組合物探手段在堤防質量檢測中的應用分析

黎 昱荊 昊徐 榮

（1.江蘇省工程勘測研究院有限責任公司，江蘇 揚州 225002；2.揚州市潤揚河工程管理處，江蘇 揚州 211404）

組合物探手段在堤防質量檢測中的應用分析

黎 昱1荊 昊2徐 榮1

（1.江蘇省工程勘測研究院有限責任公司，江蘇 揚州 225002；2.揚州市潤揚河工程管理處，江蘇 揚州 211404）

在潤揚河堤防質量檢測中，采用“以探地雷達法普查篩選異常部位，再以高密度地震映像法對普查發現的異常部位進行詳查，最后以瑞雷面波法進行驗證”的組合物探方法，檢測手段不斷疊加，檢測成果質量相互驗證，組合檢測效果良好，形成了組合地球物理探測技術進行堤防質量檢測的技術體系。

堤防質量檢測；組合物探；技術體系；檢測手段；擋水建筑物

堤防是常見的擋水建筑物，各類堤防在國民經濟建設中發揮著重要作用。堤防工程多已完建，也有新建堤防工程，堤防工程本身結構是否穩定、堅固耐用，主要受建設質量約束。堤防為隱蔽工程，長期以來，堤防質量檢測與評價方法仍沿用傳統開挖檢查和鉆孔取樣試驗的常規技術。開挖檢查和鉆孔取樣試驗都會對堤防造成一定的損害，而且開挖檢查和鉆孔取樣試驗都只能以點帶面，很難全面掌握堤防沿線整體的質量狀況。鑒于物探無損探測技術具有高精度、高分辨能力、探測成果彩色直觀和現場檢測快速便捷等優點，在堤防質量檢測中有著越來越廣泛的應用。物探技術種類繁多，方法原理不同，探測效果受地質環境影響較大，探測成果有時存在較大差異，單一的物探手段很難獲得精準的無損檢測數據。為了提高檢測成果質量，往往需要采用多種物探手段組合進行堤防質量檢測。在潤揚河堤防質量檢測中，“以探地雷達法普查篩選異常部位，再以高密度地震映像法對普查發現的異常部位進行詳查，最后以瑞雷面波法進行驗證”的組合物探方法進行應用研究，形成了組合地球物理探測技術進行堤防質量檢測的技術體系。

1 探查方法原理和參數設計

1.1 探地雷達法

圖1 探地雷達工作原理圖

1.1.1 方法原理。探地雷達法是利用主頻106～109Hz波段的電磁波，以寬頻帶短脈沖的形式，由地面通過天線發射器發至地下，經地下目標體或地層的界面反射后返回地面，被雷達天線接收器所接收，通過對所接收的雷達信號進行處理和圖像解譯，探測隱蔽介質的分布和特征（圖1）。

電磁波在特定介質中的傳播速度是不變的，因此根據探地雷達記錄的電磁波傳播時間ΔT，即可據下式算出異常介質的埋藏深度H：

式中：V是電磁波在介質中的傳播速度，其大小由下式表示：

式中：C是電磁波在大氣中的傳播速度，約為3.0×108m/s；ε為相對介電常數，不同的介質其介電常數亦不同。

雷達波反射信號的振幅與反射系數成正比，在以位移電流為主的低損耗介質中，反射系數可表示為：

反射信號的強度主要取決于上、下層介質的電性差異，電性差越大，反射信號越強。

1.1.2 實測參數選擇。根據本次探查工作的需要，采用了低頻組合天線，低頻組合天線的工作頻率為80MHz，儀器主要工作參數設置如下：

表1 探地雷達數據采集參數

現場探查方式采用天線沿布置測線貼地面連續探查，天線移動速率約為0.4m/s。

1.2 高密度地震映像法

1.2.1 方法原理。高密度地震映像法是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掃描，利用彈性波信息來探查地下介質變化的淺層地震勘探方法。當地下介質密度、速度、泊松比等彈性特征參數具有差異時，彈性波遇到彈性分界面或彈性突變點將發生反向或繞射和產生頻散現象。該法是利用反射波和繞射波的特性，記錄波的旅行時間和動力學特征，反演介質的物性參數，獲取物性分界面或突變點的雙程旅行時間和埋深（圖2）。

圖2 高密度地震映像工作原理圖

對于高密度地震映像法而言，其反射波旅行時間為：

式中：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。

1.2.2 參數選擇。本次高密度地震映像法采用28Hz的縱波檢波器，野外觀測采用小偏移距單道接收技術，布設觀測點間距為0.5m，炮檢偏移距10.0m，錘擊震源，采樣時間2ms，采樣點數2048，數據采集時采用全通模式。

1.3 瑞雷面波法

1.3.1 方法原理。依據彈性動力學理論，在地面上瞬態震源作用下，將產生一定頻率范圍、以震源點垂線為軸對稱的不均勻柱面瑞雷波向四周傳播，它是縱波和橫波在地表面相互干涉疊加出現的波型轉換結果，形成質點按一定的橢圓軌道逆時針運動軌跡的振動，其能量主要集中在地表及其附近。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：kR為瑞雷面波波數；kp、kS分別為縱波和橫波波數；w為圓頻率；t為時間變量；A為地面處振幅。

面波勘探的核心問題是要利用頻散現象準確地獲得不同頻率面波的相速度VR，同一頻率的VR在水平方向的變化反映出地質條件的橫向不均勻性，不同頻率的瑞雷波速度VR的變化則反映出介質在深度方向的不均勻性，因此該方法揭示地下結構分布在物探方法中具有一定的優越性。

圖3 瞬態瑞雷波勘探法工作原理示意圖

瑞雷面波法探查方法如圖3所示，相距震源一定的距離處，在震源至接收點處的連線方向上放置一個接收排列，各接收道間距為Δx，由位移分量式（4）可知，相鄰接收道間的初至時間差為：

相位差應為：

從而得到頻率為f的瑞雷面波波速計算式：

或：

式中：Df為相鄰接收道間面波的振動相位差；Δt為相鄰接收道間面波的初至時間差。

在觀測排列范圍內的平均波速為：

或：

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

由此可見：對接收的瞬態瑞雷面波振動波形，通過頻譜分析、FK交換和提出面波基階模態的頻散曲線方式，獲取不同頻率所對應的波長λ和瑞雷面波波速，即λ-VR曲線，從而獲取不同深度的面波速度，h-VR關系曲線，實現所謂的彈性波頻率測深。

基于瑞雷面波理論，通過擬合反演的方式，可得到觀測點處垂向瑞雷面波波速的分布，結合不同巖土層對應于不同的瑞雷面波速度特性，對不同波速的介質賦予地質屬性的解釋，從而實現垂向巖土層勘探的目的。

1.3.2 參數選擇。本次瑞雷面波法外業觀測采用瞬態多道面波檢測技術，其試驗技術參數為：采用單邊錘擊排列觀測裝置，每個排列24道接收，道間距的選擇原則：2/3λR＜道間距＜λR，檢波器選用頻率由探查深度式：H＝VR/2f估算，根據堤防探查深度的要求，控制探查深度≤20m。經現場試驗對比后，確定采用的試驗參數如表2所示：

表2 試驗參數

2 場地土層

場地鉆探深度范圍內所揭示的土層，按其成因類型及土的性狀自上而下主要分以下各層：A層（Q4

ml）：人工堆土，為灰、黃灰色中、重粉質壤土雜輕粉質砂壤土，局部為粉質黏土。γd＝14.7kN/m3，c＝12.8kPa，φ＝12.3°，平均水平滲透系數為3.24×10-5cm/s，具弱透水性，抗沖刷能力一般。

1層（Q4pr）：灰、黃灰色重粉質壤土，表層為耕作土，平均層厚1.0m，主要分布于農田處。γd＝14.7kN/m3，c＝14.0kPa，φ＝11.7°，水平滲透系數為1.57×10-5cm/s，具弱透水性，抗沖刷能力較差。

2層（Q4al＋pl）：灰色淤泥質中、重粉質壤土，夾薄層輕粉質砂壤土，或與之互層、互夾，局部夾淤泥質粉質黏土，場地普遍分布，為場地分布的軟弱土。γd＝12.3kN/m3，c＝7.9kPa，φ＝8.5°，平均水平滲透系數為5.53×10-5cm/s，具弱透水性，抗沖刷能力較差。

2-1層（Q4al＋pl）：灰色輕粉質砂壤土夾淤泥質中、重粉質壤土，局部為互層，局部地段為粉、細砂夾淤泥質中粉質壤土，飽和，土質不均，平均層厚8.3m。γd＝13.3kN/m3，c＝7.7kPa，φ＝12.7°，平均水平滲透系數為2.36×10-4cm/s，具中等透水性，抗沖刷能力較差。

2-2層（Q4al＋pl）：灰色粉、細砂，夾薄層中、重粉質壤土，局部為互層，一些地段為輕粉質砂壤土夾粉砂和中粉質壤土，飽和，土質不均，平均層厚6.6m，場地多數地段有揭示。γd＝14.3kN/m3，c＝4.4kPa，φ＝21.0°，平均水平滲透系數為1.25×10-3cm/s，具中等透水性，抗沖刷能力較差。

3 測線布置

《堤防隱患探測規程》（SL436-2008）第3.2.2條規定：“當堤頂寬度不大于4m時，宜沿堤頂中線或迎水面堤肩布置一條測線；當堤頂寬度大于4m時，宜沿迎水面和背水面堤肩各布置一條測線。”由于潤揚河堤防堤頂寬度均大于4m，因此本次探查工作在堤頂迎水坡和背水坡兩側堤肩各布置了一條順堤的測線，測線布置詳細位置見圖4、圖5和圖6所示:

圖4 潤揚河堤防隱患探查測線布置示意圖

圖5 儀揚河閘段堤防隱患探查測線布置示意圖

圖6 江堤段堤防隱患探查測線布置示意圖

4 檢測成果

潤揚河堤防填筑以壤土為主，若堤防填土的顆粒分布均勻，孔隙率與含水率相近，經過壓實后土體的密實性良好，雷達電磁波或地震波在均勻填土中傳播時速度相近，反射波同相軸連續性較好，視頻率由高到低變化，介質電性差異較小，因此振幅變化不明顯。當堤防填土內介質出現土質分布不均勻、含水率、孔隙率等變化較大，導致該處填土的介質電（波）常數相對于周圍填土變化較大時，電磁波或地震波傳播到異常土體時，反射系數產生變化，反射信號也有明顯變化，與周圍較均質的填土的雷達電磁波或地震波探查信號存在明顯差異，分析電磁或地震反射波的波形特征，從而識別填土異常體的性質和分布規模。在潤揚河堤防質量檢測中先用探地雷達法普查，圈定異常，再用高密度地震映像法對普查發現的異常進行詳查，最后利用瑞雷面波法進行驗證，檢測手段不斷疊加，檢測成果質量相互驗證，組合檢測效果良好。

4.1 堤防隱患雷達圖像特征

圖7是西堤迎水坡K2＋000～K2＋016雷達探查剖面圖像，探查結果顯示在該段剖面局部存在填土松散體，樁號為西堤迎水坡K2＋002～K2＋014，深度為2.5～4.5m，該異常段的填土相對于周圍填土欠密實，相對較松散，但含水率低，在雷達探查剖面圖上反映明顯。

圖7 西堤迎水坡K2＋000～K2＋016雷達剖面圖

4.2 高密度地震映像法探查成果

圖8為西堤迎水坡K2＋000～K2＋017段的高密度地震映像探查剖面圖像。通過對地震波相的識別，在西堤迎水坡K2＋000～K2＋017段的堤防斷面上，人工填土層的地震波同相軸出現了下陷，推斷為堤防填土層土質松散，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。

圖8 西堤迎水坡K2＋000～K2＋017高密度地震映像剖面圖

4.3 瑞雷面波法探查成果

圖9為西堤迎水坡K1＋996～K2＋020瑞雷面波剖面圖，圖中不同的顏色表示相應的面波速度。圖中圈出的區域的面波速度相對周圍土體較低，表示該部位土體相對較松散。

圖9 西堤迎水坡K1＋996～K2＋020瑞雷面波剖面圖

通過西堤迎水坡K2＋000～K2＋016的雷達探查剖面圖像、高密度地震映像探查剖面圖像、瑞雷面波剖面圖，檢測效果逐次清晰，成果辨識度高，可以明顯地看出在K2＋002～K2＋014段堤身填土壓實度不夠，深度為2.5～4.5m。

5 結語

探地雷達檢測方法不需要布置檢波器，具有快速、便利的特點，適宜與堤防全線質量普查，高密度地震映像法和瑞雷面波法需布置測線和檢波器，工效較差，但其成果圖像更加清晰、直觀，適宜與局部異常部位進行詳查。探地雷達法普查篩選異常部位，再以高密度地震映像法對普查發現的異常部位進行詳查，最后以瑞雷面波法進行驗證的組合物探方法，技術方法設計合理，檢測效果顯著，能夠滿足堤防質量檢測的任務要求。無論是新建堤防質量檢測，還是老舊堤防隱患探測，無損物探組合檢測技術都是可行的，可針對不同的地質環境條件，選用適宜的檢測手段。潤揚河堤防質量檢測，采用組合檢測技術，檢測成果直觀、可靠，該組合檢測技術在水利工程中具有良好的應用推廣價值。

[1]謝華萍，何繼雙．淺析堤防工程堤身填筑施工質量控制[J]．低碳世界，2014，（9）.

[2]丁凱．地質雷達技術在隱蔽工程質檢評價中的應用研究[D]．吉林大學，2007．

（責任編輯：蔣建華）

TV698

1009-2374（2017）07-0068-03

10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.07.032

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