组合物探手段在堤防质量检测中的应用分析

黎 昱荆 昊徐 荣

（1.江苏省工程勘测研究院有限责任公司，江苏 扬州 225002；2.扬州市润扬河工程管理处，江苏 扬州 211404）

组合物探手段在堤防质量检测中的应用分析

黎 昱1荆 昊2徐 荣1

（1.江苏省工程勘测研究院有限责任公司，江苏 扬州 225002；2.扬州市润扬河工程管理处，江苏 扬州 211404）

在润扬河堤防质量检测中，采用“以探地雷达法普查筛选异常部位，再以高密度地震映像法对普查发现的异常部位进行详查，最后以瑞雷面波法进行验证”的组合物探方法，检测手段不断叠加，检测成果质量相互验证，组合检测效果良好，形成了组合地球物理探测技术进行堤防质量检测的技术体系。

堤防质量检测；组合物探；技术体系；检测手段；挡水建筑物

堤防是常见的挡水建筑物，各类堤防在国民经济建设中发挥着重要作用。堤防工程多已完建，也有新建堤防工程，堤防工程本身结构是否稳定、坚固耐用，主要受建设质量约束。堤防为隐蔽工程，长期以来，堤防质量检测与评价方法仍沿用传统开挖检查和钻孔取样试验的常规技术。开挖检查和钻孔取样试验都会对堤防造成一定的损害，而且开挖检查和钻孔取样试验都只能以点带面，很难全面掌握堤防沿线整体的质量状况。鉴于物探无损探测技术具有高精度、高分辨能力、探测成果彩色直观和现场检测快速便捷等优点，在堤防质量检测中有着越来越广泛的应用。物探技术种类繁多，方法原理不同，探测效果受地质环境影响较大，探测成果有时存在较大差异，单一的物探手段很难获得精准的无损检测数据。为了提高检测成果质量，往往需要采用多种物探手段组合进行堤防质量检测。在润扬河堤防质量检测中，“以探地雷达法普查筛选异常部位，再以高密度地震映像法对普查发现的异常部位进行详查，最后以瑞雷面波法进行验证”的组合物探方法进行应用研究，形成了组合地球物理探测技术进行堤防质量检测的技术体系。

1 探查方法原理和参数设计

1.1 探地雷达法

图1 探地雷达工作原理图

1.1.1 方法原理。探地雷达法是利用主频106～109Hz波段的电磁波，以宽频带短脉冲的形式，由地面通过天线发射器发至地下，经地下目标体或地层的界面反射后返回地面，被雷达天线接收器所接收，通过对所接收的雷达信号进行处理和图像解译，探测隐蔽介质的分布和特征（图1）。

电磁波在特定介质中的传播速度是不变的，因此根据探地雷达记录的电磁波传播时间ΔT，即可据下式算出异常介质的埋藏深度H：

式中：V是电磁波在介质中的传播速度，其大小由下式表示：

式中：C是电磁波在大气中的传播速度，约为3.0×108m/s；ε为相对介电常数，不同的介质其介电常数亦不同。

雷达波反射信号的振幅与反射系数成正比，在以位移电流为主的低损耗介质中，反射系数可表示为：

反射信号的强度主要取决于上、下层介质的电性差异，电性差越大，反射信号越强。

1.1.2 实测参数选择。根据本次探查工作的需要，采用了低频组合天线，低频组合天线的工作频率为80MHz，仪器主要工作参数设置如下：

表1 探地雷达数据采集参数

现场探查方式采用天线沿布置测线贴地面连续探查，天线移动速率约为0.4m/s。

1.2 高密度地震映像法

1.2.1 方法原理。高密度地震映像法是以相同的小偏移距逐步移动单点接收地震信号，对地下地层或地下目的物进行连续扫描，利用弹性波信息来探查地下介质变化的浅层地震勘探方法。当地下介质密度、速度、泊松比等弹性特征参数具有差异时，弹性波遇到弹性分界面或弹性突变点将发生反向或绕射和产生频散现象。该法是利用反射波和绕射波的特性，记录波的旅行时间和动力学特征，反演介质的物性参数，获取物性分界面或突变点的双程旅行时间和埋深（图2）。

图2 高密度地震映像工作原理图

对于高密度地震映像法而言，其反射波旅行时间为：

式中：x0为炮检距；t0为双程旅行时间。当反射界面为水平界面时，其时距曲线为一直线。

1.2.2 参数选择。本次高密度地震映像法采用28Hz的纵波检波器，野外观测采用小偏移距单道接收技术，布设观测点间距为0.5m，炮检偏移距10.0m，锤击震源，采样时间2ms，采样点数2048，数据采集时采用全通模式。

1.3 瑞雷面波法

1.3.1 方法原理。依据弹性动力学理论，在地面上瞬态震源作用下，将产生一定频率范围、以震源点垂线为轴对称的不均匀柱面瑞雷波向四周传播，它是纵波和横波在地表面相互干涉叠加出现的波型转换结果，形成质点按一定的椭圆轨道逆时针运动轨迹的振动，其能量主要集中在地表及其附近。在二维坐标系中，设垂直方向为Z轴，水平方向为X轴，坐标原点位于地面震源，其质点振动位移分量分别为：

式中：kR为瑞雷面波波数；kp、kS分别为纵波和横波波数；w为圆频率；t为时间变量；A为地面处振幅。

面波勘探的核心问题是要利用频散现象准确地获得不同频率面波的相速度VR，同一频率的VR在水平方向的变化反映出地质条件的横向不均匀性，不同频率的瑞雷波速度VR的变化则反映出介质在深度方向的不均匀性，因此该方法揭示地下结构分布在物探方法中具有一定的优越性。

图3 瞬态瑞雷波勘探法工作原理示意图

瑞雷面波法探查方法如图3所示，相距震源一定的距离处，在震源至接收点处的连线方向上放置一个接收排列，各接收道间距为Δx，由位移分量式（4）可知，相邻接收道间的初至时间差为：

相位差应为：

从而得到频率为f的瑞雷面波波速计算式：

或：

式中：Df为相邻接收道间面波的振动相位差；Δt为相邻接收道间面波的初至时间差。

在观测排列范围内的平均波速为：

或：

式中：N为观测排列的接收道数；Δti为第i个道间距的时间差；Dij为初相位差。

由此可见：对接收的瞬态瑞雷面波振动波形，通过频谱分析、FK交换和提出面波基阶模态的频散曲线方式，获取不同频率所对应的波长λ和瑞雷面波波速，即λ-VR曲线，从而获取不同深度的面波速度，h-VR关系曲线，实现所谓的弹性波频率测深。

基于瑞雷面波理论，通过拟合反演的方式，可得到观测点处垂向瑞雷面波波速的分布，结合不同岩土层对应于不同的瑞雷面波速度特性，对不同波速的介质赋予地质属性的解释，从而实现垂向岩土层勘探的目的。

1.3.2 参数选择。本次瑞雷面波法外业观测采用瞬态多道面波检测技术，其试验技术参数为：采用单边锤击排列观测装置，每个排列24道接收，道间距的选择原则：2/3λR＜道间距＜λR，检波器选用频率由探查深度式：H＝VR/2f估算，根据堤防探查深度的要求，控制探查深度≤20m。经现场试验对比后，确定采用的试验参数如表2所示：

表2 试验参数

2 场地土层

场地钻探深度范围内所揭示的土层，按其成因类型及土的性状自上而下主要分以下各层：A层（Q4

ml）：人工堆土，为灰、黄灰色中、重粉质壤土杂轻粉质砂壤土，局部为粉质黏土。γd＝14.7kN/m3，c＝12.8kPa，φ＝12.3°，平均水平渗透系数为3.24×10-5cm/s，具弱透水性，抗冲刷能力一般。

1层（Q4pr）：灰、黄灰色重粉质壤土，表层为耕作土，平均层厚1.0m，主要分布于农田处。γd＝14.7kN/m3，c＝14.0kPa，φ＝11.7°，水平渗透系数为1.57×10-5cm/s，具弱透水性，抗冲刷能力较差。

2层（Q4al＋pl）：灰色淤泥质中、重粉质壤土，夹薄层轻粉质砂壤土，或与之互层、互夹，局部夹淤泥质粉质黏土，场地普遍分布，为场地分布的软弱土。γd＝12.3kN/m3，c＝7.9kPa，φ＝8.5°，平均水平渗透系数为5.53×10-5cm/s，具弱透水性，抗冲刷能力较差。

2-1层（Q4al＋pl）：灰色轻粉质砂壤土夹淤泥质中、重粉质壤土，局部为互层，局部地段为粉、细砂夹淤泥质中粉质壤土，饱和，土质不均，平均层厚8.3m。γd＝13.3kN/m3，c＝7.7kPa，φ＝12.7°，平均水平渗透系数为2.36×10-4cm/s，具中等透水性，抗冲刷能力较差。

2-2层（Q4al＋pl）：灰色粉、细砂，夹薄层中、重粉质壤土，局部为互层，一些地段为轻粉质砂壤土夹粉砂和中粉质壤土，饱和，土质不均，平均层厚6.6m，场地多数地段有揭示。γd＝14.3kN/m3，c＝4.4kPa，φ＝21.0°，平均水平渗透系数为1.25×10-3cm/s，具中等透水性，抗冲刷能力较差。

3 测线布置

《堤防隐患探测规程》（SL436-2008）第3.2.2条规定：“当堤顶宽度不大于4m时，宜沿堤顶中线或迎水面堤肩布置一条测线；当堤顶宽度大于4m时，宜沿迎水面和背水面堤肩各布置一条测线。”由于润扬河堤防堤顶宽度均大于4m，因此本次探查工作在堤顶迎水坡和背水坡两侧堤肩各布置了一条顺堤的测线，测线布置详细位置见图4、图5和图6所示:

图4 润扬河堤防隐患探查测线布置示意图

图5 仪扬河闸段堤防隐患探查测线布置示意图

图6 江堤段堤防隐患探查测线布置示意图

4 检测成果

润扬河堤防填筑以壤土为主，若堤防填土的颗粒分布均匀，孔隙率与含水率相近，经过压实后土体的密实性良好，雷达电磁波或地震波在均匀填土中传播时速度相近，反射波同相轴连续性较好，视频率由高到低变化，介质电性差异较小，因此振幅变化不明显。当堤防填土内介质出现土质分布不均匀、含水率、孔隙率等变化较大，导致该处填土的介质电（波）常数相对于周围填土变化较大时，电磁波或地震波传播到异常土体时，反射系数产生变化，反射信号也有明显变化，与周围较均质的填土的雷达电磁波或地震波探查信号存在明显差异，分析电磁或地震反射波的波形特征，从而识别填土异常体的性质和分布规模。在润扬河堤防质量检测中先用探地雷达法普查，圈定异常，再用高密度地震映像法对普查发现的异常进行详查，最后利用瑞雷面波法进行验证，检测手段不断叠加，检测成果质量相互验证，组合检测效果良好。

4.1 堤防隐患雷达图像特征

图7是西堤迎水坡K2＋000～K2＋016雷达探查剖面图像，探查结果显示在该段剖面局部存在填土松散体，桩号为西堤迎水坡K2＋002～K2＋014，深度为2.5～4.5m，该异常段的填土相对于周围填土欠密实，相对较松散，但含水率低，在雷达探查剖面图上反映明显。

图7 西堤迎水坡K2＋000～K2＋016雷达剖面图

4.2 高密度地震映像法探查成果

图8为西堤迎水坡K2＋000～K2＋017段的高密度地震映像探查剖面图像。通过对地震波相的识别，在西堤迎水坡K2＋000～K2＋017段的堤防断面上，人工填土层的地震波同相轴出现了下陷，推断为堤防填土层土质松散，导致地震波传播速度降低，传播的时间变长，因此地震波同相轴下陷。

图8 西堤迎水坡K2＋000～K2＋017高密度地震映像剖面图

4.3 瑞雷面波法探查成果

图9为西堤迎水坡K1＋996～K2＋020瑞雷面波剖面图，图中不同的颜色表示相应的面波速度。图中圈出的区域的面波速度相对周围土体较低，表示该部位土体相对较松散。

图9 西堤迎水坡K1＋996～K2＋020瑞雷面波剖面图

通过西堤迎水坡K2＋000～K2＋016的雷达探查剖面图像、高密度地震映像探查剖面图像、瑞雷面波剖面图，检测效果逐次清晰，成果辨识度高，可以明显地看出在K2＋002～K2＋014段堤身填土压实度不够，深度为2.5～4.5m。

5 结语

探地雷达检测方法不需要布置检波器，具有快速、便利的特点，适宜与堤防全线质量普查，高密度地震映像法和瑞雷面波法需布置测线和检波器，工效较差，但其成果图像更加清晰、直观，适宜与局部异常部位进行详查。探地雷达法普查筛选异常部位，再以高密度地震映像法对普查发现的异常部位进行详查，最后以瑞雷面波法进行验证的组合物探方法，技术方法设计合理，检测效果显著，能够满足堤防质量检测的任务要求。无论是新建堤防质量检测，还是老旧堤防隐患探测，无损物探组合检测技术都是可行的，可针对不同的地质环境条件，选用适宜的检测手段。润扬河堤防质量检测，采用组合检测技术，检测成果直观、可靠，该组合检测技术在水利工程中具有良好的应用推广价值。

[1]谢华萍，何继双．浅析堤防工程堤身填筑施工质量控制[J]．低碳世界，2014，（9）.

[2]丁凯．地质雷达技术在隐蔽工程质检评价中的应用研究[D]．吉林大学，2007．

（责任编辑：蒋建华）

TV698

1009-2374（2017）07-0068-03

10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.07.032

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