杜晨程，邵陽英，胡勇峰，吳自成，陳 斌

(1.浙江水利水電學(xué)院 水利與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.浙江省錢塘江管理局杭州管理處，浙江 杭州 310052)

0 引 言

海塘是重要的防洪防潮生命線工程，錢塘江海塘杭州段是城市防御洪潮的重要屏障.長期以來，受洪、潮水及人類活動、生物侵蝕、雨水沖淘等因素的影響，海塘在運(yùn)行過程中難免遭受一定的損壞.為了早期發(fā)現(xiàn)、診斷病害隱患，筆者采用地球物理探測技術(shù)開展海塘隱患探測工作，以查明其是否存在病害隱患，并對不同儀器、不同方法進(jìn)行適用性、有效性比較，為大面積隱患探測積累經(jīng)驗(yàn)，為海塘安全運(yùn)行提供技術(shù)參考.

1 探測設(shè)備選擇

海塘隱患探測是利用地球物理方法，通過檢測堤壩的電學(xué)、聲學(xué)、溫度或其它指標(biāo)，判斷內(nèi)部是否存在洞穴、裂縫、松散體、高含砂層、護(hù)坡脫空區(qū)、古河道、砂礫石層和滲漏、管涌等隱患的方法.常用的地球物理方法包括直流電阻率法、自然電場法、瞬變電磁法、探地雷達(dá)法、擬流場法、彈性波法、溫度場法、同位素示蹤法等.各種探測方法根據(jù)適用范圍、應(yīng)用條件和探測對象特點(diǎn)，單獨(dú)或綜合應(yīng)用.

根據(jù)探測塘段的結(jié)構(gòu)型式、工作條件，結(jié)合現(xiàn)場勘查情況，筆者采用大地電導(dǎo)率儀、探地雷達(dá)和高密度電阻率法儀進(jìn)行隱患探測.其中，大地電導(dǎo)率儀分垂直激發(fā)(VD)和水平激發(fā)(HD)兩種模式，分別探測深度15 m和7.5 m；探地雷達(dá)采用40 M、100 M和200 M三種天線，預(yù)計有效探測深度分別為15 m、10 m和5 m；高密度電阻率法儀采用8條布線共64根電極串聯(lián)探測，有效探測深度預(yù)計為10～15m.測線布置：兩段海塘分別在堤壩表層迎水坡側(cè)、中線和背水坡側(cè)布置三條測線，同時，在可疑塘段增加橫斷面測線，使用探地雷達(dá)進(jìn)行探測.

2 探測原理與方法技術(shù)

2.1 大地電導(dǎo)率儀

大地電導(dǎo)率儀測量屬于一種低頻電磁法，其工作頻率介于音頻(n×10～n×104Hz)范圍內(nèi).它是以地下介質(zhì)的電導(dǎo)率差異為基礎(chǔ)，通過研究電磁場的空間和時間分布特征從而解決實(shí)際問題的物探方法[1].圖1繪出了大地電導(dǎo)率儀的探測原理圖.發(fā)射線圈Tx放在地面上，由交流音頻電流激發(fā).接受線圈Rx放在距發(fā)射線圈距離為s處.發(fā)射線圈內(nèi)的交流電流產(chǎn)生的隨時間變化的一次磁場Hp在地層內(nèi)感應(yīng)很小的電流.該感應(yīng)電流衰變時產(chǎn)生二次磁場Hs.Hp和Hs均被接收線圈接收.

圖1 大地電導(dǎo)率儀探測原理

一般來說，二次磁場Hs是兩線圈間距s、工作頻率f和大地電導(dǎo)率σ的復(fù)雜函數(shù).然而，在低感應(yīng)數(shù)工作條件下，二次磁場是這些變量的簡單函數(shù)：

(1)

式中：Hs—接收線圈處的二次磁場；

Hp—接收線圈處的一次磁場；

ω=2πf，f—工作頻率；

μ0—自由空間的導(dǎo)磁率；

σ—大地電導(dǎo)率；

(2)

電導(dǎo)率的SI單位為S/m或mS/m(西門子/m或豪西門子/m).

由于介質(zhì)的電導(dǎo)率與介質(zhì)類型及其結(jié)構(gòu)、空隙度、含水量、密實(shí)程度及溫度等一系列因素有關(guān)，當(dāng)?shù)虊萎a(chǎn)生隱患(如軟弱層、洞穴、水流通道、物質(zhì)松散)時，必然導(dǎo)致地下介質(zhì)的導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)發(fā)生變化.同樣，電導(dǎo)率的變化也能反映堤壩體內(nèi)的非均質(zhì)性.如此，通過研究電導(dǎo)率的空間和實(shí)踐分布特征，可初步發(fā)現(xiàn)異常并探查堤壩的各種隱患.

采用加拿大產(chǎn)EM34-3型大地電導(dǎo)率儀，10 m電纜，分水平和垂直兩種激發(fā)方式，分別對兩塘段進(jìn)行探測.根據(jù)《堤防隱患探測規(guī)程》(SL436-2008)，本次探測堤頂寬度大于4 m，沿迎水面和背水面堤肩縱向各布置一條測線，并沿堤頂中線增加一條測線.測點(diǎn)樁號與海塘樁號相對應(yīng)，每100 m校對一次測點(diǎn)位置，并以海塘樁號為準(zhǔn).

2.2 探地雷達(dá)

探地雷達(dá)(GPR)是利用頻率106～109Hz的無線電波來確定地下介質(zhì)分布的一種地球物理探測儀器.探地雷達(dá)的基本原理(見圖2).

圖2 控地雷達(dá)基本原理

由激發(fā)天線發(fā)射高頻脈沖電磁波，電磁波在地下介質(zhì)中向下傳播，遇到界面后產(chǎn)生反射和透射，反射波向上傳播到達(dá)地面被接收天線所接收.整個過程由主機(jī)控制，接收天線所接收到的時變信號由主機(jī)進(jìn)行記錄.分析雷達(dá)記錄中有無反射信號便可知地下有無電磁界面或異常體，根據(jù)反射信號的旅行時間可以計算電磁界面或異常體的深度.

(3)

式中：

ηt—發(fā)射天線的效率；

ηr—接收天線的效率；

Gt和Gr—入射波和回波的方向增益；

r、λ和β—異常體到天線的距離、信號波長和介質(zhì)的吸收系數(shù).

探地雷達(dá)經(jīng)過實(shí)地探測，成果由主機(jī)記錄并反饋到微機(jī)上，形成雷達(dá)探測圖譜.典型雷達(dá)圖譜(見圖3).

圖3 探地雷達(dá)200 M天線橫斷面圖

在海塘隱患探測中，主要判斷依據(jù)為[2]：

(1)當(dāng)電磁波由空氣進(jìn)入到堤壩表層時，會在圖像的上方產(chǎn)生一組水平狀的振幅較強(qiáng)、信號均勻、同相軸連續(xù)的波形.

(2)當(dāng)填土密實(shí)度較好時，散射信號較弱，振幅較小，沒有多次波.如果填壓欠密實(shí)或出現(xiàn)松散體時，強(qiáng)散射信號的同相軸會產(chǎn)生較大的形變，且不連續(xù)、無規(guī)則、較分散.

(3)出現(xiàn)脫空或裂隙時，會在脫空表面產(chǎn)生一組與堤壩表層信號極性相反、振幅較大的強(qiáng)散射信號，三振相特征明顯易形成多次波.

(4)當(dāng)?shù)虊蝺?nèi)部出現(xiàn)含水帶時，會導(dǎo)致散射信號增強(qiáng)，電磁波在進(jìn)入含水帶時會形成極性與表面散射信號相同的散射波.

本次探地雷達(dá)探測分別采用40 M、100 M、200 M天線，預(yù)計其有效探深分別為15 m、10 m和5 m.其中，40 M、200 M天線采用意大利產(chǎn)IDS主機(jī)與天線，100 M采用瑞典產(chǎn)Mala主機(jī)與天線.測線布置與大地電導(dǎo)率儀相同.

在喬司三號大堤延伸段52K+210斷面，因大地電導(dǎo)率儀VD模式探測異常，故增加橫斷面測線，使用40 M和100 M雷達(dá)天線進(jìn)行探測.

2.3 高密度電阻率法儀

高密度電阻率法儀采用陣列勘探方法，野外測量時將幾十至上百根金屬電極均勻分布在區(qū)段各探測點(diǎn)，借助外力將電極插入土層，利用程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)和微機(jī)工程電測儀實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)和自動采集.當(dāng)測量結(jié)果送入微機(jī)后，高密度電阻率法儀對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并給出關(guān)于地電斷面分布的各種物理解釋的結(jié)果.

高密度電阻率法儀以巖土導(dǎo)電性差異為物質(zhì)基礎(chǔ)，通過向堤壩施加穩(wěn)定的人工電場，利用測量儀器系統(tǒng)觀測、記錄電場分布情況，研究電場分布規(guī)律.高密度電阻率法儀是電剖面法和電測深法的組合，可同時探測電阻率沿水平方向和垂直方向的變化情況.在堤壩隱患探測中，理想條件下堤壩可視為均質(zhì)體，電場分布均勻，其電阻率變化不大.海塘填土若有疏松層，其電阻率與地下水位直接相關(guān).處于地下水位以下的疏松層，充滿液態(tài)水，表現(xiàn)為低阻區(qū)；而處于地下水位以上的疏松層為干燥狀態(tài)，表現(xiàn)為高阻區(qū).當(dāng)?shù)虊未嬖陔[患時，均質(zhì)體遭到破壞，隱患體部位與周圍土體產(chǎn)生電性差異，致使電場發(fā)生畸變，引起電阻率異常，反映在電阻率剖面圖上.高密度電阻率法儀圖譜(見圖4).根據(jù)觀測到的視電阻率異常的形態(tài)和高低阻特征，結(jié)合地質(zhì)情況以及水文、水位資料，綜合判別堤壩隱患的性質(zhì)、范圍和埋深[3].

圖4 高密度電阻率法儀圖譜

由于插入電極數(shù)量較多，各電極之間均采集電阻率數(shù)據(jù)，因此高密度電阻率法儀的數(shù)據(jù)采集量較為豐富.在海塘隱患探測中，主要判斷依據(jù)為[4]：

(1)當(dāng)?shù)虊瓮临|(zhì)均勻無隱患分布時，視電阻率剖面圖呈近水平層狀分布，從壩頂?shù)綁位曤娮杪食蕽u變趨勢.

(2)堤壩中存在裂縫時，圖像中層狀特征遭到破壞，出現(xiàn)條帶狀或橢圓形高阻色塊，使得某些層位發(fā)生畸變，被錯開或拉伸.

(3)堤壩存在洞穴時，圖像中層狀特征也遭破壞，出現(xiàn)近似圓形或橢圓形高阻或低阻色塊，視電阻率梯度變化較大.

(4)堤壩存在松散土層等不均勻體時，在干燥狀態(tài)下，也表現(xiàn)為高阻色塊，只是范圍較大，形態(tài)不規(guī)則.

采用國產(chǎn)E60B型高密度電阻率法儀進(jìn)行海塘隱患探測，以海塘初始樁號為基準(zhǔn)，64根電極沿堤頂分布式布線，電極間距1.5～2 m，形成長約100 m的電極帶.因本次探測塘段表層為混凝土或?yàn)r青路面，介質(zhì)堅硬，無法插入電極，原預(yù)設(shè)三條測線修正為在內(nèi)坡頂設(shè)一條測線.測量過程中發(fā)現(xiàn)，江邊圍堤30K+210～30K+352段內(nèi)坡已砌條石，30K+607～30K+663段綠化過于茂密；喬司延伸段52K+000～52K+165段內(nèi)坡與地面平齊并已硬化.上述塘段無法布置電極，未能實(shí)施探測.

3 探測結(jié)果

3.1 大地電導(dǎo)率儀

從江邊圍堤(29K+977～31K+000)檢測結(jié)果看，在30K+000～30K+397段，垂直激發(fā)(VD)和水平激發(fā)(HD)兩種模式下堤頂中線的電導(dǎo)率均劇烈升高；其余塘段的VD模式電導(dǎo)率也相對較高，判斷與其下埋有照明、監(jiān)控等各類電纜有關(guān).30K+257～30K+297段，電導(dǎo)率極高，最高值超過500mS/s，經(jīng)現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)該處設(shè)有華數(shù)電視無線發(fā)射基站，其電流對探測結(jié)果影響較大.此外，30K+227～30K+237段，堤頂中線電導(dǎo)率值與前后段相比相對較低，為異?，F(xiàn)象.

從喬司三號大堤延伸段(52K+000～52K+877)探測結(jié)果看，VD模式下迎水側(cè)、堤頂中線的電導(dǎo)率值均保持穩(wěn)定，但在背水側(cè)52K+170～52K+260段，電導(dǎo)率值急劇升高.經(jīng)現(xiàn)場外觀檢查發(fā)現(xiàn)：該塘段附近有一大一小兩塊液晶顯示屏，其下埋有電纜及其它導(dǎo)電體，對探測結(jié)果有一定影響.

3.2 探地雷達(dá)

本次探測結(jié)果顯示，200 M雷達(dá)天線在江邊圍堤30K+232樁號內(nèi)側(cè)發(fā)現(xiàn)雷達(dá)波異常，且大地電導(dǎo)率儀測得電導(dǎo)率較前后段為低，結(jié)合現(xiàn)場勘查及海塘管理人員核實(shí)，該處瀝青混凝土面層與海塘填土間有脫空，內(nèi)坡凹進(jìn).

100 M雷達(dá)天線未發(fā)現(xiàn)明顯異常.

40 M天線受周圍環(huán)境干擾較大，探測圖譜中多處出現(xiàn)拋物線形波紋，此類波紋反射波同相軸基本連續(xù)，波速擬合結(jié)果及現(xiàn)場勘查表明為孤立體(可能為電線桿，樹或架空電線等)的干擾所致.

喬司三號大堤延伸段52K+800～52K+900段的內(nèi)、中、外側(cè)40 M雷達(dá)圖均有條狀細(xì)拋物線出現(xiàn)，經(jīng)核實(shí)52K+877斷面為省管海塘與市管海塘交接塘段，地面構(gòu)筑物較多造成的雷達(dá)波放射所致.

3.3 高密度電阻率法儀

本次海塘隱患探測的江邊圍堤塘段及喬司三號大堤延伸段均為錢塘江杭州段海塘，探測時段處于錢塘江高潮期.如喬司延伸段，潮水每天均可達(dá)到7 m以上的高程，部分塘段甚至越過堤壩防浪墻沖刷堤頂.因此判斷海塘地下水位較高，底層電阻率低，表層電阻率高.

探測結(jié)果表明：江邊圍堤的電阻率剖面圖總體分層結(jié)構(gòu)較為明顯，顯示海塘填土質(zhì)量較為穩(wěn)定.樁號30K+029處，深約2 m，電阻率較高，結(jié)合實(shí)地勘察其下埋有混凝土排水管；樁號30K+458處，深4～8 m，電阻率較高，判斷堆石較多、土體結(jié)構(gòu)緊密或有其它異常高阻體；樁號30K+163處、樁號30K+792處，深4—6 m，電阻率較低，判斷土體較為疏松，含水率較大.

喬司三號大堤延伸段樁號52K+203處和52K+229處、52K+696處，以及52K+756至52K+882塘段，深度4～8 m，電阻率相對較低，判斷為土層疏松區(qū)；52K+400至52K+492段，塘頂以下6.3 m范圍以內(nèi)有多處電阻率高值區(qū)，判斷為堤頂塌空及裂縫發(fā)育區(qū).

3.4 不同探測方法的綜合分析

對比三種方法的探測結(jié)果，海塘總體質(zhì)量較好，僅在江邊圍堤30K+029處，高密度電阻率法儀顯示電阻率異常高，核實(shí)為下埋排水管；30K+232樁號內(nèi)側(cè)探地雷達(dá)顯示雷達(dá)波較弱，同時在該處發(fā)現(xiàn)大地電導(dǎo)率儀數(shù)值與前后段相比顯著降低，結(jié)合實(shí)地外觀勘察瀝青混凝土面層下有脫空層.在喬司三號大堤延伸段52K+170～52K+260段，電導(dǎo)率值急劇升高，且該段底層電阻率較低，判斷為隱患發(fā)育段，但不排除受地下電纜的影響所致.

從江邊圍堤(29K+977～31K+000)大地電導(dǎo)率儀檢測結(jié)果看，在30K+000～30K+397段，兩種模式下堤頂中線的電導(dǎo)率均劇烈升高，其余塘段的VD模式電導(dǎo)率也相對較高，判斷與其下埋有照明、監(jiān)控等各類電纜有關(guān).經(jīng)用探地雷達(dá)200 M天線橫斷面復(fù)測，清楚地表明了縱向電纜管的存在.30K+257～30K+297段，電導(dǎo)率極高，經(jīng)現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)該處設(shè)有華數(shù)電視無線發(fā)射基站，其電流對探測結(jié)果影響較大.

從喬司三號大堤延伸段(52K+000～52K+877)大地電導(dǎo)率儀探測結(jié)果看，VD模式下迎水側(cè)、堤頂中線的電導(dǎo)率均保持穩(wěn)定，但在背水側(cè)52K+170～52K+260段，電導(dǎo)率急劇升高.經(jīng)現(xiàn)場外觀檢察，采用探地雷達(dá)多次在縱、橫方向平行布置測線復(fù)測，并與高密度電阻率法儀探測結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)該塘段附近有一大一小兩塊液晶顯示屏；探地雷達(dá)探測發(fā)現(xiàn)52K+165處附近地下有井管；高密度電阻率法儀探測結(jié)果該段4.0 m以下電阻率較低.據(jù)此判斷與兩個因素有關(guān)：一是其下埋有電纜或其它導(dǎo)電體；二是底層土體含水量較大.

其余部位大地電導(dǎo)率儀、探地雷達(dá)、高密度電阻率法儀探測有若干異常，但未得到其它方法的驗(yàn)證.具體探測結(jié)果(見表1、表2)

表1 海塘隱患控測江邊圍堤塘段探測結(jié)果匯總表

表2 海塘隱患探測喬司三號大堤延伸段探測結(jié)果匯總表

4 結(jié) 語

比較三種設(shè)備在海塘隱患探測中的應(yīng)用，結(jié)果顯示：探地雷達(dá)的探測速度最快，對地下管道的敏感度較高；大地電導(dǎo)率儀的探測速度次之，操作簡易，攜帶方便；高密度電阻率法儀探測速度稍慢，但探測成果的直觀性、可辨識性最佳.當(dāng)然，和其它地球物理探測技術(shù)一樣，本次探測所采用的三種方法均屬于電(磁)法，受附近建(構(gòu))筑物，特別是帶電體影響較大.且探測的兩塘段均位于杭州市區(qū)，海塘上附屬建筑物較多，路燈、電纜、電子顯示屏等用電設(shè)備對地球物理探測方法影響較大，給探測工作帶來一定困難.如探地雷達(dá)的雷達(dá)波在不同介質(zhì)下，受到的干擾差異較大，在土中尤其是含水量較大的土中雷達(dá)波衰減較快，導(dǎo)致探測深度急劇降低，另外，雷達(dá)圖譜的解釋是一項經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng)的工作，同樣的圖譜，可能對應(yīng)完全不同的實(shí)際情況，即有“一對多”的現(xiàn)象；大地電導(dǎo)率儀的探測結(jié)果無法給出剖面圖，成果不夠直觀；高密度電阻率法儀在堤頂硬化區(qū)域無法實(shí)施操作，塘段表層為混凝土或?yàn)r青路面時電極無法插入表層，只能在內(nèi)側(cè)土坡上進(jìn)行，導(dǎo)致成果代表性、可解釋性較差.以上設(shè)備在探測過程中，需結(jié)合外觀勘察、歷史資料，綜合做出判斷.

地球物理探測技術(shù)應(yīng)用于海塘隱患探測，因影響因素較多，判斷主觀性、經(jīng)驗(yàn)性較強(qiáng)，需要綜合海塘設(shè)計、運(yùn)行情況，實(shí)地環(huán)境勘查分析.

探測設(shè)備在具體應(yīng)用中，需要根據(jù)具體目的，選擇或結(jié)合使用.在探測過程中，若發(fā)現(xiàn)某塘段異常，應(yīng)利用幾種設(shè)備同時進(jìn)行多次探測，形成交叉數(shù)據(jù)，確保更有效的探測結(jié)果.

海塘隱患探測應(yīng)不定期進(jìn)行，匯總每次探測結(jié)果，建立數(shù)據(jù)電子檔案，一旦探測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，即可重點(diǎn)觀察，及時排除隱患.

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信息啟示

2014年度浙江省水利先進(jìn)適用技術(shù)(產(chǎn)品)推介會暨第六屆水科技推廣論壇在我校順利舉行

10月10日，2014年度浙江省水利先進(jìn)適用技術(shù)(產(chǎn)品)推介會暨第六屆水科技推廣論壇在我校順利舉行.

陳川廳長一行參觀了水利先進(jìn)適用技術(shù)(產(chǎn)品)展覽.水利部科技推廣中心副主任許平、省水利廳副廳長徐國平、省水利廳總工程師李銳、水院校長葉舟等出席了開幕式.來自水利部、省水利廳、全省70多個縣(市、區(qū))的相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)同志以及省內(nèi)外參展單位工作人員400余人參加了會議.

葉舟校長致辭.他首先代表水院全體師生員工向大家的到來表示熱烈的歡迎，向論壇的召開表示熱烈的祝賀.接著，葉校長指出，“五水共治”不僅是對學(xué)校辦學(xué)水平、創(chuàng)新能力的一次大檢閱，更是學(xué)校長遠(yuǎn)發(fā)展的新契機(jī)，學(xué)校非常期待通過本次會議加強(qiáng)與來自全省乃至全國水利行業(yè)的每個單位、所有與會專家溝通、交流、研討與合作.

徐國平副廳長講話指出，舉行本次推介會是水利廳深入貫徹省委省政府創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略和“五水共治”重大部署，推進(jìn)“五水共治”、水利改革的一項重要成果，并從三個方面對本次推介會的召開作出指示，首先要肯定全省水利科技工作取得的顯著成效，其次我們要認(rèn)清形勢，提高認(rèn)識，增強(qiáng)做好水利科技工作的責(zé)任感，同時強(qiáng)調(diào)，我們要搶抓機(jī)遇，乘勢而上，推進(jìn)水利科技工作再上新臺階.

會上，省水利廳總工程師李銳宣讀了《第六批農(nóng)村水利技術(shù)(產(chǎn)品)推廣目錄》，并作題為“促進(jìn)水利科技進(jìn)步 服務(wù)‘五水共治’大局”的專題報告.

論壇期間，省水利河口研究院總工曾劍、省水利勘測設(shè)計院生態(tài)水利院馬以超院長、清華大學(xué)水利水電工程系黃綿松博士等5位專家分別介紹了“水利科技創(chuàng)新服務(wù)平臺”“水環(huán)境綜合治理”“堆石混凝土技術(shù)”等方面的最新研究成果.4家參展單位作典型技術(shù)介紹并與專家互動.

本次推介會得到各水利先進(jìn)適用技術(shù)(產(chǎn)品)擁有單位和生產(chǎn)制造廠商的積極響應(yīng)，共有75家單位的81個項目參展，涵蓋水資源管理、農(nóng)田水利、防洪減災(zāi)、水利信息化等領(lǐng)域.我校在科技處的積極組織和認(rèn)真篩選下，共有來自水利與環(huán)境工程學(xué)院、建筑工程學(xué)院、機(jī)械與汽車工程學(xué)院的10個項目獲得參展資格.

摘自浙江水利水電學(xué)院網(wǎng)