探地雷達(dá)在塔里木河岸堤監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

才登巴

(塔里木河干流管理局，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

探地雷達(dá)是一種地球物理技術(shù)，用于探測(cè)和識(shí)別地表下的自然或人造結(jié)構(gòu)[1-3]。探地雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)使用了約一個(gè)世紀(jì)。其發(fā)展的最初動(dòng)機(jī)是軍事性質(zhì)的，用于探測(cè)隧道和埋藏的地雷[4-6]。如今，探地雷達(dá)作為一種非侵入性的方法被廣泛應(yīng)用于各種工程測(cè)量中，用于探測(cè)地下的空間特征。

近年來，水工建筑物地下空洞的探測(cè)和表征是需要解決的主要問題之一[7-8]。空洞問題可能威脅到結(jié)構(gòu)本身的完整性和穩(wěn)定性。防洪堤監(jiān)測(cè)包括識(shí)別潛在的威脅，目前主要的檢測(cè)方式為目視檢查，這樣費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，并且只能觀察到外觀[9]。然而，在枯水期盡早檢測(cè)河堤中的隱藏空隙是一項(xiàng)基本要求，為此確定一種有效的技術(shù)是一個(gè)關(guān)鍵問題[10]。

本文主要是為了測(cè)試探地雷達(dá)探測(cè)堤壩的可行性和有效性，特別是探測(cè)動(dòng)物洞穴和地洞。這些洞穴的存在會(huì)明顯惡化洪水風(fēng)險(xiǎn)緩解結(jié)構(gòu)的性能，從而增加防洪堤潰決的風(fēng)險(xiǎn)。從實(shí)踐的角度來看，利用地質(zhì)雷達(dá)獲取這些結(jié)構(gòu)完整的詳細(xì)信息具有一定作用。本文研究分析了探地雷達(dá)技術(shù)在塔里木河岸的應(yīng)用情況。

1 研究區(qū)概況

塔里木河流域包括塔里木盆地、周邊向中心聚流的九大水系、114條源流和塔里木河干流、塔克拉瑪干大沙漠及東部荒漠區(qū)。流域總面積102萬km2，流域內(nèi)有5個(gè)地(州)的42個(gè)縣(市)和兵團(tuán)4個(gè)師的55個(gè)團(tuán)場(chǎng)，全流域總?cè)丝?02萬人，流域內(nèi)現(xiàn)有耕地136.27萬hm2。九大水系包括孔雀河、迪那河、渭干河、庫(kù)車河、喀什噶爾水系、葉爾羌河、和田河、克里雅河和車爾臣河水系。塔里木河是一個(gè)封閉的內(nèi)陸水循環(huán)和水平衡的水文區(qū)域，該河干流上段從阿拉爾到曲毛格金河段屬動(dòng)蕩型河道，河勢(shì)的變化非常頻繁且幅度較大，河流周圍地區(qū)一直面臨著洪水泛濫和河岸侵蝕等重大問題，研究段位于曲毛格金河上游約12 km處。

2 研究方法

探地雷達(dá)是一種非常有效的淺層目標(biāo)探測(cè)工具[5]。當(dāng)?shù)匦胃采w層相當(dāng)光滑且穿透層干燥時(shí)，可獲得最佳結(jié)果。探地雷達(dá)的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是能夠在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)，在較寬的區(qū)域內(nèi)以連續(xù)的方式進(jìn)行掃描。

電磁波傳播的兩個(gè)重要介電參數(shù)是電導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)，如式(1)～式(2)：

(1)

(2)

式中：σ為電導(dǎo)率，S/m；ρ為電阻率，Ω·m；εr為相對(duì)介電常數(shù)；εb為材料介電常數(shù)，F(xiàn)/m；ε0為真空介電常數(shù)，取8.85×10-12F/m。多孔介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)εr可以認(rèn)為是不同相的相對(duì)介電常數(shù)總和，如式(3)：

(3)

式中：εr,l為液態(tài)水的相對(duì)介電常數(shù)；εr,a為空氣的相對(duì)介電常數(shù)；εr,s為固體的相對(duì)介電常數(shù)；α為幾何參數(shù)，取0.5(取決于礦物顆粒的位置)；θl、θa和θs為各相的體積分?jǐn)?shù)。這種關(guān)系被稱為混合電介質(zhì)模型。

如表1所示，液態(tài)水的相對(duì)介電常數(shù)值最高為80，因此它對(duì)地形的介電常數(shù)起著重要作用。如果測(cè)量時(shí)處理好含水量，將有利于測(cè)量結(jié)果；而當(dāng)進(jìn)行探測(cè)和定位深度物體的測(cè)量時(shí)，這一特征可被視為一個(gè)缺點(diǎn)，因?yàn)樗鼤?huì)顯著影響波的傳播，尤其是當(dāng)基底具有高黏土和鹽含量時(shí)。

表1 不同材料的電導(dǎo)率σ、相對(duì)介電常數(shù)εr和速度v的參考值

探地雷達(dá)剖面的垂直分辨率是沿單一軌道反射的距離；區(qū)分附近兩個(gè)物體之間的距離，稱為X。在理想情況下，該距離X=0.25λ，而在實(shí)際情況下，X大于波長(zhǎng)的一半如式(4)：

(4)

式中：λ為波長(zhǎng)，m；f為波頻率，MHz。因此，必須根據(jù)實(shí)際問題選擇天線頻率，在高分辨率和調(diào)查深度之間找到最佳方案。

3 案例研究

對(duì)塔里木河的幾公里河岸和路堤進(jìn)行探地雷達(dá)勘測(cè),使用的地質(zhì)雷達(dá)設(shè)備為RAMAC/GPR，配有一個(gè)250 MHz天線和一個(gè)RAMAC控制單元。250 MHz的天線在理想條件下和稍微導(dǎo)電的地形下，可以達(dá)到約3～43 m的最大深度值，但是在野外條件下，水的存在會(huì)降低這個(gè)值，本次的最大檢查深度約為2 m，如表2。使用REFLEXW 5.0軟件處理和分析數(shù)據(jù)，應(yīng)用了無定向校正、平均去噪、背景去除和手動(dòng)增益，靜校正用于地形校正。

表2 不同頻率對(duì)應(yīng)的最大分辨率和調(diào)查深度

3.1 野外試驗(yàn)概況

為避免植被對(duì)調(diào)查結(jié)果的影響，調(diào)查是沿著河岸進(jìn)行的，一直到大堤的斜坡和堤頂。主要調(diào)查了兩個(gè)地點(diǎn)，調(diào)查點(diǎn)1土壤為粉質(zhì)黏土，含砂量為9%，黏粒含量為36%，總飽和度為0.49 m3/m3。堆積密度從表層(0～50 cm)的1.28 g/cm3到深層(100～150 cm)的1.58 g/cm3不等；調(diào)查點(diǎn)2的土壤含砂量為15%，黏粒含量為29%，總飽和度為0.42 m3/m3。堆積密度從表層的1.48 g/cm3到深層的1.55 g/cm3不等。如上所述，εr通常是未知的，因?yàn)樗Q于介質(zhì)的礦物成分和測(cè)量過程中的濕度條件。

因此，我們針對(duì)每個(gè)地區(qū)特有的地面條件校準(zhǔn)了探地雷達(dá)儀器(如圖1所示)。這包括通過直接方法測(cè)量εr，方法是設(shè)定該條件下的速度，并選擇合適的時(shí)間范圍，以納秒為單位進(jìn)行測(cè)量。圖2顯示了使用位于已知深度的混凝土排水管進(jìn)行的校準(zhǔn)。通過試驗(yàn)得到此類土壤的波傳播速度和介電常數(shù)。作為對(duì)照，試驗(yàn)還采用了速度自適應(yīng)方法，該方法結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果一致。這一地區(qū)岸堤主要受動(dòng)物洞穴的影響，這些洞穴通常位于河岸上，靠近溪流的自由表面，有的位于大堤內(nèi)部。檢測(cè)已知位置的空洞，識(shí)別未知位置的空洞，并使用一系列以蜿蜒模式進(jìn)行的并行探地雷達(dá)掃描，通過地下地形的3D模型定量評(píng)估洞穴的尺寸和布局。

圖1 利用已知深度的排水管進(jìn)行校準(zhǔn)圖

圖2 探測(cè)圖

3.2 結(jié)果和討論

如圖2，探地雷達(dá)發(fā)現(xiàn)了一系列的洞穴，這些雙曲線或與先前確定的洞穴位置相匹配或是未知的洞穴。后者是在探地雷達(dá)勘測(cè)后通過更精細(xì)的目視檢查確定的，之前沒有確定因其被植被掩蓋。由于波速為0.08 m/ns，10 ns的反射時(shí)間對(duì)應(yīng)于0.4 m的深度，因此洞穴通常在0.4～1.0 m的深度范圍內(nèi)。圖3(a)描繪了從3D模型中檢索的兩個(gè)不同的洞穴，一個(gè)在面板頂部較大、較淺，一個(gè)在中央位置較小、較深。時(shí)間片的距離以米為單位，較長(zhǎng)的一邊平行于河岸，而較短的一邊垂直于河岸。從軟件處理結(jié)果可以獲得關(guān)于掃描體積內(nèi)深度變化的洞穴形狀的信息，在這種情況下，深度從0.64～1.20 m。探地雷達(dá)勘測(cè)后幾周，河道堤岸的修繕工程驗(yàn)證了這一信息的正確性，驗(yàn)證了探測(cè)到的洞穴的形狀和深度。

圖3 探地雷達(dá)處理軟件的結(jié)果

探地雷達(dá)已經(jīng)被證明是一種很好的探測(cè)堤壩空隙的工具。為了提高結(jié)果可信度，應(yīng)在清除樹木和雜草后進(jìn)行探地雷達(dá)調(diào)查。植被的存在不僅是能量分散的原因，而且還妨礙了車輪里程表正確測(cè)量距離，在斷面的水平尺度上產(chǎn)生誤差。沿著堤壩的斜坡進(jìn)行的掃描，如圖3(b),沒有得到高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，其原因可能為：

(1)大堤坡度較高，天線發(fā)射射線不與空腔相交如圖4(a)。

(2)空洞的幾何形狀如圖4(b)，即使它與天線發(fā)射的軸線相交，兩者之間的相交深度也大于儀器的最大探測(cè)距離。

圖4 河堤邊坡探地雷達(dá)探測(cè)可能失敗的原因

除了這些限制因素之外，探地雷達(dá)調(diào)查在解決當(dāng)前問題方面有以下主要優(yōu)勢(shì)：

(1)易于實(shí)施測(cè)量。

(2)實(shí)時(shí)可視化收集數(shù)據(jù)并可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)。

(3)可從地下地形的3D模型中獲得關(guān)于空隙空間布局的詳細(xì)信息。

4 結(jié) 論

本研究的主要目的是檢驗(yàn)探地雷達(dá)方法在檢測(cè)堤壩和河堤內(nèi)部是否存在空隙和間斷的適用性和有效性。在調(diào)查過程中，降雨導(dǎo)致土壤含水量高；介質(zhì)中黏土的擴(kuò)散導(dǎo)致土壤的高導(dǎo)電性等因素一定程度上干擾了監(jiān)測(cè)：由于堤壩頂部和斜坡維護(hù)不善，存在大量植被；地下孔洞的形狀、大小和位置變化很大，需要使用不同頻率的天線。

另一方面，相對(duì)于傳統(tǒng)的地球物理技術(shù)，探地雷達(dá)被證明是一種有效的堤防監(jiān)測(cè)技術(shù)。

探地雷達(dá)技術(shù)在探測(cè)靠近河床的堤壩或土堤內(nèi)的空洞(尤其是動(dòng)物洞穴)方面顯示出良好的性能。然而，需要進(jìn)一步測(cè)試，以充分了解這一技術(shù)在監(jiān)測(cè)防洪堤健康狀況方面的實(shí)際能力，特別是較大的防洪堤以及用于減輕洪水風(fēng)險(xiǎn)的其他民用結(jié)構(gòu)。