地质雷达在水毁复建堤防隐患探测中的应用

王远明

(1.东北林业大学 工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040；2.黑龙江省三江工程建设管理局，黑龙江 哈尔滨 150081)

地质雷达在水毁复建堤防隐患探测中的应用

王远明1，2

(1.东北林业大学 工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040；2.黑龙江省三江工程建设管理局，黑龙江 哈尔滨 150081)

土质堤防自身具有空间范围广、材料均质性差等特点，特别是对于水毁复建段堤防，由于抢险填筑时间紧迫，在填筑材料、施工工艺上往往难以严格要求。因此，可能存在的隐患类型复杂多样，探测难度较大。本文介绍了利用地质雷达实现堤防隐患的快速、高效、无损探测的基本原理与实际工作方法，弥补了传统探测方法周期长、成本高、代表性差等不足之处，并结合某水毁复建段堤防探测实例验证了地质雷达方法的实用性。

地质雷达；堤防；隐患探测

堤防是沿河、湖、海岸等水体边缘修建的挡水建筑物，对于抵御洪涝灾害，保证工农业生产甚至人民生命安全发挥着不可替代的作用。就我国而言，目前各类堤防约有29.91万km，其中大部分为土质堤防[1]。土质堤防由于自身介质的不均匀性，为隐患探测工作带来了一定的难度。特别针对于洪水灾害溃口后复建段的堤防，在填筑材料特性、施工工艺控制等方面与原堤防存在一定差别，新老堤防接合面情况也较为复杂，其中可能存在的隐患包括：由天然地质缺陷或施工质量导致的空隙、洞穴、裂隙等，及抢险堵口时难以避免的薄弱环节，如局部土体碾压不密实，较为松散，存在富水区域等。传统的隐患探测方法如钻孔取样法等，不仅代表性差、成本高、耗时长，而且会对堤防造成一定程度的破坏。以地质雷达法为代表的无损检测手段，可以适应堤防探测范围广、介质复杂程度高的特点，实现对堤防的高效、快速、无损探测，获得更为直观的结果。张伟等[2]将地质雷达应用于水利工程隐患探测的诸多具体领域，完成了对渗漏、裂缝、空洞的探测实践；胡勇[3]进一步阐述了地质雷达探测土质堤防的一般性方法。本文则特别针对水毁复建段堤防，以具体的工程为例，验证了地质雷达在水毁复建堤防隐患探测中的应用效果。

1 地质雷达原理与应用

1.1 基本原理

地质雷达是利用频率约为106～109 Hz的高频电磁波来探测地下介质分布规律的地球物理探测方法[4]。主要组成部分包括发射天线、接收天线和数据存储控制系统。其工作过程为：高频电磁波以宽频带脉冲方式通过发射天线向目标物体发射，到达地下目标体及相应地层后，由于介质的电性差异，电磁波反射回地面由接收天线接收，通过雷达主机对接收信号的频率、振幅等信息进行分析，并对图像解译，从而获得地下介质或目标体的信息。探测原理如图1所示。

图1 地质雷达原理图

电磁波传播过程中的主要参数有3个[5]。

目标体深度，即探测深度h：

(1)

式中：c为电磁波在真空中传播速度，m/ns；εr为介质的相对介电常数；t为电磁波双程走时，s。

电磁波反射系数R：

(2)

式中：ε1为第一层介质的相对介电常数；ε2为第二层介质的相对介电常数。

垂直分辨率S：表示地质雷达在垂直方向上能分辨的最小距离，m。

(3)

式中：λ为电磁波波长，m。

1.2 数据采集与处理

地质雷达开展探测工作前，首先需要明确探测范围，确定工作区域的测线布置。对于堤防隐患探测，可采取整体测量与局部重点测量相结合的方式。沿堤防轴线，分别在堤顶、迎水坡坡脚、背水坡坡脚布设纵向测线，目的在于了解探测堤段整体情况与薄弱部分位置。同时可布设垂直于堤防轴向的横向测线，作为辅助参考。在初步确定可能存在的隐患位置后，可在该位置作重点探测。

雷达工作时，需设定合适的测量参数，主要参数包括[6]：

天线中心频率f：为实际工作频带的中心，与探测深度及垂直分辨率相关，可根据实践经验选取建议值，也可由下式计算得到。

(4)

式中:x为空间分辨率，m；ε为背景场的相对介电常数。

采样频率：雷达天线工作时，每秒钟扫描的次数，可根据建议值选取。

相对介电常数：表征物体介电性质的物理参数，空气为1，水为81，可根据经验表格取值。

完成数据采集后，需要对雷达数据进行处理与解译。以美国劳雷公司的SIR型雷达为例，数据处理可通过专业处理软件RADAN进行，通常所采取的步骤如图2[7]。

图2 雷达数据处理流程图

地质雷达的解译，以采集到的雷达图像波形的相似与相异性为基础。同一层介质的反射波在振幅、频率、波形上具有相同特征，而来自不同层介质或探测区域有洞穴、空隙、水等物质时，反射波会发生显著变化，出现同相轴错断、多次反射波、反射加强等特征[8]。依据雷达图像上反射波特征，并结合地质、钻孔资料，可实现对探测结果的解译。

2 应用实例

现以某洪水溃口后的复建段堤防探测为例，介绍地质雷达的探测应用情况。该处堤防沿南北向延伸，水毁复建段长度约为150 m，堤顶宽度6 m，高度约为4 m。抢险封堵时底层采用毛石挤淤法，其上回填风化料，顶层用砂性土加高培厚1.5～2 m，最上层铺设水泥路面。堤身土料以风化碎石、中粗砂、局部黏土组成，均质性差，隐患探测有一定难度。本次探测目的是探明该段堤防是否存在明显的裂隙、空洞、富水区等潜在隐患，并对可能存在的薄弱环节进行评价。

根据现场情况，地质雷达测线布置采取沿堤防轴向与横向相结合，整体探测与局部探测相结合的原则，在堤顶布设纵向测线一条，长度约为220 m，覆盖整个水毁复建段并有外延；同时堤顶每隔10 m布设一条横向测线，与纵向测线形成测网，提高探测密度；迎水坡则在不同高度布设上、中、下三条测线。雷达测线布置如图3所示。

图3 雷达测线布置示意图

本次探测所采用地质雷达型号为美国劳雷公司生产的SIR-20地质雷达，配合100 MHz天线，发射频率50 kHz，采样率设为1024 samp/scan，采样频率选择30 scans/sec，时窗以300 ns为主。沿堤防测线拖动天线，完成数据采集，而后利用专业后处理软件RADAN5对原始数据进行剪切、转向、滤波、距离归一化等编辑处理，得到最终的地质雷达探测剖面图。选取典型探测断面结果分析如图4～7。

图4 堤顶整体纵向测线实测图像

图4是所选取某水毁复建段堤防堤顶纵向测线实测图像。横坐标表示沿堤防轴线水平距离，纵坐标为地面以下深度，这里探测范围220 m，探测最大深度10～12 m左右。由雷达图像可以看到，由于路面混凝土与其下土质堤防材料介质特性存在差异，雷达图像上显示出明显的分界面，混凝土路面厚度在0.5 m左右。其下部土质堤防图像均匀、同向轴连续，未出现异常区域，可判断该段堤防堤身浅层部分土层介质较为均匀，碾压密实，无明显空洞、含水裂隙等潜在隐患出现。

图5 迎水坡上部测线实测图像

图5是距堤顶坡面距离8 m的迎水坡上部实测图像，图中深度1～1.5 m位置有两层明显的电性界面，推测为堤防加高培厚部分碾压分层引起。该层同相轴均匀连续，反射波形态基本一致，未出现异常情况，判断加高培厚层碾压较密实。1.5～4 m左右深度局部出现圆弧形状波形，且同向轴出现断裂，初步判断该部分区域土体密实性较差，局部可能存在小的空隙，但波形并未出现大的错乱、衰减等异常情况，可判断该部分仅存在土体密实度问题，无较大隐患存在。

图6 迎水坡中部测线实测图像

图6是距堤顶坡面距离16 m的迎水坡中部实测图像。图中水平距离80～120 m，垂直深度2.5～3.5 m范围内，有一处异常的电性界面，同向轴向下弯折错断，连续性较差。推断此处填土孔隙率较大，密实度差，长期渗水可能带走部分细颗粒物质后而形成局部空洞，并可能导致迎水坡坡面沉降。其他部分整体性较好，局部出现同向轴散乱情况，应为填土密实性差异所导致，无大的隐患存在。

图7 迎水坡下部测线实测图像

图7是距堤顶坡面距离20 m的迎水坡下部实测图像。可以清晰看到图中水平距离65～100 m,垂直深度1.5～4.0 m位置发生同向轴错断，该处反射波与周围差别明显，出现收窄、衰减、杂乱无序按的形态，推断该处可能由于本身地质不均匀或施工填筑质量不佳，导致出现局部裂隙或空洞，进而被渗水占据，从而出现富水裂隙区域，反映在雷达图像上出现与周围土体明显差异的电性界面。判断该处为水毁复建段堤防薄弱部位，存在一定的渗漏风险，其他区域无明显隐患存在。

以上为该水毁复建段堤防地质雷达探测结果分析，综合以上堤顶、迎水坡面等部位多条测线的分析结果，雷达实测图像大多波形平缓、同向轴连续，反映了该段堤防整体状态良好，无较大隐患存在，同时雷达图像显示局部区域，一定深度范围内波形异常，电性差异界面明显，同相轴存在破碎断裂情况，说明该段堤防少数区域存在空洞、裂隙、土体松散区及水富集区，可能与抢险堵口时填筑材料与施工工艺控制难以严格要求有关，或由该区域自然地质条件引起。地质雷达探测基本达到了预期的目的。

3 结 论

对于堤防隐患探测，特别是水毁复建段堤防这一较为特殊的堤段，通过分析其地质雷达图像上的同向轴形态、电性差异界面、反射波特征等，可以推断出堤防可能存在的隐患类型与分布位置，为堤防评价或进一步加固提供参考意见。但由于土质堤防材料均质性差，导致探测深度难以精确换算，同时局部含水量高，信号衰减也较快，地质雷达探测精度难免受到影响，实际工作中应结合地质、钻孔资料或其他辅助探测手段修正探测结果，从而提高探测精度。相较于其他探测手段，地质雷达速度快、效率高、操作方便、结果直观，可以取得较为满意的探测结果，在实际工作中有一定的应用价值。

[1] 李继业,刘福胜,段绪胜.河道堤防工程监测实用技术[M].北京:化学工业出版社,2012.

[2] 张伟,李姝昱,张诗悦，等.探地雷达在水利工程隐患探测中的应用[J].水利与建筑工程学报,2011,9(1):34-38.

[3] 胡勇. 探地雷达技术及在土质堤坝隐患探测中的应用[J]. 安徽建筑,2016(3):271-272，293.

[4] 邓世坤.探地雷达在水利设施现状及隐患探测中的应用[J].物探与化探,2000,24(4):296-301.

[5] 李进,冯寿兆,殷琦，等.探地雷达技术在土石坝渗漏隐患探测中的应用[J].城市道桥与防洪,2011(7):275-277.

[6] 刘英利.地质雷达在工程物探中的应用研究[D].成都：成都理工大学,2008.

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

[8] 储冬冬,郑东健,张磊，等.探地雷达在震后水利工程病险探测中的应用[J].人民黄河,2009,31(3):97-99.

The application of georadar in detecting potential hazards of rebuilt broken dike

WANG Yuanming1,2

(1.CollegeofEngineering&Technology，NortheastForestryUniversity，Harbin150040，China；2.SanjiangEngineeringBureauofHeilongjiangProvince，Harbin150081，China)

The earth dike itself has the characteristics of both wide range of space and poor material heterogeneity. Especially for flood damaged dike which has been urgently repaired, it is often difficult to meet materials filling and construction technology standard. Base on the above two poits, there may be a variety of types of potential hazards which will be difficult to detect. This paper introduced the basic principle and practical methods of georadar to find potential hazards in dike quickly,efficiently and without damage. It overcame the disadvantages of traditional methods such as long period, high cost, poor representation etc. Its practicability was proved by an example of some flood damaged dike.

georadar; dike; detect potential hazard

黑龙江省应用技术研究与开发计划项目(GZ16B037)

王远明(1984-)，男，黑龙江塔河人，工程师，博士研究生，主要从事森林工程方面的研究。E-mail:348254539@qq.com。

P631.8;TV871.4

A

2096-0506(2017)02-0031-05