

②采集数据时应尽量减少外界因素对数据采集的干扰。根据现场探测实际情况，对采集的数据进行有用信号与干扰信号的筛选。采用分析软件对雷达信号进行处理时，注意参数的合理选取。

③对雷达资料分析解释时要充分考虑坝体的结构特征、坝身的侧面反射和周围其他环境对剖面的影响，并对雷达图像进行综合判别，得出比较客观的结论。

实践表明，探地雷达作为一种新型的无损检测技术，以其快速、连续检测、无破坏性等优点，有着极其广阔的应用前景。

[1]葛双成，江影，颜学军.综合物探技术在土质堤坝隐患探测中的应用[J].地球物理学进展，2006，21（1）：263-272.

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[3]李华，鲁光银，何现启，邓珂．探地雷达的发展历程及其前景探讨[J].地球物理学进展，2010（4）：1492-1502.

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10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.03.099

胡勇（1963-），男，安徽芜湖人，毕业于安徽工业大学，高级工程师，国家注册监理工程师。