胡　勇?。ó?dāng)涂縣建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，安徽 馬鞍山 243100）

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探地雷達(dá)技術(shù)及在土質(zhì)堤壩隱患探測(cè)中的應(yīng)用

胡勇（當(dāng)涂縣建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，安徽 馬鞍山 243100）

土質(zhì)堤壩隱患形態(tài)復(fù)雜多變、規(guī)模小、探測(cè)難度大。為確保堤防安全，查明隱患部位是非常重要的。文章在闡述探地雷達(dá)技術(shù)基礎(chǔ)上，以長(zhǎng)江某處外護(hù)土質(zhì)堤壩隱患勘查為例，探討探地雷達(dá)在土質(zhì)堤壩隱患探測(cè)中的工程應(yīng)用，并獲得了隱患的地下分布。探測(cè)結(jié)果表明探地雷達(dá)可有效探測(cè)土質(zhì)堤壩隱患，并且具有快速、簡(jiǎn)便和直觀精確等特點(diǎn)。

探地雷達(dá)；土質(zhì)堤壩；電磁波

0　前言

由于土壩對(duì)地基的要求低，施工技術(shù)較簡(jiǎn)單，能就地取材，自古迄今廣為采用，是國(guó)內(nèi)外蓄水壩中用得最多的一種壩型。由于受施工質(zhì)量、筑壩土料、環(huán)境等多種因素的影響，壩體質(zhì)量可能會(huì)存在一定安全隱患。土質(zhì)堤壩隱患主要指施工質(zhì)量缺陷、人為或生物作用引起的洞穴和各種裂縫、以及在使用過(guò)程中形成的尚未被發(fā)現(xiàn)的不良地質(zhì)現(xiàn)象等，這些隱患作為一種典型的地質(zhì)災(zāi)害對(duì)堤防安全的影響越來(lái)越明顯，因此有必要在險(xiǎn)情出現(xiàn)前及時(shí)發(fā)現(xiàn)，為土質(zhì)堤壩隱患的治理提供可靠的依據(jù)[1、2]。

作為堤壩安全檢測(cè)的重要組成部分，隱患探測(cè)已越來(lái)越受到普遍重視。快速有效地探查隱患及滲漏，有的放矢地進(jìn)行病險(xiǎn)治理，對(duì)確保堤壩安全運(yùn)行、充分發(fā)揮效益十分重要。土質(zhì)堤壩隱患的探測(cè)方法有破損法和無(wú)損法。傳統(tǒng)的破損法（如坑探、鉆探、槽探等）雖然直觀可靠，但其存在費(fèi)用高、耗時(shí)長(zhǎng)，容易漏探等缺點(diǎn)，因而很少使用。近年來(lái)，較多地采用了探地雷達(dá)等無(wú)損探測(cè)方法。探地雷達(dá)方法具有較高的分辨率，較強(qiáng)的抗干擾能力以及勘察過(guò)程中快速高效的特點(diǎn)，在各類巖土工程勘察中得到了廣泛的應(yīng)用[3-5]。本文將探地雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于安徽長(zhǎng)江某處外護(hù)堤隱患的探測(cè)中取得了較為滿意的結(jié)果，證實(shí)該方法具有高效、快捷和成果形象直觀等特點(diǎn)。

1　探地雷達(dá)探測(cè)方法原理

探地雷達(dá)是利用高頻脈沖電磁波探測(cè)地下介質(zhì)分布的一種地球物理勘探方法，最先由德國(guó)科學(xué)家在20世紀(jì)初提出。我國(guó)于20世紀(jì)60年代開(kāi)始研究探地雷達(dá)儀器與方法，至90年代初，隨著國(guó)內(nèi)研制水平的提高與國(guó)外先進(jìn)儀器的引進(jìn)，該技術(shù)已在工程地質(zhì)勘查、工程（公路、鐵路、橋涵、隧道）質(zhì)量檢測(cè)、災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查、考古調(diào)查、資源勘探等眾多領(lǐng)域中獲得越來(lái)越多的應(yīng)用。

天線發(fā)射器將寬頻帶短脈沖電磁波（106～109Hz）發(fā)送至地下，經(jīng)目標(biāo)體或電性界面反射后由雷達(dá)天線器接收，并以電磁反射波時(shí)域曲線形式成像。因地下空洞、裂縫、管線等與周圍介質(zhì)存在介電常數(shù)差異，可以形成良好的反射界面，同時(shí)電磁波在反射界面形上還可繼續(xù)向下透射，在下一界面形成反射并被地面儀器接收，以此形成多層反射波時(shí)間域記錄。通過(guò)對(duì)所接收的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行處理和圖像解譯，達(dá)到探測(cè)異常的目的[6]。當(dāng)已知地層中波速0ν或介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)γε時(shí)，讀取雷達(dá)剖面上雙程走時(shí)t，便可計(jì)算目標(biāo)體深度，式中c為電磁波在真空中的傳播速度（0.3m/ns）。工作原理如圖1所示。

圖1　探地雷達(dá)工作原理圖

土質(zhì)堤壩（土壩）常有粘土、砂性土、黃土等材料筑成。在壩身碾壓密實(shí)時(shí)，土層的物理性質(zhì)變化不大，可看成均勻介質(zhì)，雷達(dá)反射波很弱，反射波同相軸連續(xù)、幅度小，地層連續(xù)性強(qiáng)。由于地下水位較高，當(dāng)壩體土層產(chǎn)生擾動(dòng)、坍塌疏松時(shí)，局部介質(zhì)含水量增大導(dǎo)致電導(dǎo)率增大而產(chǎn)生明顯的電性界面，在雷達(dá)圖像上表現(xiàn)為低頻高強(qiáng)度反射特征，并常伴有多次較強(qiáng)的多次反射?？梢?jiàn)，土質(zhì)堤壩隱患部位具備用探地雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)的物理?xiàng)l件，用這樣方法探測(cè)是可行的。

探地雷達(dá)作為重要的探測(cè)方法，其探測(cè)結(jié)果最大的優(yōu)越性體現(xiàn)在高分辨率上。分辨率是指分辨最小異常介質(zhì)的能力。在地層介質(zhì)中，雷達(dá)波垂直分辨率為；水平分辨率為，H為勘探深度，λ為波長(zhǎng)。在實(shí)際工作中根據(jù)探測(cè)任務(wù)的要求和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況選擇合適的天線中心頻率，就可以滿足探測(cè)精度的要求。如在電磁波傳播速度為0.1m/ns的介質(zhì)中，頻率為100MHz，子波長(zhǎng)度1.0m，可分辨的最小地層厚度為0.25m。

2　工程應(yīng)用

2.1工程概況

皖江某開(kāi)發(fā)區(qū)需要抽取長(zhǎng)江水，在地下埋設(shè)水管。工程施工場(chǎng)地緊鄰長(zhǎng)江外護(hù)堤，為長(zhǎng)江河漫灘及一級(jí)階地上，土質(zhì)為粉質(zhì)粘土和細(xì)砂。在進(jìn)行取水頂管施工過(guò)程中，由于采用的是噴水旋轉(zhuǎn)施工工藝，容易造成土層中的細(xì)砂層和粉質(zhì)粘土層強(qiáng)度和穩(wěn)定性降低，產(chǎn)生流沙現(xiàn)象，最后產(chǎn)生局部塌陷，影響長(zhǎng)江外護(hù)堤安全渡汛。為查明潛在的塌陷區(qū)的范圍和規(guī)模，采用探地雷達(dá)進(jìn)行堤壩隱患探測(cè)。

2.2測(cè)試技術(shù)

根據(jù)本次勘查的隱患體規(guī)模及大致深度，采用PulseEKKOPRO型雷達(dá)系統(tǒng)，共布置2條測(cè)線，測(cè)線長(zhǎng)30～50m，天線中心頻率為50MHz，點(diǎn)距0.1～0.2m。

探地雷達(dá)在野外采集的原始數(shù)據(jù)，存在較多干擾，有效信號(hào)不突出，需經(jīng)過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)處理后才能用于分析解釋。數(shù)據(jù)編輯處理有將不連續(xù)的數(shù)據(jù)合并、剔除廢道、測(cè)線方向一致化、標(biāo)記編輯等；要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)雷達(dá)信號(hào)有影響的標(biāo)記位置進(jìn)行編輯處理，以保證后續(xù)資料解釋的準(zhǔn)確性。濾波處理雖然能夠去除或壓制干擾波，但是有些濾波不僅不能突出異常，相反會(huì)淹沒(méi)掉有用信息，經(jīng)過(guò)多次比對(duì)總結(jié)出較好的濾波處理步驟：①一維濾波去直流漂移；②零點(diǎn)校正移動(dòng)開(kāi)始時(shí)間；③能量衰減增益控制；④二維濾波抽取平均值；⑤一維巴特沃斯帶通濾波；⑥二維濾波滑動(dòng)平均。此外，偏移歸位和反褶積也是探地雷達(dá)資料處理中的常見(jiàn)方法[7-9]。

2.3結(jié)果分析

在完整均勻地層雷達(dá)剖面圖反射波同相軸振幅較小，在擾動(dòng)區(qū)或塌陷區(qū)上反射波同相軸振幅明顯增大，且反射波同相軸的形態(tài)會(huì)發(fā)生變化。1#測(cè)線探地雷達(dá)剖面圖（圖2），測(cè)線長(zhǎng)度30m，測(cè)量點(diǎn)距0.1m。根據(jù)圖2可知，在剖面水平位置33～40m處，深度4.5～9m雷達(dá)波形呈層狀強(qiáng)反射特征，振幅變化較為明顯，這說(shuō)明其介電常數(shù)發(fā)生顯著變化，該異常區(qū)的深度與其他方法探測(cè)結(jié)果相吻合。

圖2　1#測(cè)線探地雷達(dá)剖面圖

2#測(cè)線探地雷達(dá)剖面圖（圖3），測(cè)線長(zhǎng)度30m，測(cè)量點(diǎn)距0.2m。根據(jù)圖3可看出，在剖面水平位置39～45m處，深度5～10m雷達(dá)波形呈層狀強(qiáng)反射特征，振幅變化明顯，波形雜亂，該異常區(qū)的位置與后期的高密度電法測(cè)量結(jié)果吻合。在剖面水平位置46m附近，發(fā)現(xiàn)該處由壩頂光纜引起的異常，雷達(dá)圖像表現(xiàn)為反射波較多、能量強(qiáng)弱變化明顯，圖像較為雜亂。經(jīng)后期開(kāi)挖證明，檢測(cè)判別出的隱患部位分布與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開(kāi)挖情況吻合的比較好，為施工單位的壩體加固處理工作提供了依據(jù)。

圖3　2#測(cè)線探地雷達(dá)剖面圖

3　結(jié)語(yǔ)

①應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù)對(duì)道路路基進(jìn)行探測(cè)，設(shè)備操作簡(jiǎn)便且對(duì)路基無(wú)破壞作用；探測(cè)效率高并能夠獲得較為連續(xù)的圖像剖面；直觀明了的顯示探測(cè)結(jié)果并能顯示探測(cè)目標(biāo)體深度。

②采集數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)盡量減少外界因素對(duì)數(shù)據(jù)采集的干擾。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)實(shí)際情況，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行有用信號(hào)與干擾信號(hào)的篩選。采用分析軟件對(duì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，注意參數(shù)的合理選取。

③對(duì)雷達(dá)資料分析解釋時(shí)要充分考慮壩體的結(jié)構(gòu)特征、壩身的側(cè)面反射和周圍其他環(huán)境對(duì)剖面的影響，并對(duì)雷達(dá)圖像進(jìn)行綜合判別，得出比較客觀的結(jié)論。

實(shí)踐表明，探地雷達(dá)作為一種新型的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，以其快速、連續(xù)檢測(cè)、無(wú)破壞性等優(yōu)點(diǎn)，有著極其廣闊的應(yīng)用前景。

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1007-7359(2016)03-0271-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.03.099

胡勇（1963-），男，安徽蕪湖人，畢業(yè)于安徽工業(yè)大學(xué)，高級(jí)工程師，國(guó)家注冊(cè)監(jiān)理工程師。