基于地质雷达的河道堤防质量快速探测

2024-01-08陈健健曹贯中

水利信息化 2023年6期

陈健健，曹贯中

（长江水利委员会长江下游水文水资源勘测局，江苏南京 210011）

0 引言

地球物理勘探是水利工程内部隐患探测的重要手段，可根据工程隐患特点快速选择相匹配的综合物探手段，实现内部隐患的快速精准确定及原因分析。尤其对于监测仪器布设盲区或未布设监测仪器的工程，工程物探是全面获得工程健康信息的主要方式。目前水利工程中常用的物探手段根据探测原理不同可分为以下 3 种：1）弹性波法。包括声波和地震波等，探测成本低，但大多探测深度较浅。2）电法。包括自然电场法、激发极化法、充电法、高密度电阻率法、电测深法、电阻率层析成像法和电剖面法等，电法抗干扰能力强，探测效果明显，但结果存在体积效应影响。3）电磁法。包括地质雷达法、瞬变电磁法、电磁波 CT法等，探测效率高，但抗干扰能力相对较差[1-2]。

地质雷达法由于具有地面适应性强、探测效率高等优点，在工程中应用广泛。Porsani 等[3]使用探地雷达法对失事后的地基进行探测，绘制尸体、结构建筑地图，对于人道主义搜救具有一定的指导意义；宋洋等[4]使用探地雷达法对堆石坝混凝土面板下的脱空和渗漏进行探测，确定大坝的可能渗漏部位；Anchuela 等[5]结合地质雷达和热红外图像对大坝裂缝和接缝进行探测，分析可能产生的渗漏通道及对大坝安全性的影响；Pandita 等[6]使用地质雷达法对印度喜马拉雅西北查谟克什米尔基什瓦断裂活动断层地形进行识别；Cao 等[7]根据探地雷达图像确定水库渗漏位置和路径，为水库除险加固提供技术支撑。

目前地质雷达主要应用于地基和水库大坝的质量探测，在河道堤防工程方面的应用相对较少。由于河道堤防顶面平整度和环境相对较差，此类条件下雷达探测及解析效果能否准确反映堤防质量须进行研究讨论。本研究结合某河道堤防工程实际，采用地质雷达法进行探测，旨在高效、准确地获得河道堤防质量基本情况，为确定工程监测和巡查重点提供科学指导。

1 地质雷达探测工作原理与数据解析

1.1 工作原理

地质雷达是由发射天线（T）向地下介质发射某一频率（10～2 500 MHz）的电磁脉冲波，传播时遇到地下介质中的物性界面（即电阻率和介电常数存在差异的界面）会发生反射。反射的电磁波传回地面，被接收天线（R）接收，反射原理如图 1 所示，图中，x为移动距离，h为物性界面高度，v为电磁波速率。

图1 地质雷达反射原理图

反射脉冲波形由重复间隔发射（重复率为 20～100 kHz）的电路，按采样定律等间隔采集叠加后获得。考虑到高频波的随机干扰性质，由地下返回的反射脉冲系列均经过了多次叠加（叠加次数为几十次至数千次）。当地面的发射和接收天线沿探测线以等间隔移动时，即可在纵坐标为探测深度（单位 m，由双程走时t（单位为 ns，由反射脉冲相对于发射脉冲的延时测定）和电磁波速率求得）、横坐标为点位（单位 m，由发射/接收点位组成）的图像上绘出仅由反射体深度决定的“时-距”波形道轨迹图，如图 2所示，其中虚线为目的体、基岩等强反射信号。可根据波的延滞、形状、双程走时和聚焦能量等参数，认识内部构造及分布、电磁特性、异常分布等，达到探测内部隐患的目的。

图2 “时-距”波形道轨迹图

1.2 数据解析

地质雷达探测工作数据解析主要包括以下 3 个步骤：

1）野外数据采集前仪器设备选择与调试。关键在于选择合理的抗干扰参数，根据需要探测的深度选择合适的天线和记录长度（时窗），根据不同地层确定合适的频率范围和振幅显示幅度。

2）数据处理。采用地质雷达进行数据采集的过程中，由于环境、设备、人员等影响皆可对信号造成一定干扰，如系统内部的干扰波、外界不平整界面产生的反射波、现场电磁干扰等。为消除以上干扰的影响，常需对数据进行处理，主要通过数字信号处理技术消除干扰，通常包括滤波、希尔伯特变换、反褶积、背景消除、增益补偿、谱值平衡、小波运算等，用以提高信噪比和分辨率，减少干扰信号，从而提高目标识别能力。

3）时间剖面解释工作。解释工作是将间接的物理探测数据反演成地质成果的关键，不仅要求解释人员了解雷达探测技术特点，还要求解释人员具备较丰富的地质知识，能准确地将雷达数据，尤其是振幅、频率异常翻译为地质语言。地质雷达数据处理流程如图 3 所示。

图3 地质雷达数据处理流程

2 工程应用

选用地质雷达对某河道堤防质量情况进行探测。该堤防为均质土体结构，采用中、重粉质壤土填筑，分层碾压，压实度不低于 0.94，顶宽为 5 m，高约为 10 m，内侧边坡坡度为1 ：2.5，外侧边坡坡度为1 ：2.25。为初步了解河道堤防土体的密实程度，查明是否存在脱空、疏松、渗漏等隐患，开展本次探测工作。

2.1 探测仪器及方法

选取 GSSI 型地质雷达仪，选定中心频率为 100 MHz的屏蔽天线，窗口长度设为 300 ns。由于堤防具有长距离、均质等特点，因此测线布置于堤防顶部轴线位置，探测获得测线以下的剖面结果，从而反映对应堤段的土体情况。将雷达天线紧贴堤防顶部拖动，边记录边监控显示。为所有剖面测线记录独立编写文件号，所有正式工作探测剖面均为有效记录。随机情况影响到探测效果时，均在现场进行了复测。

本次探测顺左、右岸两侧堤防河向各布置 1 条测线，每条测线长约为 10 km。雷达探测结果易受外界条件与环境因素的影响，如穿堤管道、路面坑洼，甚至是局部塌陷等，为后期的结果解译带来干扰，为排除此类因素的影响，在探测过程中对其位置进行记录，并在探测结果中将此类因素带来的波形异常进行排除，从而实现隐患结果的精准解译。

2.2 探测结果分析

采用地质雷达法对河道堤防进行整体探测，探测结果显示，堤防总体较为完整、密实，未见大范围的脱空、疏松等隐患。在本次探测范围内共发现异常位置14 处，大部分以局部土体的欠密实为主要特征，几种主要的探测异常总结如下：

1）局部土体欠密实。此类异常区域埋深大多在2～10 m间，特征如图 4 所示。图中探测距离为2 330～2 370 m 段，近40 m范围内的地质雷达波形以振幅的正负交替变化为主要特征，表明该部位土体欠密实，而 2 280～2 300 m 段，近 20 m 的局部范围内，呈现振幅较小的特征，表明该处土体轻微松散，压实度可能相对偏小。

2）堤防与原建基面结合不密实。雷达探测结果如图 5 所示，可以看出，在探测距离为1 840～1 860 m与 1 915 m～1 970 m 段土体欠密实，除此以外，在这2 段探测深度约 8.5～9.0 m 的位置有较为明显的高负振幅-低正振幅-高负振幅的特征。结合堤防高度，该位置位于堤防底部土体与原建基面结合部位，表明该结合部位土体存在不密实现象，在地质雷达影像图展现的特征与局部土体欠密度的地质雷达波振幅的正负交替变化类似。

3）局部含水率高。地质雷达图像中潮湿土体较正常干燥土体介电性变化较大，特征如图 6 所示。可以看出：潮湿土体区域雷达成果显示同相轴的连续性较差，局部地段呈现下开口抛物线的形态特征，表明该区域内土体含水率相对较高。

4）其他干扰。堤防表面或浅部存在积水、金属管及钢板等其他干扰信息，也会在雷达探测成果图中显示，特征如图 7 所示。可以看出：该段堤防内总体未见明显的地质雷达信号波形错断、绕射等表征不良岩土体的信号，局部强振幅信号大多由地表埋设的金属物及部分路段的积水引起。