栗寶鵑,劉棟臣,張美多,王志豪,杜長(zhǎng)青
( 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司勘察院,天津 300222)
堤岸隱患指由于自然或人為等因素作用所產(chǎn)生的潛在影響堤岸工程安全的險(xiǎn)情因素,主要包括天然地質(zhì)缺陷、施工質(zhì)量缺陷、生物破壞洞穴、沖刷磨蝕裂縫、堤岸搶險(xiǎn)堵口遺留的對(duì)安全不利物質(zhì)等,其顯著特征是與周邊介質(zhì)物性特征存在差異性[1-3]。截至2017年底,我國(guó)有大中型水庫(kù)9萬(wàn)6千余座,江河湖泊堤防31萬(wàn)km,這些水庫(kù)及堤防等在防洪、供水、灌溉等方面發(fā)揮著重要的作用。我國(guó)江河堤防基本以人工填筑為主,隨著時(shí)間的流逝和水流的沖蝕,水庫(kù)堤岸、堤防等水利工程設(shè)施存在各種安全隱患,嚴(yán)重威脅堤壩工程的運(yùn)行安全,因此,定期、定點(diǎn)探測(cè)就變得尤為重要。目前,對(duì)堤岸隱患進(jìn)行探測(cè)的地球物理方法以電磁法探測(cè)[2-8]、電法探測(cè)[1-4,7-10]、彈性波探測(cè)[2-7,11-13]、流場(chǎng)法[3]及放射性探測(cè)[2,4]為主。
黃河故道經(jīng)由“侵泗奪淮”形成,堤岸底部是洪泛泥沙沉積形成的洪積層,頂部是人工填土層,因此普遍存在洞穴、裂縫、松散體、脫空區(qū)等安全隱患。兼之黃河故道為高于兩岸的“懸河”,一旦發(fā)生散浸、管涌、垮塌等險(xiǎn)情,不僅影響堤岸工程的安全運(yùn)行,還容易造成周邊居民的生命和財(cái)產(chǎn)損失,因此,本文擬對(duì)黃河故道堤岸隱患進(jìn)行探測(cè),并對(duì)其探測(cè)方法及實(shí)施效果進(jìn)行探討。通過(guò)對(duì)黃河故道堤岸隱患探測(cè)方法及應(yīng)用效果進(jìn)行研究,確定隱患類型、位置、尺度及特征,并為堤岸工程維護(hù)提供數(shù)據(jù)服務(wù)和決策支持。
從探測(cè)方法角度而言,“多類型方案設(shè)計(jì)”、“高密度測(cè)線布設(shè)”、“多探點(diǎn)鉆孔資料”是實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度、高精確度堤岸隱患探測(cè)的基礎(chǔ),鉆探資料雖可以實(shí)現(xiàn)堤岸隱患的精確定位及精細(xì)勘察,但鉆探過(guò)程需要消耗較多的人力、物力和財(cái)力,且 “一孔之見”難以全面揭示目標(biāo)堤岸段的隱患分布,不適于“長(zhǎng)距離”、“多期次”的堤岸隱患探測(cè)。因此,以現(xiàn)有地質(zhì)資料為基礎(chǔ),分析目標(biāo)隱患地球物理參數(shù)的差異性,采用不同類型地球物理方法進(jìn)行綜合探測(cè),實(shí)現(xiàn)針對(duì)目標(biāo)的逐級(jí)篩選和逐步確定,雖達(dá)不到鉆探方法的探測(cè)精度,但該方法是基于“多類型方案設(shè)計(jì)”、“高密度測(cè)線布設(shè)”思想進(jìn)行快速、精細(xì)、準(zhǔn)確、無(wú)損堤岸隱患探測(cè)的技術(shù)基礎(chǔ)。
從探測(cè)目標(biāo)角度而言,黃河故道堤岸主要是由第四紀(jì)松散層和人工填土層組成,探測(cè)目標(biāo)主要是洞穴、裂縫、松散體與脫空區(qū)等不良地質(zhì)現(xiàn)象,因此,其物性特征與周圍介質(zhì)存在明顯的差異性。結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn),在充分考慮黃河故道堤岸的工程地質(zhì)條件的情況下,根據(jù)理論分析和方法有效性試驗(yàn)結(jié)果,分析探測(cè)目標(biāo)與周圍介質(zhì)在密度、波速、及介電常數(shù)和電阻率等物性參數(shù)的差異性(表1),具備開展基于電性、彈性參數(shù)差異的探地雷達(dá)法、高密度電阻率法、瞬態(tài)瑞雷面波法等物探方法探測(cè)的前提。
表1 物性參數(shù)
針對(duì)探測(cè)目標(biāo)地球物理參數(shù)的差異性,本文首先采用探地雷達(dá)法對(duì)河堤兩岸進(jìn)行普探,根據(jù)相對(duì)介電常數(shù)的大小及波阻抗界面的強(qiáng)弱確定堤岸隱患的存在及位置;然后,以雷達(dá)資料解譯結(jié)果為基礎(chǔ),采用高密度電阻率法進(jìn)行進(jìn)一步的詳查,根據(jù)電阻率數(shù)值對(duì)目標(biāo)進(jìn)行深入的判斷,驗(yàn)證隱患的存在并確定探測(cè)深度;最后,根據(jù)探地雷達(dá)法與高密度電阻率法綜合判斷的結(jié)果,引入縱波速度這一物性參數(shù),采用瑞雷面波法對(duì)上述位置進(jìn)行復(fù)測(cè),驗(yàn)證探測(cè)深度并推斷是否存在滲漏水異常。
探地雷達(dá)是一種用于探測(cè)地下結(jié)構(gòu)、異常及埋設(shè)物的無(wú)損探測(cè)設(shè)備,其理論基礎(chǔ)是電磁波傳播原理。探地雷達(dá)法是一種用于地球淺表成像的地球物理方法,該方法采用發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁波,當(dāng)電磁波遇到存在電性(比如介電常數(shù)、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等)差異的界面時(shí),會(huì)發(fā)生反射或折射現(xiàn)象,同時(shí)介質(zhì)對(duì)電磁波也會(huì)產(chǎn)生吸收濾波或散射作用,接收天線接收并記錄來(lái)自地下的電磁波信號(hào),經(jīng)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和圖像識(shí)別之后,對(duì)探測(cè)目標(biāo)進(jìn)行合理的推斷和解釋(圖1)。
圖1 探地雷達(dá)測(cè)試原理示意Fig.1 Schematic diagram of GPR testing principles
探地雷達(dá)法的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程可通過(guò)以下公式進(jìn)行表現(xiàn),其中,電磁波在地下傳播的時(shí)間公式如下:
(1)
式中,h為裂縫深度(m);x為發(fā)射天線和接收天線之間的距離(m);v為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度(m/ns)。
電磁波在介質(zhì)中的傳播速度如下:
(2)
式中,c為電磁波在真空的傳播速度(0.3 m/ns);εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù);ur為介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率,在空氣等非磁性物質(zhì)中近似為1。
綜上可知,電磁波傳播的異常性取決于在介質(zhì)中傳播的差異性。介質(zhì)的電性特征主要由電導(dǎo)率σ和介電常數(shù)εr決定。電導(dǎo)率σ主要決定電磁波探測(cè)深度,在電導(dǎo)率一定的前提下,介電常數(shù)εr主要決定電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。
當(dāng)電磁波遇到介電常數(shù)明顯變化的界面時(shí),將會(huì)發(fā)生反射和透射現(xiàn)象,其反射和透射能量主要與界面的反射系數(shù)有關(guān):
(3)
式中,R為界面的電磁波反射系數(shù),ε1為第一層介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù);ε2為第二層介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。
探地雷達(dá)法現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施便捷、探測(cè)速度快、工作效率高,在頻率選擇恰當(dāng)?shù)那疤嵯?,可?zhǔn)確鎖定堤岸隱患的存在及位置,具有良好的工程應(yīng)用效果。
高密度電阻率法具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下:通過(guò)電極將直流電通往地下,建立穩(wěn)定的人工電場(chǎng),然后觀測(cè)同一深度不同位置或同一位置不同深度的電阻率變化規(guī)律,根據(jù)電阻率數(shù)值大小及曲線形態(tài)的變化特征推測(cè)隱患空間分布。與常規(guī)電阻率方法相比,高密度電阻率法是一種陣列式電阻率測(cè)量方法,在測(cè)量過(guò)程中,將全部電極布設(shè)在有一定間隔的測(cè)點(diǎn)上進(jìn)行觀測(cè),由此可以通過(guò)一次測(cè)量得到更多的信息。
電極布置如圖2所示,A、B為供電電極,M、N為測(cè)量電極,由供電電極輸入電流I,假設(shè)在均勻半空間表面上,在距一個(gè)電源距離為L(zhǎng)處的電勢(shì)為:
(4)
式中,ρ為視電阻率(Ω·m);I為電流(A);U為電位差(V)。
高密度電阻率法排列方式很多,常用的有溫納排列、施倫貝謝排列、偶極排列等。以溫納裝置布設(shè)(圖3)為例,根據(jù)電流場(chǎng)分布特性,可得兩點(diǎn)之間的電位差如下:
(5)
由此可計(jì)算求出視電阻率ρ:
(6)
式中,K為裝置系數(shù)。
圖3 溫納排列方式Fig.3 Wenner arrangement
在測(cè)量過(guò)程中,溫納排列AM=MN=NB,相互間隔為一個(gè)電極間距,通過(guò)A、B、M、N逐點(diǎn)向右移動(dòng),得到一條剖面線;四個(gè)電極分別按照同序、等電極間距(一個(gè)電極距)逐次向右移動(dòng),得到另一條剖面線,通過(guò)不斷掃描測(cè)量,最終得到“倒梯形斷面”。對(duì)測(cè)量進(jìn)行處理并反演分析得到視電阻率分布圖,由此為技術(shù)人員解釋和分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
長(zhǎng)距離探測(cè)、覆蓋式測(cè)量與高密度測(cè)點(diǎn)為該方法主要特點(diǎn),鑒于電測(cè)深法主要用于解決與深度相關(guān)的地質(zhì)問(wèn)題,如分層探測(cè)、異常探測(cè)等,電剖面法主要用于探測(cè)地層、巖性在水平方向的變化。除此之外,高密度電阻率法還具有如下特征:①具有電測(cè)深和電剖面的雙重特點(diǎn),即一次探測(cè)可以完成二維探測(cè)過(guò)程;②對(duì)地電結(jié)構(gòu)具有一定成像功能,不僅可獲得豐富的地質(zhì)信息,其結(jié)果在成果圖上均有直觀反映。
綜上所述,高密度電阻率法除具有方法簡(jiǎn)單、探測(cè)速度快、探測(cè)成本低的特點(diǎn)之外,還能明確探測(cè)深度,適用于堤岸隱患詳查階段的探測(cè)。鑒于堤岸隱患在深度與水平方向均與周圍介質(zhì)存在電性差異,高密度電阻率法是一種行之有效的探測(cè)方法。
圖4 瑞雷波野外采集示意Fig.4 Schematic diagram of Rayleigh wave field acquisition
瑞雷面波法是一種淺層工程地球物理勘探方法,其理論基礎(chǔ)是瑞雷波的頻散特性。瑞雷面波是一種沿介質(zhì)自由表面?zhèn)鞑サ膹椥圆ǎ瑥哪芰糠植冀嵌榷?,統(tǒng)稱為面波。英國(guó)學(xué)者瑞雷(Rayleigh)于1887年首先在理論上確定,因此統(tǒng)稱為瑞雷面波。面波勘探法主要有穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法,兩種勘探方法的區(qū)別在于震源不同,前者是以一單頻率的瑞雷波來(lái)獲取速度曲線,而后者需要分析疊加在一起的瑞雷波。瑞雷面波法大部分能量集中在表面附近的小區(qū)域內(nèi)并沿界面?zhèn)鞑?,?dāng)介質(zhì)為半無(wú)限彈性介質(zhì)時(shí),在自由空間和彈性介質(zhì)分界面上將會(huì)出現(xiàn)瑞雷波,這是采用該方法進(jìn)行堤岸隱患探測(cè)的主要原因。
瞬態(tài)瑞雷面波法是對(duì)地面進(jìn)行瞬態(tài)激振就會(huì)產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的復(fù)雜面波,該面波沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑?,質(zhì)點(diǎn)在波傳播方向的垂直面內(nèi)振動(dòng),波陣面為一圓柱體,運(yùn)動(dòng)軌跡為逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)的橢圓。在不均勻介質(zhì)中傳播時(shí),其不同頻率的波按照不同的速度向外傳播。假設(shè)道間距為Δx,單位(m);時(shí)間差為Δt,單位(s);瑞雷波的傳播速度VR,單位(m/s),VR為:
(7)
在地表沿波的傳播方向設(shè)置N+1個(gè)檢波器,瑞雷波在NΔx長(zhǎng)度范圍內(nèi)的傳播速度VR,單位(m/s),VR為:
(8)
根據(jù)同一地段測(cè)量出的瑞雷波傳播速度VR,就可以得到VR-t曲線,即頻散曲線或轉(zhuǎn)換為VR-λ的曲線,λR為波長(zhǎng)(m),具體表示如下:
(9)
VR-f曲線的變化規(guī)律與地下介質(zhì)物理力學(xué)性質(zhì)相關(guān),通過(guò)對(duì)頻散特性進(jìn)行反演解釋,便可得到地下某一深度范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造情況。
瞬態(tài)瑞雷面波法采用“一發(fā)多收”的激發(fā)接收方式(圖4),即通過(guò)多道地震儀布設(shè)多個(gè)測(cè)點(diǎn)的接收系統(tǒng),然后對(duì)多個(gè)檢波器信號(hào)逐道進(jìn)行頻譜分析和相關(guān)計(jì)算,在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中,運(yùn)用疊加處理方式消除隨機(jī)干擾,由此達(dá)到強(qiáng)化瑞雷波、壓制縱橫波的目的。
瑞雷面波具有如下特性:①在均勻介質(zhì)中無(wú)頻散,在非均勻介質(zhì)中存在頻散特性;②振幅與波的傳播路程呈指數(shù)衰減特性;③地表兩點(diǎn)間的瑞雷面波速度可等效為地表下一定厚度(一個(gè)波長(zhǎng)之內(nèi))地層的平均瑞雷面波速度[3]。鑒于瑞雷面波法可利用不同激發(fā)頻率得到不同的瑞雷波速度,因此又稱為“頻率測(cè)深法”,可實(shí)現(xiàn)堤岸松散體、滲漏水異常區(qū)等的探測(cè)。
黃河故道位于黃淮海平原東南部,西起河南蘭考縣,穿山東、安徽境內(nèi),經(jīng)徐州至淮陰套子口入海。在黃河故道形成的過(guò)程中,泥沙淤積導(dǎo)致河床抬升、變寬,形成一條高出附近地面6~9 m的懸河,其中,徐州段近東西走向,將城區(qū)大致分為南、北兩部分(圖5)。
圖6 WT1探地雷達(dá)剖面Fig.6 Ground penetrating radar profile of WT1
徐州段黃河故道全長(zhǎng)16.4 km,市區(qū)段全長(zhǎng)11 km,基本地貌單元為山前洪積平原向黃泛平原過(guò)渡的部分,地勢(shì)開闊平坦。場(chǎng)地東南側(cè)為北東走向斷續(xù)分布的低山,海拔高程約為60~200 m。場(chǎng)地所處地貌為剝蝕殘丘間的沖洪積平原,微地貌單元為低山丘陵與廢黃河高漫灘的過(guò)渡區(qū)。
工程地點(diǎn)地層發(fā)育相對(duì)較全,其中,下部巖層發(fā)育有寒武系、奧陶系地層,巖性以灰?guī)r、泥灰?guī)r、白云巖為主,夾鈣質(zhì)砂巖、泥巖;上部第四系松散層由全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)組成,以黃泛沖積、洪積相為主,全新統(tǒng)地層區(qū)內(nèi)地表廣泛分布,厚約5.0~14.0 m,巖性以粉土、粉砂、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為主;上更新統(tǒng)地層厚約1.0~20.0 m,巖性以黏土、粉質(zhì)黏土、中細(xì)砂和含礫中細(xì)砂層為主。黃河故道堤頂高程為39.2 m,堤頂寬7 m,堤坡1∶3,堤岸底部是洪泛泥沙沉積形成的洪積層,頂部是人工填土層,本次探測(cè)的目標(biāo)是黃河故道可能存在洞穴、裂縫、松散體、脫空區(qū)等安全隱患。
在黃河故道堤岸隱患探測(cè)過(guò)程中,首先采用瑞典MALA的RAMAC/GPR雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)黃河故道堤岸兩側(cè)進(jìn)行普查,根據(jù)堤岸探測(cè)的目標(biāo)深度,儀器設(shè)備參數(shù)設(shè)置如下:選擇中心頻率為100 MHz的天線進(jìn)行探測(cè),測(cè)線間距0.1 m,樣點(diǎn)頻率1 014 MHz,采樣時(shí)窗410 ns,采樣點(diǎn)數(shù)416,采用自動(dòng)疊加的方式。
對(duì)特定區(qū)間段進(jìn)行探地雷達(dá)法測(cè)試,該測(cè)線沿堤岸頂部布置,測(cè)線長(zhǎng)度118 m。在探測(cè)過(guò)程中,根據(jù)雷達(dá)剖面波阻抗的強(qiáng)弱及同相軸的反射規(guī)律,初步篩選出4處探測(cè)異常(圖6),具體如下:①異常位置1:長(zhǎng)度28.7 m,埋深0.7~6.8 m,雷達(dá)剖面特征表現(xiàn)為多條平行的能量較強(qiáng)的反射波同相軸,推測(cè)為松散體或土質(zhì)不均一,異常體右側(cè)局部表現(xiàn)為反射能量較強(qiáng)的弧形彎曲,初步推斷可能局部存在孔洞或存在局部滲水現(xiàn)象;②異常位置2:長(zhǎng)度24.3 m,埋深3.2~10.1 m,局部表現(xiàn)為多條平行的能量較強(qiáng)的反射波同相軸,推測(cè)為松散體或土質(zhì)不均一;③異常位置3:長(zhǎng)度25.9 m,埋深為1.5~8.7 m,左側(cè)表現(xiàn)為多條平行的能量較強(qiáng)的反射波同相軸,推測(cè)為松散體或土質(zhì)不均一;④異常位置4:長(zhǎng)度6.9 m,埋深0.8~5.0 m,表現(xiàn)為多條平行的能量較強(qiáng)的反射波同相軸,推測(cè)為松散體或土質(zhì)不均一。
在探地雷達(dá)法探測(cè)的基礎(chǔ)上,對(duì)上述區(qū)段進(jìn)行高密度電阻率法進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試采用溫納裝置,儀器設(shè)備為DUK-2A高密度電法測(cè)量系統(tǒng),在測(cè)試過(guò)程中,其參數(shù)設(shè)置如下:電極距2 m;單一排列采用60根電極,電極隔離系數(shù)18;供電電壓為144 V。
對(duì)探測(cè)結(jié)果(圖7)進(jìn)行分析可知:該剖面在垂向上主要分為兩層:表層電阻率一般為34~220 Ω·m,推測(cè)為人工雜填土,埋深約3~4 m;第二層電阻率一般為21~34 Ω·m,推測(cè)為粉土等在電性上的反映。在測(cè)線21.4~45.0 m、49.4~82.7 m、78.1~102.4 m、埋深2 m之下,為團(tuán)塊狀相對(duì)低阻異常,分別與探地雷達(dá)法探測(cè)結(jié)果的異常位置1、異常位置2、異常位置3相對(duì)應(yīng),推測(cè)為松散體或土質(zhì)分布不均一。鑒于高密度電阻率法有效探測(cè)范圍表現(xiàn)為梯形,雷達(dá)剖面的異常位置4在探測(cè)范圍之外,無(wú)法從剖面上進(jìn)行有效的反映。
圖7 WG1測(cè)線電阻率斷面Fig.7 Resistivity section of WG1
需要重點(diǎn)關(guān)注的是:測(cè)線21.4~45.0 m、埋深2 m以下相對(duì)低阻異常對(duì)應(yīng)的位置,內(nèi)部還存在一更為低阻的異常點(diǎn)。在假設(shè)土質(zhì)均勻的前提下,巖土體含水或局部孔洞均可產(chǎn)生低阻異?,F(xiàn)象。這與探地雷達(dá)探測(cè)過(guò)程中較強(qiáng)的反射能量弧形彎曲、推斷可能存在孔洞的位置一致。
對(duì)WG1測(cè)線的10~100 m處進(jìn)行瞬態(tài)瑞雷面波法探測(cè),瑞雷面波法探測(cè)以彈性波理論為基礎(chǔ),其傳播符合Snell定律,可根據(jù)其傳播速度確定波速異常區(qū)的存在。在黃河故道堤岸隱患探測(cè)過(guò)程中,主要采用多道數(shù)字高分辨率地震儀進(jìn)行探測(cè),其參數(shù)設(shè)置為:采用單一排列, 24道接收,4 Hz垂直檢波器,檢波距1 m,點(diǎn)距10 m。探測(cè)結(jié)果如圖8所示。
圖8 WR1測(cè)線瑞雷波速度斷面Fig.8 Rayleigh wave velocity section of WR1
由圖8可知,在WG1測(cè)線10~100 m、埋深12 m之上,波速約為180~190 m/s,整體速度較低。在測(cè)線45~80 m之間存在一下凹的低速區(qū),這與前兩種方法異常區(qū)域形態(tài)類似。由圖8可知,在低速區(qū)中存在局部高速反應(yīng),根據(jù)瑞雷面波速度與巖土體特征的關(guān)系,巖土體含水引起波速增高,孔洞則導(dǎo)致波速降低,由此推斷,該處孔洞可能存在滲水現(xiàn)象。
本文以黃河故道徐州市區(qū)段為例,根據(jù)探測(cè)目標(biāo)波阻抗界面介電常數(shù)、電阻率及波速的差異性,采用探地雷達(dá)法、高密度電阻抗法、瑞雷面波法三種地球物理方法對(duì)黃河故道堤岸可能存在的洞穴、裂縫、松散體、不良地質(zhì)體等隱患類型進(jìn)行探測(cè),從探查異常存在,驗(yàn)證異常現(xiàn)象,到最終確定地質(zhì)隱患的類型及特征,不斷引入不同類型的地球物理參數(shù),最終逐段、逐級(jí)、逐步實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)目標(biāo)的甄選和辨識(shí)。
地球物理方法具有工程損傷小、探測(cè)效率高、針對(duì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),可快速實(shí)現(xiàn)對(duì)堤岸隱患的類型及特征的定性探測(cè),但地球物理方法也存在探測(cè)結(jié)果不精確、成果解譯不確定等不足,針對(duì)上述問(wèn)題,在地質(zhì)隱患目標(biāo)區(qū)段進(jìn)行高密度測(cè)線布設(shè),可盡可能精細(xì)地得到探測(cè)結(jié)果,同時(shí),不同類型探測(cè)方法的實(shí)施可減少探測(cè)結(jié)果的不確定性。上述案例實(shí)施表明,只要地球物理方法的方案設(shè)計(jì)和測(cè)線布設(shè)準(zhǔn)確、得當(dāng),可實(shí)現(xiàn)對(duì)堤岸隱患的精確探測(cè)和精準(zhǔn)識(shí)別,值得在實(shí)踐中進(jìn)行推廣和應(yīng)用。