综合物探技术在复杂土质堤防隐患探测中的应用

刘现锋 谢向文 马若龙

摘 要：在堤防隐患探测中， 地球物理方法具有快速、经济、无损等优点， 但因堤防工程结构复杂以及隐患的分布和类型复杂多变，常用的单一物探方法都有其局限性与不足之处，无法全面解决堤防探测中的隐患分布问题。以黄河下游某堤防工程的隐患探测为例，综合应用地质雷达法、高密度电法和面波法等综合物探方法进行隐患探测结果表明，不同方法之间互为补充，可较为全面地解决堤防探测中隐患的特性和分布问题。

关键词：堤防隐患探测;隐患分布;综合物探技术;黄河下游

中图分类号：TV871.4;TV882.1 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.12.008

Abstract：In the detection of dike hidden danger， geophysical method has the advantages of fast， economic and nondestructive. However， due to the complex structure of dike engineering and the complex distribution and types of hidden danger， the common single geophysical method has its limitations and shortcomings， which can not solve the problem of dike hidden danger distribution in an allround way. In this paper， taking the hidden danger detection of a dike project in the lower Yellow River as an example， the comprehensive geophysical methods， such as geological radar method， highdensity electrical method and surface wave method were used to detect the hidden danger. Different methods referred to each other and complement each other， so as to comprehensively solve the characteristics and distribution issues of the hidden danger. At the same time， it also provided some reference for the selection of methods to solve similar hidden danger detection issue.

Key words： dike hidden danger detection; hidden danger distribution; comprehensive geophysical exploration technology;Lower Yellow River

1 前 言

堤防工程是保證人民生命和财产安全的重要防洪工程。随着社会的发展，堤防工程除了具有排涝防洪、保水固土等作用外，还被赋予了生态建设和美化环境的功能。但堤防工程结构复杂、修筑年代久远和受当时修筑条件的限制，导致堤防工程普遍存在洞穴、松散体、裂缝、砂砾石层和渗漏等安全隐患，一旦遭遇洪水，极易诱发堤防散浸、管涌和垮塌等险情，严重威胁堤防工程的安全运行和人民生命财产安全。因此，如何快速准确查明隐患的位置、类型和特性，为堤防工程加固处理提供依据，是一个亟待解决的技术难题[1-3]。

近年来，随着地球物理勘探技术的发展，物探技术凭借其快速、经济、无损等优点，逐渐成为堤防工程隐患探测的最优方法，其中常用物探方法包括探地雷达法、直流电阻率法、弹性波法、自然电场法和瞬变电磁法等。堤防工程结构复杂，隐患的分布和类型复杂多变，常用的隐患探测方法均有一定的局限性和应用前提。地质雷达法受电磁波衰减严重的限制，有效探测深度有限;高密度电阻率法受接地条件的影响较大，同时其探测深度受制于测线的长度;充电法只能探测出隐患部位的平面位置，深度信息较少;地震折射法受制于下层介质波速大于上覆介质波速条件和探测边界效应的影响;面波法虽不受波阻抗差异的约束，但其探测深度仅为其波长的一半;自然电场法易受测区内游散电流的干扰;瞬变电磁法探测分辨率较低且存在探测盲区，无法探测较浅和较小的隐患[4-7]。由此可见，鉴于单一物探方法的适用性和局限性，基本无法较快速、精确地全面获得堤防隐患的分布情况。

为避免单一物探技术的局限性，快速准确地查明堤防隐患的分布和特性，本文在分析堤防工程的特点、常见介质的物性特征及常用物探方法的特点基础上，对综合物探方法在黄河下游堤防隐患探测实例中的应用进行了介绍和分析，以期为类似隐患探测问题的方法选取提供借鉴。

2 堤防工程特点及常见介质的物性特征

河道堤防工程是我国防洪工程体系的重要组成部分，主要由堤身和堤基两部分构成。其特点主要为：堤基条件差，基础大多为砂基且基本没作处理;堤身质量差，大多是在原民堤的基础上逐渐加高培厚而成;筑堤时普遍在堤后取土，且取土后造成的坑、塘多未作处理。这些特点是造成堤防工程隐患种类多且复杂多变的主要原因[8-9]。

堤防工程中堤身部位常见的隐患包括洞穴、裂缝、松散体等，堤基部位隐患主要为渗透破坏。当堤身存在洞、缝、松等隐患时，隐患部位因含水率较低和空气填充，故相对于周围介质呈明显的高电阻率和低波速的物性特征;埋深较大的堤基部位，因含水率较高，故隐患部位常常呈现低电阻率和低波速的特点。这种介质间的物性差异，为利用物探方法查明堤防工程中隐患的平面位置、规模和埋深等分布规律提供了必要的地球物理基础条件[10]。

表1为堤防工程中常见介质的物性参数。由表1可知，筑堤常用的黏土、砂等原料和空气、水、岩石等介质之间存在明显的物性差异，再加上堤防工程结构复杂以及隐患类型和分布复杂多变，致使常用的堤防隐患探测方法都有其局限性。因此，综合采用多种物探方法进行探测，不同方法之间相互补充、取长补短，是提高隐患探测效果的良好途径[11]。

3 常用物探方法及其特点分析

3.1 地质雷达法

地质雷达法的探测原理是基于高频电磁波理论，工作时由地面向下发射宽频带、短脉冲电磁波信号，电磁波在介电常数发生变化的界面上产生反射而返回地面，并被地面接收天线接收。电磁波在地下介质传播过程中，其波形、路径及电磁场强度将随介质的电性、几何性态等变化而不同，通过分析携带介质地电信息的回波信号，就可以解译出目标体的位置、特性及分布（见图1）。该方法具有信号采集速度快、抗干扰能力强和分辨率高等优点，成为堤防浅部隐患探测的有效方法之一[12-13]。

在堤防工程填筑介质均匀且碾压密实的情况下，地下空间相当于均匀介质，雷达反射回波信号很弱且同相轴连续;当堤防内部结构发生变化，存在洞、缝、松等不良地质体时，异常体与周围介质之间的电性差异，导致回波信号在裂缝发育处产生同相轴错断，在孔洞或松散体部位产生弧状反射且振幅和频率等发生变化，在含水率较高的隐患部位波长变大且信号衰减强烈。因此，根据反射信号的强度、波形及同相轴的特征便可识别堤防浅部隐患的发育状况。

3.2 高密度电法

高密度电法是以地下岩土介质的导电性差异为基础的一种直流电探测技术，其探测原理是通过向地下介质供入电流的方式形成人工电场，并利用测量电极观测其电场分布来研究地下介质的分布情况（见图2）。其集电剖面法和电测深法于一体，具有采样密度高、采集速度快等优点，一次布极可实现多种装置观测，从而获得更加丰富的地电信息。由于高密度电法具有一定的体积效应，因此常用于查明相对其埋深具有一定规模的隐患（堤身部位），但对查明埋深大的弱小隐患比较困难。

理想情况下，当堤防工程地下介质均匀、无隐患时，其视电阻率等值线呈水平层状分布且电阻率值从堤顶向下一般呈降低趋势。当堤防内部存在洞穴时，相应部位呈现视电阻率梯度变化较大、范围较小的圆形或椭圆形高阻分布，其值达到或大于2倍的正常背景值;当堤防内部有土质松散或不均匀体时，便会出现范围较大、形态不规则的高阻分布，且其视电阻率异常值接近或超过1.2倍的正常背景值。根据视电阻率的大小及分布，综合考虑测区相关堤防资料，便可推断出隐患部位的埋深、性态和分布[14-16]。

3.3 面波法

面波法基于堤防工程隐患部位与周围介质的波阻抗差异，通过仪器接收人工激发的多种频率成分的面波，利用面波在层状介质中的频散特性，分析堤防浅部构造的变化规律，以达到探测堤防隐患分布特征的目的，其工作原理见图3。面波法探测深度较大，但具有一定的浅部盲区，常被用于探测具有一定规模且埋深较大（堤身或堤基）的隐患[17-18]。

面波的波速与介质的密实度紧密相关，密实度越大波速越高，密实度越小波速越低。面波波速与堤防工程的填筑质量有较好的对应关系，当堤防内部存在一定规模的孔洞和土质疏松区时，隐患部位与正常介质之间存在明显的波阻抗差异。因此，可根据其传播速度和频散曲线来分析判断地下介质的变化规律及隐患的分布等[19]。

4 堤防隐患探测实例及分析

黄河下游某堤防工程，近东西走向，堤高6～9 m，两侧地形平坦。地质勘察及土工试验结果显示，堤身主要以砂壤土、粉砂为主，堤基主要由壤土和粉砂组成。因修建年代久远、基础差、土质复杂，且长期受黄河水、大气降水的侵蚀和冲刷，堤防内部很可能形成了危及堤防安全的裂缝、动物洞穴或局部不密实区域等隐患，在堤防发挥防洪功能时，极易形成塌陷甚至决口，急需查明堤防工程内部的病险和隐患，为除险加固提供依据。在综合分析堤防工程地形地貌、工程特点及介质物性特征的基础上，采用地质雷达法、高密度电法与面波法联合开展了堤防隐患探测工作。

4.1 地质雷达法探测结果

地质雷达探测采用美国GSSI公司生产的SIR-4000型探地雷达，结合探测的任务和要求，通过现场试验，选用中心频率为200 MHz的屏蔽天线。天线移动方向和探测方向一致且采用连续距离测量模式，扫描的采样点数为1 024，记录时窗为80 ns。为保证探测数据的稳定，工作时天线尽可能贴近被测物表面均匀移动，且移动速度小于0.5 m/s。

图4为桩号1+140—1+160堤段堤身浅部的地质雷达扫描图，可以看出：在水平起点距1～5 m、埋深1 m处以下图像上出现一组明显的弧状反射，推断为空洞或洞穴隐患;在水平起点距14.5 m的近地表处产生同相轴错断现象，推测为裂缝隐患。

4.2 高密度电法探测结果

高密度电法探测采用重庆奔腾公司生产的WDJD-3多功能数字直流激电仪，工作过程中全部采用施伦倍格装置。供电电极A、B对称布置在测量电极M、N的两侧的一条直线上，A、B两极与测点中心位置O距离相等。测量时，装置按设定的参数横向移动且同层A、M、N、B相对位置保持不变;随着测量深度增加，A、B间距扩大，M、N间距不变。为保证数据采集的效率和精度，使用电极总数为60个，采用2 m电极距，测量剖面数為15个。

根据所有探测数据的总平均值和标准差δ，求出界限值F1=-δ、F2=-δ/3、F3=+δ/3和F4=+δ后，将视电阻率值划分为ρ≤F1、F1<ρ≤F2、F2<ρ≤F3、F3<ρ≤F4和ρ>F4五个等级并确定色阶，绘制彩色剖面。图5为桩号1+100—1+200堤段高密度电法视电阻率剖面，图中显示该堤段视电阻率值整体呈现上高下低的趋势，且在水平方向起点距大于60 m的堤段电阻率整体升高，反映出筑堤土在该堤段性质的变化情况。同时在桩号1+123—1+130之间、深度8～13 m范围内出现一个高阻圈闭，反映出该部位电阻率相比周围介质较大，推断为筑堤土体的不密实区域。

4.3 面波法探测结果

面波法探测采用北京市水电物探研究所生产的SWS-6型工程地震仪以及与之相匹配的频率为4 Hz的检波器，采用锤击激发方式。现场工作时激振点和检波器排列在一条直线上，采用24道检波器接收，道間距2 m，点距6 m，偏移距15 m，排列长度共48 m，测点位置为检波器排列的中心。

根据面波数据成果图，可清楚地对堤防工程进行分层，并找出各层层厚及土力学分布特征，从而为堤防质量准确评价提供依据。图6为桩号1+100—1+200堤段面波法勘探数据反演剖面，整体上看随着深度的增大，堤防筑堤土的波速呈现升高的趋势。图6中显示水平方向起点距大于60 m堤段的波速明显变大，相应的密实度较大，推断出该处堤段为新旧土结合处，该处易产生裂缝、不均匀土体或不密实区域等隐患。

4.4 综合解译

黄河下游堤防工程隐患探测的目的是查明堤防内部的病险和隐患，为除险加固提供依据。结合已知的堤防工程地质资料，将地质雷达法、高密度电法和面波法探测的所有异常进行分类并进行分析解译[20]，具体结果见表2。

综合地质雷达法、高密度电法及面波法三种方法可知，黄河下游堤防工程1+100—1+200段、1+141—1+145段和1+154.5处各存在1处雷达异常，推断为空洞和裂缝隐患;在附近的1+123—1+130段存在一个高阻圈闭，推断此处存在不密实区域，中心埋深8～13 m;而面波勘探结果显示在桩号1+160附近堤段的波速或密实度差异明显，推断该处为新旧土结合处，易产生裂缝、不均匀土体或不密实区域等隐患，对地质雷达和高密度电法的结论提供了有益补充。显然，采用综合物探方法对堤防工程进行全方位多层次隐患探测，不同物探方法之间互为补充，更加准确地查明了堤防隐患的位置和特性，为堤防质量评价提供了更加准确的依据。

5 结 语

（1）物探技术具有快速、经济、无损等优点，适用于解决“如何快速准确查明堤防隐患的位置和特性”这一水利工程技术难题。地质雷达法具有信号采集速度快、抗干扰能力强和分辨率高等优点，但受有效探测深度的限制，适用于堤防浅部隐患探测;高密度电法具有采样密度高、采集速度快等特点，获得的地电信息更加丰富，但具有一定的体积效应，适用于探测堤身部位相对其埋深具有一定规模的隐患;面波法受浅部探测盲区的限制，对堤身或堤基部位具有一定规模的隐患探测效果较好。

（2）物探方法种类繁多，但在堤防隐患探测中，单一的物探方法适用性有限，无法全面解决堤防隐患分布问题。而针对堤防工程结构复杂、隐患类型和分布复杂多变这一特点选用多种物探方法及其组合，取长补短、互为补充，可成功解决单一物探方法的局限性和适用性这一难题，较为快速、精确且全面地获得堤防隐患分布情况，为堤防质量评价提供更加准确的依据。

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【责任编辑 许立新】