上海海塘安全隐患地球物理快速探测与识别

王 远

（上海市地质调查研究院，上海 200072）

对于低海拔的沿海城市，海塘的安全直接关系城市的安全[1-2]。所谓“千里之堤，溃于蚁穴”，海塘安全的致命威胁又往往来自于那些外观无法发现的海塘内部隐患。上海的一线海塘约523 km，大多为充泥管袋加吹填土的复式断面结构，目前海塘管理部门对海塘的安全管理主要采取定时定点的外观巡查和沉降监测[3-4]。它们一般揭示海塘的外观破坏和区域沉降情况。对于海塘坝体内部易生的空洞、疏松、土体扰动等局部隐患，则没有进行过系统的探测，对隐患探测手段及其相应特征也没有较为清晰的认识。

本文结合海塘隐患探测工作的现实特点，利用两种相对快速的地球物理方法，对多个上海一线海塘区段进行了隐患探测。探讨了相应物探方法的应用效果，分析了可识别的各类典型隐患及其地球物理特征，总结了相关经验认识，为上海一线海塘的科学管理、保障城市安全提供数据支撑和技术储备。

1 海塘安全隐患快速探测原则与方法

1.1 方法选取原则

海塘内部隐患是海塘堤身内部地层扰动、疏松、空洞等影响海塘安全的各种不稳定潜在地质隐患。对这类隐患的检测一般要求不对海塘本体造成破坏，即无损性；同时，由于海塘延展较长，从管理的角度出发，需要一种快速的检测方法，即高效性。此外，海塘堤顶路面一般为可行车的道路，较为平整，适宜布设规则的地球物理排列装置，具有场地优势[5-9]。

基于以上考虑，我们主要采取地质雷达法和浅层地震法，并且选择在堤顶路面布设测线，以做到探测目标的深浅互补，又具有相对比较高的探测效率。

1.2 地质雷达法原理及布置

地质雷达法是在地面通过天线向地下发射高频电磁波脉冲，电磁波经过地下地层或目标体反射后返回地面，被另一天线在地面接收。当地层中目标体与周围介质有一定电磁物性差异时，便能在地质雷达剖面上表现出波形差异，通过分析雷达剖面上波组的相位、频谱、振幅等特性的横向变化规律，便能判断地下介质的异常（介质扰动等）位置及深度。

地质雷达法的布置是在堤顶路面中央，沿海塘走向布设连续测线。采取等时采集的方式，天线频率：400 MHz，采样点数：1024，记录长度：100 ns，扫描数：50 scans/s，mark距离：1 m，带通滤波：高通100 MHz，低通800 MHz，以约1 m/s的速度进行人工拖曳连续探测。

1.3 浅层地震法原理及布置

浅层地震法是通过规则的检波器排列接收人工敲击震源产生的弹性波来推断地下地层结构的方法。是用于探测浅部介质中纵、横向不均匀体（洞穴、障碍物、管道、空洞、地裂缝与疏松带、滑坡体等）的有效方法。这里主要利用其中的地震映像法和瞬态面波法。

地震映像法是基于反射波法中的最佳偏移距技术发展起来的一种浅地层勘探方法，采用人工激发方式，在相距震源一定距离摆设单道检波器接收由地下散射回来的地震波，检波器通过人工控制的形式等距的与激发点同步移动，来获得地下丰富的波动场特征资料，通过对波动场资料在时间域和频率域进行处理分析，可以推断地下地层（物质）结构。

瞬态面波法是利用人工瞬时冲击力作震源激发面波，地表在脉冲荷载作用下，产生波动。在离震源一定距离处，布置多道检波器来记录面波的垂直分量。对记录的面波信号作频谱分析和处理，计算并绘制VR-λ频散曲线，根据频散曲线特征分析解决地质问题。

在海塘隐患探测中，两种浅层地震方法的采集布置是同步的，即在堤顶路面中央，沿海塘走向布设连续测线，在测线上布设一条全排列（24道）检波器，采用人工锤击震源，最小偏移距4 m，炮间距1 m，道间距1 m，检波器主频4.5 Hz，每道记录长度1 s，采样间隔0.125 ms。采集时，所有检波器置于同一条拖带上，每敲击一炮即获得一个排列的单炮记录，然后整个排列向前拖曳一个炮间距，进行下一炮的采集，以此滚动获得整个测线的单炮记录。每一单炮记录可进行瞬态面波分析，而整条测线中可抽取共偏移距剖面，即获得多偏移距的地震映像剖面，选择异常最明显的偏移距剖面作为地震映像成果解释的标准剖面。

2 隐患类型快速识别与探测效果分析

近年来，我们对上海多个复式断面结构的一线海塘进行了共计约50 km的隐患探测，涉及到崇明三岛、浦东新区、奉贤区等。结果显示，两种方法在不同的探测深度范围内能有效探测到坝体内的典型异常，主要包括浅部路基地层扰动、坝体内部地层褶曲、错断、疏松、脱空等局部性扰动、穿堤管涵、局部埋藏异常体等。

2.1 可识别的隐患类型及特征

（1）路基结构扰动

地质雷达法可以精细刻画出海塘堤顶路面的路基结构（约2m以浅，图1a），一般可识别出4个有效界面，界面1为柏油路面，界面2为柏油层与混凝土层的分界面，界面3为混凝土层与杂填层的分界面，界面4为杂填层与吹填管袋土层的分界面。

雷达剖面中各个界面的扰动反映了路基结构的扰动。路基稳定的雷达剖面具有层位连续性好、同相轴无明显起伏、层间各波组横向发育稳定、能量均匀等特征（图1a）。路基结构扰动经常发生在界面2和界面3，表现为界面同相轴大倾角起伏、交叉或消失、能量突变等特征（图1b）。

图1 奉贤某海塘路基结构(a)与扰动(b)地质雷达典型剖面Fig.1 Typical radar profile of subgrade structure (a) and disturbance(b) of a seawall in Fengxian

（2）坝体整体稳定性与结构分层

路基以下较深部的坝体结构稳定性主要由地震映像方法反映。地震映像采集的主要是面波数据，剖面中面波波组的扰动情况反映了坝体地层的扰动情况。典型的地震映像剖面（图2a），横坐标为偏移距和测线里程（单位m），纵坐标为双程走时（单位ms），图中各频率波组横向发育稳定，波形没有出现局部剧烈变化，整体连续性好，能量均匀，说明此处坝体地层速度均匀，整体结构稳定，可作为坝体隐患探测判断的对比剖面。

坝体的结构分层主要由瞬态面波法反映。通过对多个连续单炮记录数据的面波频散分析可以得到海塘坝体的面波速度剖面，速度的界面分层反映了坝体的主要结构分层。图2b为典型的海塘瞬态面波速度剖面，横坐标为测线里程（单位m），纵坐标为深度（单位m），在堤顶路面以下2m左右有一组明显的速度分层，为堤顶路基的底界面，此界面以下为充泥管袋加吹填土筑成的坝体。若坝体内部存在局部扰动，则可见如图所示的扰动界面。在堤顶路面以下约9 m位置，存在一处速度分层，为坝体结构底界面，其下为反滤层及软土地基。

图2 浦东某海塘地震映像(a)与瞬态面波速度(b)典型剖面Fig.2 Typical section of seismic image (a) and transient surface wave velocity (b) of a seawall in Pudong

（3）坝体地层起伏扰动与褶曲或错断

坝体地层起伏扰动，一般是局部基底地层沉降或工后局部沉降引起的坝体土层的整体起伏，是土体整体的形变，这种隐患可以被地震映像方法有效识别。在地震映像剖面上往往表现为主要波组同相轴连续性好、具有相对缓和的起伏形态、波组上下未伴生杂乱波形（图3a）。这种隐患往往代表着海塘地层发生了轻微起伏扰动，但地层的整体连续性没有发生严重破坏。

坝体地层褶曲或错断隐患类似于地层起伏扰动，但地层起伏变化更加剧烈，导致地层的连续性已经遭到破坏，这种隐患可以被地震映像法有效识别。在地震映像剖面中表现为同相轴突然发生交叉或错断，且附近波组伴生有相位增多、频率变低特征（图3b）。

图3 横沙岛某海塘坝体地层起伏扰动剖面(a)与褶曲错断剖面(b)Fig.3 Stratigraphic profile of undulation disturbance (a) and folding fault (b) of a seawall in Hengsha Island

（4）坝体地层紊乱扰动与地层疏松

坝体地层紊乱，一般是由于局部沉降或人工修补使坝体原有的地层结构发生了变化，但没有发生明显疏松脱空情况，多发生在局部修补的区段，反映了修补痕迹，这种隐患可以由地震映像法有效识别。在地震映像剖面上通常表现为面波同相轴主要波组连续性突然变差，波组整体出现紊乱，但紊乱波组下部未见明显挂面条现象（图4a）。

坝体地层疏松是海塘的重要隐患之一，往往会导致坝体渗漏、坍塌溃堤等重要灾害，这种隐患可以由地震映像方法有效识别。在地震映像剖面中，表现为主要波组同相轴整体下拉、绕射特征较弱、波形杂乱或出现挂面条现象、主要波组能量减弱甚至消失等特征（图4b）。一般来说，坝体局部疏松异常最后往往发育成空洞，所以疏松异常顶部能看到隐约的绕射形态，说明其已经具有一定的空洞形态。

图4 浦东临港某海塘坝体紊乱扰动(a)与地层疏松(b)剖面Fig.4 Stratigraphic profile of disturbance (a) and strata looseness(b) of a seawall in Pudong Lingang

（5）坝体地层空洞或脱空

坝体地层空洞或脱空是海塘另一重要隐患，进一步发育会直接导致坝体坍塌、溃堤等，这种隐患一般是坝体内部渗流作用造成的下部土层流失或工后垂向不均匀沉降产生的空隙导致[10-12]，可以由地震映像方法有效识别。在地震映像剖面中，地层空洞表现为主要波组同相轴有明显双曲线绕射形态，同时下部伴有挂面条波形发育（图5a）。地层脱空表现为主要波组上部形态正常，下部波组能量减弱至消失并伴有杂乱短同相轴发育（图5b）。一般来说，相对于穿堤管涵，坝体内部的空洞与周围土层之间的界面相对不规则，这就造成空洞在地震剖面中具有不太规则的绕射弧形态，同时空洞内部是不规则土层，造成绕射弧下部伴有挂面条波形现象。

图5 浦东临港某海塘地层空洞(a)与脱空(b)剖面Fig.5 Hollow section (a) and void section (b) of a seawall in Pudong Lingang

（6）穿堤管涵

由于工程建设需要，海塘中往往分布各种穿堤管涵，其与坝体的接触区域可能造成坝体地层的扰动，发展成附近坝体地层的疏松、脱空、渗流通道等。其中，2m以浅的穿堤管道可以由地质雷达法反映，较深部的穿堤管涵可以由地震映像法反映。

较浅的穿堤管道在地质雷达剖面上表现为典型的双曲线绕射波形（图6a）；较深部的穿堤管道在地震映像剖面上表现为双曲线亮点及绕射波形，且绕射弧下部无明显挂面条形态（图6b），部分穿堤联通渠涵洞则在地震映像剖面上表现为亮点及具有一定涵洞形态的绕射波形，且下部也无明显挂面条形态（图6c），这是由于管道或涵洞与周围坝体之间界面物性差异明显，界面形态规则，往往会造成地震剖面中规则的绕射波形态特征。

图6 各类穿堤管道的地质雷达(a)与地震映像剖面(b/c)Fig.6 Geological radar (a) and seismic image profile (b/c) for various types of dike penetrating pipelines

（7）坝体浅埋异物

海塘隐患探测中，除了明显的局部疏松等地层隐患和穿堤管涵外，还发现一种局部异常，其主要由地震映像法识别，在剖面中表现为浅部主要波组较为稳定，下部波组出现一组或两组局部亮点波形，其周围的伴生杂波较少，且无明显绕射形态，推断此类隐患是浅埋的不明异常体或局部地层物性突变（图7），可能是施工阶段的残留物或施工时局部不均匀吹填土造成。

图7 浦东某海塘坝体浅埋异常体剖面Fig.7 Shallow buried abnormal body profile of a seawall dam in Pudong

2.2 可探测深度分析

（1）地质雷达

地质雷达法的探测深度，主要跟天线频率、场地环境、介电常数等有关[13-14]。海塘隐患探测中为保证较高的分辨率，选用的是400 MHz频率的天线，介电常数选取为7，由此得到的有效探测深度为2 m左右。对于2m以下的地层，地质雷达法无法获取有效信息，这跟海塘特殊的地质环境有关。主要是由于上海地区地下潜水面较高，海塘又受海水潮汐影响，这都对电磁波的向下传播产生较强的屏蔽，制约着地质雷达法的探测深度。

（2）浅层地震

浅层地震法的探测深度跟排列布置、检波器频率、震源能量等有关，本次海塘隐患探测观测系统采集的波型以面波为主，通过面波频散分析得知有效探测深度在15 m左右。

对于具体隐患的埋深判断，可利用面波频散分析确定，但此法数据分析量大效率底，不适合隐患的快速识别和大面积普查。因此，为提高探测效率，采用地震映像剖面快速识别方法，通过对比所有偏移距剖面，选择对隐患异常反映最明显的偏移距剖面作为解释剖面，根据面波传播原理，所选择的剖面偏移距值大体等于对此隐患最敏感的某频率面波的波长，则隐患的埋深为1/2个波长值，即隐患的深度为所选偏移距值的一半。此法误差在1~2个道间距范围内，在海塘地震映像探测中也得到实际验证。

3 验证案例

3.1 异常识别的验证案例

长兴岛某处海塘识别出来地层疏松隐患后，发生了海塘结构塌陷。

2021年9 月，海塘维养人员在长兴岛海塘巡查时发现某海塘外坡发生了严重塌陷，塌陷位于消浪平台下坡，堤身内管袋破裂、水土流失、堤身内坡掏空，上层砌石结构断裂塌陷，栅栏板层断裂，见图8。图9为2018年12月长兴岛海塘地震映像探测成果剖面，当时图中红色线圈位置解释为地层疏松扰动。将解释成果与塌陷情况对比发现，二者位置高度一致，这很好地验证了探测结果的准确性，并体现了一定的预警性。

图8 长兴岛海塘塌陷情况Fig.8 Collapse of seawall in Changxing Island

图9 长兴岛某海塘地震映像探测波形变面积显示(a)与变密度显示(b)成果剖面Fig.9 Results display of variable wave (a) and variable density (b) of seismic image detection of a seawall in Changxing Island

3.2 深度判断的验证案例

浦东临港某处海塘穿堤燃气管的探测分析结果与已知管道标识信息一致。

图10为浦东临港某处海塘地震映像剖面，其中存在一处绕射异常，为一根管径0.95 m，埋深6.3 m的穿堤燃气管道（据现场标示牌）。地震映像所有偏移距剖面中对此异常反映最明显的是偏移距为12 m的剖面（图10a），按地震映像快速识别方法判断异常埋深在6 m左右，这与实际情况基本一致。此外，对此处进行面波频散分析获得面波速度剖面（图10b），同样显示燃气管异常在6 m左右。可见，由地震映像快速识别方法判断隐患深度是有效的。

图10 浦东临港某燃气管地震映像(a)与面波速度(b)剖面Fig.10 Seismic image (a) and surface wave velocity (b) profile of a gas pipe in Pudong Lingang

4 认识与结论

4.1 方法的有效性和高效性

（1）地质雷达法可以精细刻画海塘路基结构，通过路基结构形态特征能有效识别相应的扰动隐患，方法分辨率高，但探测深度较浅（约2 m以浅），比较适合浅部路基的精细化探测和浅部管道探测。

（2）浅层地震法可以识别海塘路基以下至坝体基础底部范围内（约2~15 m左右）的坝体结构隐患，对局部结构异常反应灵敏，方法探测深度较深，但分辨率相对于地质雷达较低，比较适合坝体结构扰动的快速识别、重要异常点的精细化探测以及大管径穿堤管涵的探测。

（3）地质雷达法利用人拉或车载拖曳方式连续行进，探测速度快效率高。本文浅层地震法采用拖带式的固定排列方式，相对于传统的地震采集方法速度较快，其中地震映像法能快速识别异常位置和深度，整体效率相对较高，而瞬态面波法需后期处理的工作量大，整体效率相对较低。

（4）此外，其他常用物探方法中的高密度电法也能取得一定的探测效果，但效率较低不适宜快速探测，而近年新兴的三维地质雷达和小线圈瞬变电磁法则具有更高的探测速度，有望在浅部快速探测中取得较好应用，但二者均基于电磁特性，其探测深度和精度仍有一定局限性，有待进一步研究。

4.2 隐患特征识别

（1）地质雷达剖面中，隐患识别时以主要界面形态扰动和能量变化特征为主，一般主要界面发生剧烈扰动时，则表征路基结构存在一定扰动隐患。

（2）地震映像剖面中，坝体地层的整体起伏扰动会造成主要波组的同相轴起伏，但仍保持较好的连续性；坝体地层的褶曲、错断、紊乱等扰动，会造成同相轴的连续性中断，表现出交叉、错断、杂乱状等形态；坝体地层的疏松，会造成地层横向速度变化，表现出同相轴主要波组整体下拉、连续性中断、局部波型杂乱并伴有挂面条形态等；坝体地层脱空主要表现为同相轴的能量减弱甚至消失并伴有杂乱短同相轴发育，地层空洞主要表现为波组同相轴有双曲线绕射形态，同时下部伴有挂面条波形发育；穿堤管涵在地震映像剖面上表现为双曲线亮点及绕射波形，且绕射弧下部无明显挂面条形态；坝体浅埋异常体则表现为浅部主要波组较为稳定，下部出现一组或两组局部亮点波形，且周围的伴生杂波较少。

（3）在大面积海塘隐患普查中，可采用地震映像剖面快速识别方法确定隐患类型、位置和深度，再根据需要利用瞬态面波和其他物探方法进行隐患的精细探测。

（4）从探测的效果上看，两种物探方法能够在海塘上快速有效的反映出异常，这对于海塘运维过程中的大面积快速安全评估具有较好的应用前景，同时也应认识到，由于物探资料反演的多解性，对于隐患的识别解释仍然会存在认识误区，可以综合周围环境、结构资料、观测资料等多种信息共同解释。