三维地质雷达在钱塘江海塘隐患探测中的应用

2022-10-09胡振华李云鹏夏润贤何震洲朱虹

浙江水利科技 2022年5期

胡振华，李云鹏，夏润贤，何震洲，朱虹

（浙江省钱塘江流域中心，浙江杭州 310016）

1 问题的提出

钱塘江是浙江人民的母亲河，钱塘江海塘则是沿江地区防洪御潮的重要屏障。位于海宁市、海盐县以及杭州市萧山区境内的古海塘有400多年历史，已列入国家级或省级保护文物。海塘多年来受到外界作用（涌潮、强降水）易存在发育隐患，这些隐患往往具有隐蔽性、渐变性，需要定期对海塘进行常态化监测以维持其长期运行。传统人工监测多采用巡查、观测等方式，能够对既有或正在演变的隐患起到监控作用，但很难满足大规模、高效率、高精度以及无损养护监测的需求。地质雷达方法高效、无损等优点恰恰弥补了人工监测方法的不足，尤其是由二维单通道地质雷达发展而来的三维车载地质雷达的应用，使常态化监测成为可能，有利于保障海塘安全。

地质雷达仪器设备伴随着电磁理论的发展而出现，近三十年来发展迅速，由于应用场景不同，产生多天线组合的阵列式及步进变频三维地质雷达。美国GSSI公司1990年设计出世界上第一台四通道数字化地质雷达，这是阵列式三维地质雷达的雏形；随后，1994年最先推出高速公路测量雷达SIR-10系列，并在我国首先使用。2001年，挪威3D-Radar公司推出GeoScope步进变频式三维地质雷达，通过发射步进频率的电磁波兼顾分辨率和勘探深度。2016年，中公高科养护科技股份有限公司和大连中睿科技发展有限公司联合开发52通道三维阵列地质雷达，我国地质雷达实现由二维单个天线到三维阵列式天线的跨越。

理论研究方面，李世念等[1]利用基于三维时域有限差分法原理的模拟软件GprMax 3D，开展道路路基空洞模拟和电磁波三维探地正演模拟，对获取的空洞模型三维数据体进行分析，研究2种不同充填条件下空洞模型的三维地质雷达图像特征，有助于三维地质雷达实测图像解译，提高判定监测结果的可靠性，为开展三维地质雷达在道路空洞探测中的研究积累经验。在实际应用领域，唐嘉明[2]于2020年基于三维地质雷达对沥青路面施工质量评价与控制进行数值模拟及实测数据分析研究。王洪华等[3]为全面了解上海某道路下方塌陷空洞的三维空间分布，采用意大利 IDS 公司生产的RIS-K2型地质雷达系统实现道路塌陷隐患三维探测的可视化和定量化，使塌陷隐患的反映更直观、解译更准确，大大克服了二维雷达探测的局限性。赵镨[4]利用三维地质雷达对北京某实训场实施道路结构及管线探测，取得理想的应用效果。

目前，相关仪器设备研发及理论研究已具备一定基础，但国内研究机构尚未在海塘堤坝监测中开展相关工作。本文采用数值模拟和现场实测相结合的方法对钱塘江海塘进行相关研究，研究成果有利于三维地质雷达技术的推广应用。

2 方法原理

二维地质雷达利用高频电磁波信号对地下目标体进行扫描获得探测影像，电磁波信号遇到具有波阴抗差异的界面会形成反射，且界面间波阴抗差异越大，反射信号越强。与发射天线同步移动的接收天线接收到反射的回波信号，通过数字信号处理，形成探测剖面图。对雷达图像进行分析、判断，可推断出地下介质分布特征。工作原理见图1。

图1 二维单通道地质雷达工作原理图

三维地质雷达采用阵列天线激发、接收技术，通过对某区域探测，能够形成高密度三维立体电磁波数据。该技术在二维地质雷达的基础上发展起来，通过发射天线和接收天线进行交叉发射-接收，实现一发双收的目的（见图2）。组成的天线阵列可同时采集多个通道的数据，达到三维勘探效果，属于三维探测技术。

图2 三维地质雷达的天线阵列工作原理示意图

与二维地质雷达相比，三维地质雷达有以下优势：

（1）采用三维阵列天线技术，可采集到高密度、无缝拼接的海量数据，不会造成地下信息缺失；

（2）高密度采集获得的纵、横向数据间距接近天线中心波长的1/4，满足高分辨率要求；

（3）通过三维阵列式天线实现真三维采集，为将来全三维处理、解释提供硬件实现的可能；

（4）三维阵列式天线发射脉冲频率一般可选择200 MHz~1 300 MHz，高频天线可做到超浅层的高分辨，低频天线可保证一定的探测深度；

（5）通过带基站的动态GNSS对天线阵列进行高精度定位，保证雷达数据的精确归位，直观解释图像。

3 海塘隐患模型的正演计算

正演计算是确定方法有效性的常用手段。常见海塘隐患有层间脱空、局部发育空洞等，该类病害多位于海塘表层以下，故一般无大量积水分布，具体表现为上、下两层结构之间存在由空气充填的空隙。本次正演计算以常见的海塘结构层间脱空为对象，建立简化地电结构模型（见图3），设置网络空间大小3.00 m×1.50 m，网格间距0.03 m×0.03 m，电磁波中心频率200 MHz，各物性参数按表1赋值，采用GPRMax3.0正演模拟软件进行正演计算，结果见图4。

表1 模型介质物性参数表

图3 海塘结构断面图与正演模型图单位：cm

图4 正演计算结果图单位：cm

由图4可见，脱空模型位置在地质雷达剖面上呈现弧形绕射异常。越接近模型中心异常强度越大，趋向两侧则异常渐弱，且形态趋于宽缓。计算结果表明，三维地质雷达用于海塘隐患探测具有可行性。

4 异常特征及验证

基于正演计算结果，在钱塘江海塘里程91K+400 m段，针对浆砌条石下方0.20~1.00 m深度范围的脱空发育情况开展试验。

根据设计资料，古海塘试验段塘面下方从上至下分别为浆砌条石、碎石回填土、水泥掺粉煤灰灌浆。其中条石厚约0.25 m；碎石回填层厚约2.00 m，呈倒梯形，自西向东厚度不断增大，碎石由反滤层包裹，反滤层西侧为回填粉土；水泥掺粉煤灰灌浆厚约3.50 m。

车载三维地质雷达沿海塘道路进行覆盖探测，测线沿道路方向布置，探测天线频率200 MHz，点距4 cm，测线线距4 cm，剖面见图5。

图5 三维地质雷达剖面图

由探测结果可知：在三维地质深度切片图中，海塘隐患出现不规则强振幅反射异常，相位局部存在倒转；在正交的2个二维时间剖面中，异常区振幅增强，有多次波发育，与周边存在明显差异。根据以上异常特征，圈定该处为疑似脱空异常隐患位置，采用800 MHz天线布置5条二维地质雷达对异常点开展复测，工作布置见图6。

图6 工作布置图

以L5、L7测线为例（见图7~8），两线分别相交于2.7/L5、14.8/L7位置。L5测线剖面中同相轴零星错断，0.5~9.5 m处（虚线框区域）同相轴局部上翘；L7测线处相位局部倒转，9.0~20.0 m处（虚线框区域）同相轴也存在上翘情况。2条正交测线的异常特征表明：该处异常呈现板状分布特征，中部存在脱空现象，导致电磁波传播速度加快，同相轴形成弧形上翘的特征。