不同物探手段在堤防隱患檢測中的應用對比分析與研究

黎昱+鄧社根+徐榮

摘要：能夠用于堤防隱患的物探方法有多種，采用單一物探方法探查對堤防隱患的判別有可能形成多解，很難作出準確的判斷。試驗段堤防位于淮沭河西堤15+440～16+440，采用了探地雷達法、地震反射波法、地震映像法、瑞雷面波法、大地電導率法對該試驗段進行隱患檢測，對檢測成果進行對比分析與研究，獲得各物探手段的優(yōu)缺點及適用范圍。

關鍵詞：堤防隱患；物探；對比

堤防工程作為一種現(xiàn)實的、長期的防洪措施在我國防洪工程體系中占有極其重要的地位。由于大多數(shù)堤防是在舊堤防基礎上加高培厚而成，加之自然或人為等各種因素所造成的堤防裂縫、孔洞、松散土體、軟弱夾層、高含砂層、獾鼠洞穴等堤防空洞眾多，當遇洪水時極易發(fā)生管涌、滑坡等險情，嚴重時導致大堤潰決。所以，及時探查掌握堤防的質量狀況，發(fā)現(xiàn)并消除堤防隱患，提高堤防抗御洪水能力是各大江河防洪工程中的重點工作。

堤防隱患的檢測方法主要有地質鉆探、人工探查和地球物理勘探三種。前兩者均不能滿足快捷、準確和無損等諸要求，而且探查既費力又難于發(fā)現(xiàn)隱患，鉆探既具有局部性又具有破壞性。物探技術是一種間接探查手段，是通過研究探查對象物理特征的差異來判斷堤防內部隱患的埋深、規(guī)模和形態(tài)。由于堤防土體內土的類別、密實程度、濕度和各土力學參數(shù)的不同以及內部薄弱體的存在必然造成土體物性參數(shù)（電阻率、波阻抗、介電常數(shù)等）的差異，這些差異是利用物探技術檢測堤防的前提。物探方法屬無損檢測，不會破壞堤防的土體結構，其檢測速度快、可連續(xù)掃描，其代表性廣，在堤防探查中有廣泛的應用前景。

能夠用于堤防隱患的物探方法有多種，如淺層地震波法、探地雷達、瞬變電磁法、高密度電阻率法等物探方法都在堤防探查中得到應用。但是堤防土體的物性參數(shù)受多種因素影響，土體的密實程度、土類別、含水率、地下水及水中鹽堿含量等都會影響到波速、電阻率等物探參數(shù)，這就造成堤防探查的復雜性。采用單一物探方法探查對堤防隱患的判別有可能形成多解，很難作出準確的判斷。

一、物探方法的工作原理

（一）探地雷達法

探地雷達的方法原理如下：通過向地下發(fā)射尖銳脈沖式電磁波和接收其反射回波的方式，得到直觀的圖像資料。地下物體不同，其導電率、介電常數(shù)和磁導率也有差異，電磁波的差異傳播反過來推衍地下物質和結構。一般情況下，介質導電率越高，介質雷達波吸收越大，振幅衰減越快；介質介電常數(shù)越大，雷達波傳播速度越小。真空的介電常數(shù)ε空=1，雷達波在真空中的傳播速度最高，等于光速C=3×108m/s。水的介電常數(shù)ε水=81，雷達波在水中的傳播速度：

各層的物質和結構不同，引起雷達脈沖反射的各個面層的介電常數(shù)也不同。探查實際過程中，沿地面移動天線，不斷地發(fā)射和接收脈沖信號，將經A/D轉換后得到的數(shù)據(jù)信號按一定方式進行編碼排列及處理，顯示系統(tǒng)以二維形式給出連續(xù)的地下縱向剖面圖像。圖像的水平坐標為地面不同的位置；垂直坐標表示脈沖的雙程傳播時間，時間可換算為深度，當使用收發(fā)一體天線時，深度Z的計算公式為：

其中，c為電磁波在空氣中的傳播速度（c=0.3m/ns），ε為介質的相對介電常數(shù)，t為脈沖從地表傳播目標物再經目標物反射回地表的雙程傳播時間。

（二）地震反射波法

在阻尼介質中，認為堤防地層是上部自由、下部彈性固結的彈性體。在堤面上激發(fā)震源，堤防土體發(fā)生彈性效應，生成彈性波。該波的一部份往下傳播，為入射波。當入射波到達底界面時，遇到有波阻抗差的底界面時，在底界面上產生反射，形成反射波，被堤面上的儀器記錄下來（如圖2所示）。儀器自動記錄波旅行時間（t），由波速（V）可得出地層厚度（h）和地層構造特征，一般采用多次覆蓋觀測系統(tǒng)工作。

（三）地震映像法

該法以相同的小偏移距逐步移動單點接收地震信號，對地下地層或地下目的物進行連續(xù)掃描，利用地下介質密度、速度、泊松比等彈性特征參數(shù)的差異，當彈性波遇到彈性分界面或彈性突變點時，將發(fā)生反射、繞射和產生頻散。儀器自動記錄波的旅行時間和動力學特征，反演介質物性參數(shù)，獲取物性分界面或突變點的雙程旅行時間和埋深（如圖3所示）。

對于反射波映像法而言，其反射波旅行時間為：

其中，x0為炮檢距，t0為雙程旅行時間。當反射界面為水平界面時，其時距曲線為一直線。

（四）瑞雷面波法

利用彈性動力學理論，震源在地面上瞬態(tài)作用下，瑞雷面波是縱波和橫波在地表面相互干涉疊加出現(xiàn)的波型轉換結果，質點按一定的橢圓軌道逆時針運動軌跡的振動，在地表及其附近其能量相對集中。在二維坐標系中，設垂直方向為Z軸，水平方向為X軸，坐標原點位于地面震源，其質點振動位移分量分別為：

式中：N為觀測排列的接收道數(shù)；Δti為第i個道間距的時間差，Δφi為初相位差。

根據(jù)瑞雷面波理論，利用擬合反演的方式，可得到測點處垂向瑞雷面波波速的分布，由不同巖土層瑞雷面波速度特性差異，不同波速的介質給予其特有的地質屬性解釋，實現(xiàn)垂向巖土層探查的目的。

（五）大地電導率法

大地電導率法是一種不接地磁源淺層電導率法，屬于頻率域電磁法。其基本原理是：在大地表面布設發(fā)射線圈作為磁偶極源，通過測量交變電流產生的一次磁場，以及由一次磁場在大地中產生的渦旋電流感應出的二次磁場，來達到測量大地視電導率的目的（工作原理圖見圖4所示）。大地電導率和二次磁場與一次磁場的比值存在如下的線性關系：

其中σ為地下的電導率，Hp為發(fā)射線圈產生的一次場，Hs為接收線圈接收的二次場，ω為發(fā)射信號的角頻率，μ為地層的磁導率，S為收發(fā)距。通過發(fā)射不同頻率的信號，達到測量不同深度的電導率的目的。

二、試驗段堤防地質條件

（一）堤身斷面結構

試驗段堤頂寬度為7.4m，高程為17.8m，迎水坡坡腳高程為11.4m，背水坡坡腳高程為11.9m，迎水坡坡腳到淮沭河西偏泓距離為60m。

（二）堤身土結構

堤身土主要為人工堆筑填土，由粘性土（A層）及砂性土（B層）組成，堤頂多為石子路面。

A層（Q4ml）：棕黃、灰黃、褐黃、黃褐、棕黃雜灰色粉質粘土、重粉質壤土，雜重粉質砂壤土及輕粉質壤土，局部互雜。

B層（Q4ml）：灰黃、棕黃及淺黃色重、輕粉質砂壤土、輕粉質壤土，雜粉質粘土，局部互雜。

（三）堤基地質條件

試驗段廣泛分布層砂性土，局部分布1層砂性土，兩層合計厚度多在3m左右；部分地段分布2層軟粘性土，厚度一般在1m左右。

三、試驗段測線布置

試驗段堤防位于淮沭河西堤15+440～16+440，在堤頂路面兩側各布置一條順堤方向的測線，每條測線長度1000m，如圖7所示。

四、檢測成果分析對比

（一）探地雷達法成果分析

采用探地雷達法對試驗段全線進行了探查，分別沿堤頂迎水坡側（右測線）和背水坡側（左測線）兩條測線進行。

探查結果顯示在測線15+460～15+468段的堤防斷面，人工填土B層與自然沉積層的分層界面處出現(xiàn)了疏松現(xiàn)象，其下方自然沉積層內局部也出現(xiàn)了土體疏松，疏松區(qū)的雷達波的振幅大、視頻率相對周圍介質較低，為典型的富水疏松異常雷達波特征圖像。在疏松區(qū)上方填土層存在小的空洞現(xiàn)象，但規(guī)模不大。

當?shù)谭赖貙觾却嬖诳斩磿r，使得界面的反射系數(shù)增加數(shù)倍以上，因而反射波振幅大大增加，電磁波在空洞內的傳播與在土體內傳播形成鮮明對比，從而識別空洞的存在與否。

探查結果顯示在測線15+550～15+562段的堤防斷面，人工填土B層出現(xiàn)了空洞，空洞區(qū)的電磁波傳播速度快，電磁波反射系數(shù)變大，電磁波的振幅變大，在雷達探查剖面圖像中呈現(xiàn)強烈的反射信號特征，同時探地雷達反射波同相軸錯斷，是典型的空洞雷達波特征圖像。

（二）地震反射波法成果分析

依據(jù)右測線16+146～16+325段堤防的地震時間剖面和彩色時間剖面圖像，地震反射波時間剖面顯示存在4組較連續(xù)的有效反射波阻（T1～T 4），根據(jù)反射波組的波形、頻率、振幅、時間及連續(xù)性等特征對比，并結合堤防工程地質資料和地層物性參數(shù)，確定有效反射波組T1是人工填土A層與B層的分層界面，深度約2.5m左右；T2是人工填土B層與自然沉積層分層界面，深度約8m左右，T3和T4是自然沉積層深部的反射信號，本次堤防探查的范圍是8m以淺的人工填土層，T2和T3、T3和T4之間的地層可不予考慮。

探測結果表明，地震橫波反射波法對堤防的主要結構層的探測效果較好，能清晰的反映出堤防填土層和自然沉積層的分層界面，以及自然沉積層內的不同物性地層的分層界面。探測成果說明地震反射波法對填土層內存在的空洞、疏松土體、富水以及軟弱土體層的反映較差，探測效果不明顯。

（三）高密度地震映像法成果分析

依據(jù)堤防左測線15+540～15+740段的縱波地震映像探查剖面圖像，人工填土A層和B層之間的分界面、以及B層與自然沉積層之間的分界面都很清晰，表明人工填土A層、B層和自然沉積地層之間是存在一定的速度差異。

通過對縱波地震映像波相的識別，在15+543～15+555段和15+677～15+699段的堤防斷面上，人工填土層的地震波同相軸出現(xiàn)了下陷，推斷為人工填土B層土質疏松，導致地震波傳播速度降低，傳播的時間變長，因此地震波同相軸下陷。

通過對縱波高密度地震映像資料的分析，發(fā)現(xiàn)縱波高密度地震映像對堤防隱患探查有一定的效果，特別是大范圍的地層沉降或松散，探查效果比較明顯，地震波同相軸和波相的變化，表明地層結構和介質的物性發(fā)生了改變。

（四）瑞雷面波法探查分析

圖8為試驗段右測線16+140～16+340段堤防的面波剖面圖，因為人工填土層和原狀土層的面波速度存在差異，因此從圖中可以看出人工填土層和原狀土層的分界面在7.5m左右，圖中圈出的紅色區(qū)域和面波速度相對周圍土體較低部位，即為松散土體。

J2鉆孔位于右測線16+292的位置，圖9為J2鉆孔柱狀圖和J2孔附近的面波頻散曲線圖，從圖中可以看出，根據(jù)面波頻散曲線圖對土層進行分層與鉆孔柱狀圖土層分層基本一致。

瑞雷面波的探測結果表明，瑞雷面波法對地層結構的劃分和堤防隱患的探測均具有較好的效果，具有探測深度較深、不受地下水位影響的優(yōu)點，適用于對地層的精細劃分，獲取地層的剪切波速度等物性參數(shù)，但該方法野外工作量很大，探測時間長，不宜全線使用。

（五）大地電導率法成果分析

圖10是試驗段16+140～16+340段堤防電導率探查成果。成果顯示在16+155～16+180段（點號30～80）電阻率數(shù)值總體偏低，呈現(xiàn)大振幅鋸齒狀分布，表明該段堤防的填土層孔隙率高、含水率不均勻，地層相對周圍填土層富水；在770～788m（點號140～156）段堤防，同樣存在電阻率數(shù)值相對周圍土體偏低，但范圍相對較小，表明該段堤防的填土層同樣富水。

大地電導率探查方法對富水區(qū)域探查敏感，若松散體含水量與周圍介質相當，則探查效果不明顯。

五、結論

每一種物探方法均有其探查的有效性和局限性，各種物探方法既可以互相驗證，又可以互為補充。對探地雷達法、地震反射波法、地震映像法、瑞雷面波法、大地電導率法的檢測成果進行對比分析與研究，可以獲得各物探手段的優(yōu)缺點及適用范圍。

1. 通過對同一段堤防各物探方法檢測成果的對比分析，發(fā)現(xiàn)探地雷達探查的效果更好，其普查發(fā)現(xiàn)的異常段基本涵蓋了其它兩種物探方法所發(fā)現(xiàn)的異常體，反映的地層結構信息和土體異常更準確，不僅能反映出土體異常的性質，而且能對異常的形態(tài)和規(guī)模進行量化。

2. 地震反射波法探查深度較大，對劃分大深度的地層結構有良好的探查效果，但不能對堤防人工填土層中存在的富水、松散、空洞等進行有效探查。

3. 高密度地震映像對地層結構、土體松散異常有明顯的探查效果，但是該方法只能探查到隱患的平面位置，不能夠確定隱患的埋藏深度。

4. 瑞雷面波法對地層結構的劃分和堤防空洞的探查均具有較好的效果，探查深度較深，且不受地下水位影響，適合于對地層的精細劃分，獲取地層的剪切波速度等物性參數(shù)，但該方法野外工作量很大，探查時間長。

5. 大地電導率法僅對富水區(qū)有探查效果，對含水率較低的部位探查效果較差。

參考文獻：

[1]楊震中.綜合物探方法在堤防隱患探測中的應用研究[D].中南大學，2007.

[2]石明，馮德山，戴前偉.綜合物探方法在堤防質量檢測中的應用[J].地球物理學進展，2006（12）.

（作者單位：江蘇省工程勘測研究院有限責任公司）