綜合物探技術在堤防滲漏搶險探測中的應用

2019-11-26 06:20:20潘展釗袁明道史永勝劉建文林悅奇

水資源與水工程學報 2019年5期

譚彩，潘展釗，袁明道，史永勝，劉建文，林悅奇

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣東廣州 510610; 2.廣東省大壩安全技術管理中心，廣東廣州 510610; 3.廣東省水動力學應用研究重點實驗室，廣東廣州 510610)

1 研究背景

堤防是防洪體系的重要組成部分，是落實河長制保障水安全的關鍵內容之一，目前我國堤防總長度超40×104km，其中絕大部分為早期人工填筑而成，質量相對較差，汛期高水位或臺風等極端條件下其薄弱位置極易發生險情，嚴重威脅人們生命財產安全[1-2]。因此，如何在險情發生初期，快速準確探明堤防滲漏位置，為應急搶險科學決策提供依據，是目前亟待解決的問題。

堤防滲漏險情發生初期通常具有分布范圍廣、規模小、物性差異小、突發性和可變性等特點，險情發生后須動態監測其發展，這對探測技術的數據采集處理速度、靈敏度、分辨率以及抗干擾性均有較高的要求[3]。物探檢測法是堤防滲漏搶險探測的最優手段，目前常用的堤防滲漏物探技術主要有電法、地震法和電磁法3大類。電法尤其是高密度電阻率法在堤防滲漏探測中應用最廣泛，但高密度電阻率法具有明顯的體積效應，縱向探測分辨率較低，對埋深較大的小規模滲漏探測具有一定的局限性[4-8]。地震法可通過探測堤防蟻穴、空洞、疏松帶、裂縫和高含砂層等隱患特征推測滲漏發生部位，但普遍存在邊界效應[9-11]。電磁法尤其探地雷達法具有數據采集快、探測分辨率高、抗外部干擾強以及場地要求低等優勢，但在高含水率區域電磁波衰減嚴重[12-15]。上述3種物探技術在堤防滲漏探測中均有一定作用，但各方法均有其局限性和多解性，無法單獨實現堤防滲漏的精確探測。

為避免單一物探技術的局限性和多解性，近年來通過多種物探方法相互結合、相互補充、相互驗證、相互約束的綜合物探技術逐步發展。張建清等[16]建立了一種大地電磁法、高密度電阻率法、微動法組成的綜合物探技術體系，并將其應用于大壩滲漏探測，取得了良好的效果。鄭智杰等[17]采用地震折射法、地震反射法及微動法3種物探方法組合探明了桂林市洛潭水庫巖溶滲漏帶發育的位置，為灌漿加固提供了科學依據。張偉等[18]采用高密度電測深法、音頻大地電磁法和地震折射法對淮河濱河淺灘塌陷區進行現場試驗，結果表明受第四系淤泥層等低阻覆蓋層影響，高密度電測深法和音頻大地電磁法探測結果偏小，結合地震折射法可更準確劃分覆蓋層、溶蝕層和基巖面的空間位置。目前綜合物探技術還只是通過多種物探技術多角度分析隱患，但綜合物探技術不僅局限于幾種物探技術探測結果的簡單羅列，更應結合基礎資料、現場檢查綜合分析驗證。

廣東省某堤防受2017年第13號臺風“天鴿”(強臺風級)和第14號臺風“帕卡”(臺風級)影響，出現3段損毀，分別編號為1#缺口、2#缺口和3#缺口，缺口長度分別為50、61和64 m，總缺口長度為175 m，災后相關部門迅速對缺口堤段進行修復，修復后堤防斷面如圖1所示，堤頂高程3.5 m，堤身高度約5.8 m，堤頂寬約12.4 m，迎水面為干砌石擋墻，墻前采用拋石護腳，墻后回填黏性土并夯實，堤身為吹填膜袋砂，每層厚60 cm，背水坡回填50 cm厚夯實土，坡比1∶3。2018年4月，原3#缺口堤段出現滲漏，堤防安全受到嚴重威脅，險情堤段現狀航拍如圖2所示。

圖1 廣東省某損毀堤防修復后橫斷面圖(高程單位：m，標注單位：mm)

圖2 險情堤段現狀航拍

快速準確探明堤防滲漏位置，合理評估該堤段險情是全面開展應急搶險工作的前提。針對該堤防滲漏險情具有的規模小、物性差異小和可變性等特征，本文采用高密度電阻率法和探地雷達法兩種物探技術對險情堤段進行探測，兩種方法相互結合、相互補充、相互驗證、相互約束，并結合基礎資料和現場檢查對堤防滲漏險情進行分析，為該堤防后期全面開展應急搶險工作提供技術支撐，相關成果也可供類似工程參考。

2 高密度電阻率法

2.1 探測原理與測線布置

高密度電法是以介質體的電阻率差異為基礎的一種電法勘探技術，其探測原理為通過電極向介質體輸入電流，通過測量電極間電位差確定其視電阻率。根據實測的視電阻率進行數據裝換、預處理、地形較正和反演計算，確定地層中的電阻率分布等值線圖，從而可以劃分地層，確定異常地層等。

由于險情段堤頂鋪有石粉，高密度電阻率法儀器探針難以插入，而背水坡的填土體較為松軟，故僅在堤頂近背水坡側設置1條測線，方向為順水流方向。測線電極間距為2 m，測線總長度為78 m，測線樁號范圍為K0+675～K0+597 m，測線裝置類型為Wenner-α法。

2.2 電阻率反演與分析

基于最小二乘原理進行電阻率反演，其基本原理為通過現場實測數據構造目標函數，并使之達到極小值。目標函數Φ可表示為[19]：

Φ=‖Δd-JΔm‖2

(1)

式中：Δd為數據殘余向量；Δm為模型參數修改向量；J為偏導矩陣，可寫為：

(2)

為減少鄰近網格電阻率突變，使模型連續、光滑，對目標函數施加光滑約束，則函數可改寫為：

Φ=‖Δd-JΔm‖2+λ‖C(m+Δm)‖2

(3)

對Δm求導并令目標函數為0，則有：

(JTJ+λCTC)Δm=JTΔd-λCTCm

(4)

式中：λ為拉格朗日乘數；C為光滑矩陣，求解可得Δm，施加光滑約束的預測模型參數向量可寫為：

ma(k)=ma(k-1)+Δm

(5)

重復上述過程，當實測數據與模擬數據平均均方誤差RMS滿足要求時，反演結束。RMS寫為：

(6)

經最小二乘法反演堤防探測斷面電阻率分布情況如圖3所示。由圖3可知：(1)堤防探測斷面電阻率基本呈層狀分布，電阻率在1.07～160 Ω·m之間，其中險情堤段堤深3 m以下電阻率1.07～40Ω·m，電阻率整體偏低，說明堤深3 m以下險情堤段含水率相對較高，與現場檢查背水坡距堤頂3 m處堤身較松軟、濕潤現象一致；(2)隨堤深增大，電阻率逐漸減小，說明堤防含水率隨堤深增大而增大，這與堤防背水坡土體含水率變化規律與特征一致；(3)探測段堤頂中部存在局部高阻異常，這主要是由于險情段堤頂鋪有電阻率相對較高的石粉，此外背水坡的淺層坡面侵蝕也是導致局部高阻異常的主要原因；(4)樁號K0+625～K0+610 m堤頂下4.0～11.5 m以及樁號K0+637～K0+650 m堤頂下5.0～11.5 m兩個區域存在明顯的低阻異常，形成低阻閉合圈，電阻率趨近于零，說明該范圍土體含水率非常高，已形成滲漏通道。

3 探地雷達

3.1 探測原理

探地雷達探測系統主要由發射天線、接收天線和控制器(主機)等組成。探地雷達工作原理為發射天線發出高頻電磁波，電磁波遇地下地層或目標體發生反射，傳回地面為接收天線接收，通過發射接收控制器轉換和計算機后處理可形成地下雷達圖像。根據反射波振幅、大小、頻譜特征和同相軸形態特征可對雷達目標波相進行識別。

為均衡探測剖面各雷達波的能量，增強弱信號的對比以及有用雷達波的追蹤，需對雷達現場實測數據進行增益，增益通過現場實測數據乘以增益權函數實現[20]：

(7)

第i個時窗中心對應的增益權函數pi可寫為：

(8)

式中：M為調整有效振幅的平衡系數；Ai為第i個時窗的平均振幅，其計算式為：

(9)

式中：Ti-1為第i個時窗起始時間；Ti+1為第i個時窗終止時間；N為第i個時窗采樣點數。

為消除雷達實測數據中的干擾信號，需進行濾波處理。假定探地雷達實測信號為反射波和干擾波的疊加，則實測信號二維函數可寫為：

f(x,t)=s(x,t)+n(x,t)

(10)

式中：x為測點位置；t為時間；s(x,t)為反射波函數；n(x,t)為干擾波函數。

其對應的濾波輸出頻波譜為：

=S(k,f)H(k,f)+N(k,f)H(k,f)

(11)

為剔除干擾信號，則干擾波頻波譜為零，即：

(12)

3.2 探測結果與分析

本次探地雷達探測共布設3條測線，探測頻率均為100 MHz，測線樁號K0+653～K0+605 m，探測典型結果如圖4所示。分析探測結果可知：(1)在堤深0.3和1.0 m處有清晰的反射層面，同相軸連續，層面較為平直，推測堤深0.3 m為石粉鋪填層與回填土層交界面，堤深1.0 m為回填土層與吹填膜袋砂交界面，與設計厚度一致，說明本次探地雷達探測結果是可靠的；(2)在堤深約3 m處反射波同相軸連續性較差，多處出現零星分布的強反射信號，當堤深超過3 m時，反射波能量急劇衰減，整體回波相對較弱，推測堤深約3 m處為浸潤界面。分析其原因為，吹填砂是一種非均質的顆粒材料，其滲透系數存在明顯的非均勻性和各向異性，浸潤界面處部分吹填砂受水浸潤處于相對飽和狀態而部分未受水浸潤，受水浸潤的吹填砂相對介電常數明顯增大，與周圍未受到水浸潤的吹填砂形成明顯的電性界面，表現出同相軸不連續，多處出現零星分布的強反射信號特征。浸潤面下吹填砂處于相對飽和狀態，對電磁波吸收能力強，表現為回波減弱；(3)樁號K0+620～K0+610 m以及樁號K0+645～K0+640 m兩處存在多重強弱交錯的凸形條紋，且樁號K0+620～K0+610 m處反射波較樁號K0+645～K0+640 m處條紋間距寬，反射幅度大，推測險情堤段在樁號K0+618 m以及樁號K0+642 m兩處已形成滲漏通道，且樁號K0+618 m處滲漏通道埋深較淺。經現場檢查發現該兩處有明顯涌水，驗證了探測結果。