多维雷达结合瞬变电磁法在海塘隐患探测中的应用

余延芬，王海礼，胡海忠，杨瑞东

（1.浙江省钱塘江流域中心，浙江 杭州 310016；2.浙江省钱塘江管理局勘测设计院，浙江 杭州 310016）

0 引 言

海塘在长期运行过程中，受到复杂的自然条件和人为因素影响，其防渗体系随时都在发生变化，甚至出现隐患。譬如：受潮水冲刷、人类活动、动物破坏、雨水侵蚀等因素的影响，海塘会出现裂缝、空洞、脱空及富水松软等现象[1-3]；部分海塘由于历史原因，塘身填筑材料复杂、填筑质量差，存在较大安全隐患。随着科学技术发展，近20年来，在以物理探测方法为主的无损探测领域，海塘工程探测技术研究成果丰硕。但由于海塘结构复杂且所处环境恶劣，以及考虑到物理探测方法反演结果具有多解性[4-5]，利用单一的物理探测方法难以全面了解海塘隐患情况，因此需要不断摸索和尝试，在创新和实践的基础上，进一步寻找适合海塘隐患探测的准确、高效、无损的综合物理探测方法。

1 探测技术路线

钱塘江海塘断面结构及填筑材料复杂，同时受强涌潮影响，迎水面水位变化幅度大，加大了隐患探测难度。全面调研现有探测技术并对探测设备及参数进行比选，采取的主要技术路线为：①浅部隐患探测以探地雷达为主，采用国内首创多维地下病害雷达检测系统，配备“车载二维+车载三维”、“低频+高频”雷达协作，兼顾探测深度与分辨率，多源、多模式探测，实现多维度时空大数据分析与海塘堤坝风险预警；②深层探测以瞬变电磁法[6]为主，为克服海塘高背景噪音、高级二次场微弱信号等难题，实施过程中增大发射线圈的发射电流；③联合探测和综合分析，排查隐患大小、范围、位置及类型；④人工钻孔验证，互为印证和补充。多维雷达结合瞬变电法技术路线见图1。

图1 多维雷达结合瞬变电法技术路线图

2 探测设备参数比选

2.1 探地雷达法

2.1.1 参数标定

影响探地雷达解译的因素众多，实施前采用地面耦合天线结合钻孔法对塘身浆砌块石结构、塘身草皮（砂土质）相对介电常数进行标定，结果见表1。

表1 探测目标相对介电常数标定表

采用己知深度目标换算法进行电磁波速度取值计算，根据公式T=K· 2D/V计算电磁波传播速度：浆砌块石平均波速0.12 m/ns，草皮平均波速0.10 m/ns。结合现场情况，经标定确定探地雷达参数：采样点512个，采样频率5.12 GHz，天线中心频率200 MHz，测量轮精度2 cm，探测时窗100 ns。

2.1.2 频率比选

根据探地雷达特性，一般天线频率越高，探测深度越浅，分辨率越高；天线频率越低，探测深度越深，分辨率越低。为保障达到最佳检测效果，本次探测分别对100、200、500 MHz 天线进行比测。比测结果显示：3种频率的天线在病害处均有异常响应，但效果不同。500 MHz天线能明显识别病害异常，边界清晰，分辨率较高，但探测深度较浅；100 MHz天线部分浅层信号被掩盖，边界有误差，探测深度深，但浅层分辨率较低；200 MHz天线探测效果最好，异常响应明显，对干扰信号的过滤效果较好，探测深度适宜。

2.1.3 高、低潮位对比

同一测线上分别对高、低潮位采集的雷达剖面图进行比对分析，结果显示：浅层异常基本不受影响，高、低潮位探测效果基本一致；深层差异较大，高潮位时深层的多次反射波多于低潮位，为确保探测效果宜在低潮位时进行探测。

2.1.4 多维雷达比选

本改造是为了满足生产工艺需求，对引风机进行变频改造。利用DCS自控系统自动检测锅炉的压力、流量、温度，并根据工艺要求，自动控制变频器频率，通过电机调速达到控制风量的目的，使锅炉热交换处以最佳工作状态，改变原先靠阀门控制风量的工作方式。改造后不仅节省大量的电能，而且能非常有效地控制风量，提高锅炉工作效率，延长设备的使用寿命，降低维修成本。

试验中二、三维一体探地雷达的产品配套基于高精度定位系统，AI智能解译的二、三维一体化数据处理软件快速生成深度切片，并具备海塘堤坝病害体机器识别功能，大大提升了堤坝病害检测效率和准确率。同一测线上二维雷达和三维雷达采集的雷达剖面图以及对空洞病害的探测效果都非常清晰，但三维雷达的探测效果更加直观（见图2）。

图2 200 MHz三维雷达空洞病害切片图

通过以上对比测试，得到探地雷达法海塘病害体异常图像特征（见表2）。

表2 探地雷达法海塘病害体异常图像特征表

2.2 瞬变电磁法

2.2.1 回线装置参数比选

瞬变电磁常用的回线装置主要有重叠回线装置、中心回线装置、偶极-偶极装置、大定源装置等。瞬变电磁法的探测深度取决于塘身电阻率和仪器的采样时间及功率，故可通过调节发射频率和仪器采样时间，方便地控制探测范围。现场试验分别对边长1.0 m×1.0 m、1.5 m×1.5 m、2.0 m×2.0 m、3.0 m×3.0 m天线进行测试，依次对应探测的最大深度为5.0、7.5、10.0、15.0 m。本次探测采用重叠回线装置3.0 m×3.0 m线圈。

2.2.2 频率比选

在试验段同一测线上分别以6.25、12.50 Hz频率采集数据，绘制多测道剖面图，结果显示：两者形态差异较大，发射频率6.25 Hz具有更好的分辨能力和抗干扰能力，探测深度较深且对地下异常体范围的识别明显优于12.50 Hz。

2.2.3 高低潮位对比

通过对野外采集数据进行整理、格式转换和去噪滤波等预处理，利用预处理结果绘制初始多测道曲线，并根据曲线变化特点剔除畸变点数据，得到瞬变电磁法海塘病害体异常图像特征（见表3）。

表3 瞬变电磁法海塘病害体异常图像特征表

3 工程应用

将多维雷达结合瞬变电磁法应用于钱塘江北岸海宁段15 km海塘隐患探测工程，海塘塘面探测采用“探地雷达+瞬变电磁雷达”方法。布设测线平行于堤轴线，单条测线扫描宽度约2.5 m，依据浆砌块石塘面宽度确定测线布设数量，保证覆盖整个探测区域。对于车载无法进入的区域采用手推式便携雷达采集数据，测线布设数量根据实际宽度加密。对已发现的疑似目标采用RTK设备精准定位，现场使用便携式双频探地雷达复测详查，复测采取网格化加密布置测线。

探地雷达主要探测浸润线以上塘身隐患，瞬变电磁雷达主要探测浸润线以下塘身隐患。同时对比探地雷达和瞬变电磁雷达的探测成果，并对疑似病害采用地下空洞全景成像系统钻孔验证，成果见图3~7。

图3 K91+275海塘病害体空洞图

图4 K91+082海塘病害体脱空图

图5 K99+980海塘病害体严重疏松图

由图3~5可知，检测出空洞3处，面积3.80~11.55 m2，其中最大空洞长度5.50 m，宽度2.10 m，覆土厚度0.19 m，底部埋深0.71 m，位于海塘桩号K91+275处。检测出脱空区26处，面积0.90~20.20 m2，覆土厚度0.12~0.33 m，病害探地雷达和瞬变电磁图谱均有高阻反应。检测出严重疏松区28 处，面积0.56 ~80.00 m2，覆土厚度0.20~0.40 m。

由图6可知，综合2种方法共圈定深层异常23处，经分析初步判断3处富水体（渗漏点），覆土厚度2.80~4.70 m。

图6 K100+167海塘病害体富水体图

由图7可知，结合海塘剖面资料，根据钻孔进一步精准判断异常体（构筑物）20 处，埋深均在2.80 m以下。

图7 K101+95~K102+450海塘地下结构图

综上所述，对塘面隐患探测发现的空洞、脱空、疏松、富水、裂缝等病害进行分析统计可知，病害累计长度约9.8 km，占总探测长度的 63.6%。

4 结 语

首次将2种最新物理探测设备的组合技术应用于海塘隐患探测，研究参数比选、相关作业流程和数据解译技术，在保证检测深度和分辨率的前提下，同时提高了隐患识别准确率和检测效率。将检测出的海塘隐患通过现场钻孔取样进行验证，提高了综合物理探测的准确性，总结形成一套适合海塘的无损、准确、高效、低成本的检测方法，为海塘隐患探测和治理提供重要技术支持。