联合高密度电法和地质雷达法在北江大堤检测中的应用

梁 国

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 广州 510000)

水利工程的堤坝渗漏和稳固性问题，是影响堤坝安全运行的重要因素。洪涝灾害、长时间水流冲刷、堤身填土不均匀、发生渗漏未及时处理等都是堤坝渗漏甚至溃坝的原因[1]。对于堤坝渗漏和稳固性的探查主要有人工巡查、地质钻探、物探等手段。人工巡查耗费时间长，难以发现隐患；地质钻探具有破坏性，且只能了解有限的井下信息；物探方法特别是多种方法的联合使用，准确性强、效率高，是堤坝检测的重要手段[2-3]。

北江大堤捍卫广州、佛山、清远3市14个县(区)2700多万人口，3.76万亿元工农业生产总值，以及白云机场、京广铁路等重要基础设施，属于全国七大流域重点堤围之一，是珠江三角洲和粤港澳大湾区最重要的防洪屏障。洪水险情频发，堤坝前期施工填土不均，堤身不密实，存在生物洞穴及其它隐患，汛期极易引发管涌、散浸等渗漏险情。因此堤坝安全检测是堤坝工程管理中尤为重要的一项工作。

目前堤坝检测的物探方法中主要有高密度电法[2-4]、地质雷达法[2-3，5]、瞬变电磁法[3，6]、浅层地震法[3]等。其中高密度电法利用了介质的电阻率差异，通过研究电阻率的空间分布规律判定堤坝渗漏和稳定性情况；地质雷达法主要利用了介质的介电常数差异，通过研究超高频电磁波的反射图像来判定堤坝渗漏及稳定性。本项目联合采用高密度电法和地质雷达法对北江大堤部分堤围进行探测，分析两种方法的情况及各自的优点，为建立堤防隐患排查机制提供科学依据。

1 工程背景

北江大堤地理位置特殊，位于北江下游左岸，是广州市防御西江和北江洪水的重要屏障，国家一级堤围[7]。北江大堤保护区是洪水经常泛滥的区域，1954年12月进行筑闸联围和全面整修加固。1970—1971进行了第二次群众性大培修，但是防洪标准只达到20年一遇。1983—1987年按照100年一遇洪水标准，进行了第三次加固，并成功经受住了1994年50年一遇洪水的考验。2003年至2007年对北江大堤按照I级堤防、100年一遇防洪标准进行达标加固。北江大堤的险情绝大部分是由大堤渗漏造成的，因此检测堤身的稳固性和渗漏情况，是堤坝工程安全管理的基础。

2 方法原理

2.1 高密度电法工作原理

高密度电法属于直流电阻率法，以地下介质电阻率差异为物性基础，通过施加外部稳定电场，研究电流传播规律，通过数据反演，获得地下电阻率分布图像，从而了解地下结构[4，8]。方法工作原理与电阻率法一致，如图1所示。供电电极AB向地下接入稳定人工电场，测量电极MN即可得到电位差，MN中点处的视电阻率如公式(1)。

图1 电阻率法原理

(1)

式中，K—装置系数；满足方程(2)：

(2)

式中，AM、AN、BM、BN分别为对应电极间的距离，mm。常用装置主要有温纳装置、偶极-偶极装置、单极-偶极装置、单极-单极装置等，不同装置对应装置系数不同，如图2所示[9]。

图2 高密度电法装置示意图

高密度电法是集电剖面和电测深为一体，具有电极一次布设、数据采集自动化、可进行多种装置排列数据采集、数据采集高效等优点[4]。数据采集由电法仪器自动控制电极位置和电极距的变化，逐测点移动得到视电阻率，从而得到该测线的视电阻率断面。将测得数据反演处理，即可研究对应范围地下介质情况。堤坝的电阻率与其填充物的孔隙度、含水率、粒径等有关，堤坝内存在裂缝、空洞时，孔隙度变大，干燥时填充物为空气相应电阻率变大，孔隙被水填充后电阻率变小，与周围介质的电阻率存在差异，是高密度电法在堤坝监测中的物性前提[8]。目前，高密度电法已应用于堤坝渗漏隐患探测[8，10]、水库的溶洞探测[8，10，12]、堤坝浸润线探测等[11]。

2.2 地质雷达法原理

地质雷达利用超高频电磁波，通过发射天线将电磁波信号传入地下，经过地下目标介质发生反射和折射等，传回地表被接收天线接收[13]，如图3所示。通过研究接收信号的走时、形态等特征，推断地下介质的结构等特征[14-15]。地质雷达可探测地下的金属和非金属目标，亦可探测地下断层、脱空、水囊、渗漏等地质隐患情况。

由于地下介质具有不同的物性差异，如介电性、导电性、导磁性等。不同介质中的电磁波传播速率不同，穿过地下介质返回地表的走时有差异。同时受地下介质结构和形态影响，电磁波形态发生变化。电磁波的传播规律满足Maxwell方程，不同介质中的传播速率满足方程(3)。

(3)

式中，c—真空中的光速，m/s；v—介质中的电磁波传播速度，m/s；εr—介质的相对介电常数。

地质雷达的工作原理图如图3所示。

图3 地质雷达法工作原理图

地质雷达以其无损、高效、高分辨率、结果直观等优点广泛应用于工程中，在水利工程中已广泛应用于检测堤坝裂缝、渗漏、边坡塌陷等[15-17]。

3 北江大堤探测成果与分析

3.1 高密度电法测线布设

高密度电法的排列方式和电极距需要根据探测目标现场实验确定，本次对比试验包括偶极-偶极装置、单极-单极装置、温纳α装置，最终确定偶极-偶极装置、电极距1m作为本次数据采集的参数。选择其中两条侧线的探测成果进行说明，这两条测线位置如图4所示。

图4 高密度电法测线布设示意图

对于所采集数据，在数据处理时选择阻尼最小二乘法进行反演计算。阻尼最小二乘法作为一种全局寻优算法，经过多次迭代可以得到最优的模型[10，12]。将数据通过反演软件进行处理和分析，得到视电阻率剖面图。对数据进行重新排列、剔除异常值、数据平滑处理，根据测区内干扰情况设定阻尼系数，本次室内数据处理选用阻尼系数为0.15[12]。对于同一条测线分段测量数据，在软件中进行重组合并；对于分数据间初始电极位置不同，进行初始电极位置重新设定。反演的结果清晰可靠，如图5—6所示，在所有的成果图中未发现有明显“病害区”异常。

图5为测线1高密度电法电阻率成果剖面图，图6为测线2高密度电法电阻率成果剖面图，可以看出浅部填土和河床阶地的地层电阻率测线1和测线2的高密度电法电阻率成果图一致，浅部为较密实的高阻介质，深部为视电阻率较低的介质，有明显的分层。

影响介质电阻率的因素主要金属矿物含量、含水率、孔隙度、粒径等[11]。对于非饱和土层：含水率越高、密实度越高、粒径越小，电阻率值越低；当含水率和粒径不变时，电阻率值大小基本反映了填充土体的密实度变化。当非饱和土层中有裂缝发育时，被空气填充，密实度会相对降低，在视电阻率剖面图上反映为高阻异常；当裂隙被水填充，在反演结果上表现为低阻异常。从图5可以看出：左侧为高阻，推断大堤堤身填土均匀，相对较密实；在测线33～40m和53～55m两处，浅部存在低阻异常反应，推断有局部松散的情况；从图6可以看出：浅部为较密实的高阻反应，深部为视电阻率值较低的反应。在15～20m处，有较明显的低阻反应，推断该处局部填充物不均匀，为泥砂，所以表现为向上突起的低阻状现象。两条测线成果图中电阻层位分层较为明显，具有较高的探测精度值。

图5 高密度电法测线1视电阻率成果剖面图

图6 高密度电法测线2视电阻率成果剖面图

由图5和图6的探测结果可知：高密度电法在本次探测中，清楚的反映了堤坝的地下结构情况，满足了本次工作的需要。

3.2 地质雷达法探测及应用

在堤坝的地质雷达检测中，测线以平行堤轴线方向为主测线，部位分别在堤顶、迎水面、背水面布置；在垂直堤轴线方向的堤肩部位或需要详查的部位布置副测线。在探测前，初步了解大堤的地质环境及构造情况，根据探测的深度、分辨率等进行试验，选择满足条件的雷达天线。

根据现场实际情况，在坝顶布设测线，选用100MHz天线的马拉雷达，以连续工作模式进行探测。大堤形成的侧面反射和多次回波会严重干扰雷达数据，在数据分析解释时加以识别和消除。选取其中一段雷达测线布设示意图，如图7所示。

此次雷达探测，共完成测线总长度72146m，将所测数据通过专业处理软件Reflexw2D进行处理和分析后得到雷达检测分析成果剖面图。大堤由粘土、砂、砾石、混凝土等材料堆砌而成，在坝体物质均匀，大堤碾压密实的位置，雷达反射波很弱，反射图像同相轴连续，视频率均一，反射波无明显异常；当大堤存在渗漏、疏松等异常时，在水的影响下，渗漏、疏松部位材料吸收水分，会相对的饱和，介电常数和电导率会增大，与正常填充部位形成明显的电性差异界面，在雷达剖面区域形成强反射区。此时，雷达剖面上反射波强度加大，反射波同相轴不连续，反射波会“变胖”[15]。根据处理后的雷达图像可知，在所有的成果图中未发现有明显“病害区”异常。

其中一段地质雷检测成果图如图8所示，该图地质雷达图像反射波变化较均匀平滑，大堤普遍情况较好；但在红色方框中，地质雷达图像发生了变化，但不易确定产生该分界面的原因。在0～12m，地质雷达反射波清晰且连续；在12～19m发生变化且振幅较大，从雷达数据分析处理的成果来看，在瞬时相位谱中，时距30～65ns同样存在一个比较明显的分界面，这段区间的振幅值明显大于其他区间的振幅值，在此区间电磁波在其中发生较强的散射、绕射等。结合工程实际情况，可以推断在12～19m位置地下浅部，有一薄层存在疏松的情况。

图7 地质雷达测线布设示意图

图8 地质雷达大堤检测成果图

4 结语

高密度电法探测深度取决于电极距，可以探测到深层数据，且深层的数据精度高，反演成果可靠；地质雷达法浅层的数据更直观，精度高，但深层数据失真；两种方法相辅相成，相互验证。联合采用高密度电法和地质雷达法，相对传统的电法探测和普通探地雷达法效率更高，探测深度更深，结果更准确可靠。结合北江大堤应用实例，采用现代物探技术和专业数据处理分析的关键技术，探测结果相互验证，证明了该堤段无明显的病害发生，为建立风险隐患排查机制提供可靠依据，具有广阔的应用前景，对水利工程堤防科学管理及隐患排查、预防具有重要的参考意义。