探地雷达在塔里木河岸堤监测中的应用

才登巴

(塔里木河干流管理局，新疆 库尔勒 841000)

探地雷达是一种地球物理技术，用于探测和识别地表下的自然或人造结构[1-3]。探地雷达技术已经使用了约一个世纪。其发展的最初动机是军事性质的，用于探测隧道和埋藏的地雷[4-6]。如今，探地雷达作为一种非侵入性的方法被广泛应用于各种工程测量中，用于探测地下的空间特征。

近年来，水工建筑物地下空洞的探测和表征是需要解决的主要问题之一[7-8]。空洞问题可能威胁到结构本身的完整性和稳定性。防洪堤监测包括识别潜在的威胁，目前主要的检测方式为目视检查，这样费时又费力，并且只能观察到外观[9]。然而，在枯水期尽早检测河堤中的隐藏空隙是一项基本要求，为此确定一种有效的技术是一个关键问题[10]。

本文主要是为了测试探地雷达探测堤坝的可行性和有效性，特别是探测动物洞穴和地洞。这些洞穴的存在会明显恶化洪水风险缓解结构的性能，从而增加防洪堤溃决的风险。从实践的角度来看，利用地质雷达获取这些结构完整的详细信息具有一定作用。本文研究分析了探地雷达技术在塔里木河岸的应用情况。

1 研究区概况

塔里木河流域包括塔里木盆地、周边向中心聚流的九大水系、114条源流和塔里木河干流、塔克拉玛干大沙漠及东部荒漠区。流域总面积102万km2，流域内有5个地(州)的42个县(市)和兵团4个师的55个团场，全流域总人口902万人，流域内现有耕地136.27万hm2。九大水系包括孔雀河、迪那河、渭干河、库车河、喀什噶尔水系、叶尔羌河、和田河、克里雅河和车尔臣河水系。塔里木河是一个封闭的内陆水循环和水平衡的水文区域，该河干流上段从阿拉尔到曲毛格金河段属动荡型河道，河势的变化非常频繁且幅度较大，河流周围地区一直面临着洪水泛滥和河岸侵蚀等重大问题，研究段位于曲毛格金河上游约12 km处。

2 研究方法

探地雷达是一种非常有效的浅层目标探测工具[5]。当地形覆盖层相当光滑且穿透层干燥时，可获得最佳结果。探地雷达的一个主要优点是能够在相对较短的时间内，在较宽的区域内以连续的方式进行扫描。

电磁波传播的两个重要介电参数是电导率和相对介电常数，如式(1)～式(2)：

(1)

(2)

式中：σ为电导率，S/m；ρ为电阻率，Ω·m；εr为相对介电常数；εb为材料介电常数，F/m；ε0为真空介电常数，取8.85×10-12F/m。多孔介质的相对介电常数εr可以认为是不同相的相对介电常数总和，如式(3)：

(3)

式中：εr,l为液态水的相对介电常数；εr,a为空气的相对介电常数；εr,s为固体的相对介电常数；α为几何参数，取0.5(取决于矿物颗粒的位置)；θl、θa和θs为各相的体积分数。这种关系被称为混合电介质模型。

如表1所示，液态水的相对介电常数值最高为80，因此它对地形的介电常数起着重要作用。如果测量时处理好含水量，将有利于测量结果；而当进行探测和定位深度物体的测量时，这一特征可被视为一个缺点，因为它会显著影响波的传播，尤其是当基底具有高黏土和盐含量时。

表1 不同材料的电导率σ、相对介电常数εr和速度v的参考值

探地雷达剖面的垂直分辨率是沿单一轨道反射的距离；区分附近两个物体之间的距离，称为X。在理想情况下，该距离X=0.25λ，而在实际情况下，X大于波长的一半如式(4)：

(4)

式中：λ为波长，m；f为波频率，MHz。因此，必须根据实际问题选择天线频率，在高分辨率和调查深度之间找到最佳方案。

3 案例研究

对塔里木河的几公里河岸和路堤进行探地雷达勘测,使用的地质雷达设备为RAMAC/GPR，配有一个250 MHz天线和一个RAMAC控制单元。250 MHz的天线在理想条件下和稍微导电的地形下，可以达到约3～43 m的最大深度值，但是在野外条件下，水的存在会降低这个值，本次的最大检查深度约为2 m，如表2。使用REFLEXW 5.0软件处理和分析数据，应用了无定向校正、平均去噪、背景去除和手动增益，静校正用于地形校正。

表2 不同频率对应的最大分辨率和调查深度

3.1 野外试验概况

为避免植被对调查结果的影响，调查是沿着河岸进行的，一直到大堤的斜坡和堤顶。主要调查了两个地点，调查点1土壤为粉质黏土，含砂量为9%，黏粒含量为36%，总饱和度为0.49 m3/m3。堆积密度从表层(0～50 cm)的1.28 g/cm3到深层(100～150 cm)的1.58 g/cm3不等；调查点2的土壤含砂量为15%，黏粒含量为29%，总饱和度为0.42 m3/m3。堆积密度从表层的1.48 g/cm3到深层的1.55 g/cm3不等。如上所述，εr通常是未知的，因为它取决于介质的矿物成分和测量过程中的湿度条件。

因此，我们针对每个地区特有的地面条件校准了探地雷达仪器(如图1所示)。这包括通过直接方法测量εr，方法是设定该条件下的速度，并选择合适的时间范围，以纳秒为单位进行测量。图2显示了使用位于已知深度的混凝土排水管进行的校准。通过试验得到此类土壤的波传播速度和介电常数。作为对照，试验还采用了速度自适应方法，该方法结果与现场观测结果一致。这一地区岸堤主要受动物洞穴的影响，这些洞穴通常位于河岸上，靠近溪流的自由表面，有的位于大堤内部。检测已知位置的空洞，识别未知位置的空洞，并使用一系列以蜿蜒模式进行的并行探地雷达扫描，通过地下地形的3D模型定量评估洞穴的尺寸和布局。

图1 利用已知深度的排水管进行校准图

图2 探测图

3.2 结果和讨论

如图2，探地雷达发现了一系列的洞穴，这些双曲线或与先前确定的洞穴位置相匹配或是未知的洞穴。后者是在探地雷达勘测后通过更精细的目视检查确定的，之前没有确定因其被植被掩盖。由于波速为0.08 m/ns，10 ns的反射时间对应于0.4 m的深度，因此洞穴通常在0.4～1.0 m的深度范围内。图3(a)描绘了从3D模型中检索的两个不同的洞穴，一个在面板顶部较大、较浅，一个在中央位置较小、较深。时间片的距离以米为单位，较长的一边平行于河岸，而较短的一边垂直于河岸。从软件处理结果可以获得关于扫描体积内深度变化的洞穴形状的信息，在这种情况下，深度从0.64～1.20 m。探地雷达勘测后几周，河道堤岸的修缮工程验证了这一信息的正确性，验证了探测到的洞穴的形状和深度。

图3 探地雷达处理软件的结果

探地雷达已经被证明是一种很好的探测堤坝空隙的工具。为了提高结果可信度，应在清除树木和杂草后进行探地雷达调查。植被的存在不仅是能量分散的原因，而且还妨碍了车轮里程表正确测量距离，在断面的水平尺度上产生误差。沿着堤坝的斜坡进行的扫描，如图3(b),没有得到高质量的数据，其原因可能为：

(1)大堤坡度较高，天线发射射线不与空腔相交如图4(a)。

(2)空洞的几何形状如图4(b)，即使它与天线发射的轴线相交，两者之间的相交深度也大于仪器的最大探测距离。

图4 河堤边坡探地雷达探测可能失败的原因

除了这些限制因素之外，探地雷达调查在解决当前问题方面有以下主要优势：

(1)易于实施测量。

(2)实时可视化收集数据并可以及时发现异常数据。

(3)可从地下地形的3D模型中获得关于空隙空间布局的详细信息。

4 结 论

本研究的主要目的是检验探地雷达方法在检测堤坝和河堤内部是否存在空隙和间断的适用性和有效性。在调查过程中，降雨导致土壤含水量高；介质中黏土的扩散导致土壤的高导电性等因素一定程度上干扰了监测：由于堤坝顶部和斜坡维护不善，存在大量植被；地下孔洞的形状、大小和位置变化很大，需要使用不同频率的天线。

另一方面，相对于传统的地球物理技术，探地雷达被证明是一种有效的堤防监测技术。

探地雷达技术在探测靠近河床的堤坝或土堤内的空洞(尤其是动物洞穴)方面显示出良好的性能。然而，需要进一步测试，以充分了解这一技术在监测防洪堤健康状况方面的实际能力，特别是较大的防洪堤以及用于减轻洪水风险的其他民用结构。