寒區(qū)堤防工程隱患探測(cè)中探地雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用

張家陽(yáng)，王 宇，吳志琴，李兆宇，鄭 健

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

堤防工程是防洪工程中重要部分，對(duì)保障區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)穩(wěn)定發(fā)展、人民生命財(cái)產(chǎn)安全發(fā)揮重要作用[1]。由于施工質(zhì)量控制不嚴(yán)、堤防年久失修等原因，大多堤防工程內(nèi)部不免存在松軟層、孔洞、裂縫以及滲漏等缺陷，需要不定期加固維護(hù)，特別是新老堤防堤身與堤坡結(jié)合部位，需著重處理存在的缺陷[2]。當(dāng)遭遇超標(biāo)準(zhǔn)、歷時(shí)長(zhǎng)的洪水時(shí)，導(dǎo)致發(fā)生堤防滲漏、管涌、塌陷甚至決口等安全問(wèn)題，直接威脅人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

隨著我國(guó)堤防工程隱患探測(cè)技術(shù)逐步發(fā)展，水利部先后頒布《堤防隱患探測(cè)規(guī)程》(SL 436—2008)、《堤防工程養(yǎng)護(hù)修理規(guī)程》(SL 595—2013)等[3]技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，目前采用的技術(shù)方法有無(wú)損法和有損法，其中無(wú)損法包括基于電法的高密度電法、自然電場(chǎng)法；基于電磁波理論的地質(zhì)雷達(dá)法、瞬變電磁法；基于彈性波理論的天然源面波法、瑞雷波法，以及微波遙感、同位素檢測(cè)、紅外測(cè)溫等技術(shù)[4-7]。

探地雷達(dá)作為無(wú)損物探常用技術(shù)方法，可實(shí)現(xiàn)堤防土質(zhì)快速高效的探測(cè)[8]，本文對(duì)堤防工程中可能存在的隱患進(jìn)行探查，及時(shí)探明隱患特征和位置，分析探地雷達(dá)圖像特征，對(duì)堤防隱患排查，消險(xiǎn)、加固具有科學(xué)的指導(dǎo)意義。

1 探地雷達(dá)技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

探地雷達(dá)利用不同物質(zhì)對(duì)電磁波(107～109 Hz)的不同響應(yīng)，來(lái)確定目標(biāo)體分布特征的技術(shù)[9]。在探測(cè)時(shí)，電磁波的振幅、相位及頻率等特征，因不同物體介質(zhì)電性、幾何形狀變化而變化，接受天線(xiàn)收集反射信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后確定目標(biāo)體空間分布[10]。介質(zhì)因介電常數(shù)不同，會(huì)發(fā)生反射與折射，反射的強(qiáng)弱程度與介電常數(shù)大小相關(guān)[11]。雷達(dá)波行程時(shí)間計(jì)算見(jiàn)式(1)：

(1)

式中：z為界面反射處深度；x為發(fā)射天線(xiàn)與接收天線(xiàn)的間距；v為在介質(zhì)中電磁波傳播波速；c為光速，取0.3 m/ns；εr為相對(duì)介電常數(shù)。電磁脈沖反射信號(hào)強(qiáng)度，與反射系數(shù)和電磁波被介質(zhì)的吸收程度相關(guān)。當(dāng)介質(zhì)的電性差別越大，反射系數(shù)大，反射波能量越大，這是應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)探測(cè)前提條件[9]。

電磁波反射系數(shù)R的計(jì)算見(jiàn)式(2)：

(2)

式中：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)。表1給出堤防非磁性常見(jiàn)介質(zhì)參數(shù)[12]。

表1 堤防常見(jiàn)介質(zhì)參數(shù)

地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)存在分辨率與探測(cè)深度的選擇問(wèn)題，即雷達(dá)天線(xiàn)頻率高，分辨率越高，但探測(cè)的深度就越淺[10]。

1.2 工作參數(shù)

1.2.1 工作天線(xiàn)選擇

工作天線(xiàn)選擇要考慮目標(biāo)體幾何尺寸、埋設(shè)深度及場(chǎng)地需求。要滿(mǎn)足分辨率的前提下，選用中心頻率低的工作天線(xiàn)。天線(xiàn)中心頻率由式(3)確定，亦可根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)選取。

(3)

式中：f為天線(xiàn)中心頻率，MHz;x為空間分辨率，m;ε為相對(duì)介電常數(shù)。

1.2.2 時(shí)窗設(shè)置

主要考慮最大探測(cè)深度dmax與不同地層電磁波波度v影響。時(shí)窗W可由式(4)確定，并留有余量。

(4)

1.2.3 采樣率

采樣率是記錄反射波采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔。至少達(dá)到記錄反射波中最高頻率的2倍。則采樣率Δt，可由式(5)計(jì)算

(5)

式中：Δt為采樣率，ns。

1.3 數(shù)據(jù)處理

探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理主要是壓制隨機(jī)和規(guī)則的干擾，以最大分辨率在探地雷達(dá)圖像剖面上突出反射波，以提取反射波的各種有用特征信息。常用探地雷達(dá)處理方法有數(shù)字濾波、反濾波反褶積、偏移和圖像增強(qiáng)處理。

地質(zhì)雷達(dá)時(shí)間剖面上主要表現(xiàn)如下特征：(1)雷達(dá)反射波同向軸錯(cuò)動(dòng)或局部缺失；(2)雷達(dá)反射波波形畸變；(3)雷達(dá)繞射波明顯加強(qiáng)；(4)雷達(dá)反射波頻率改變。

探測(cè)成果的解釋工作，遵循先定性、后定量原則。根據(jù)圖像異常特征，判斷異常性質(zhì)，提取有用信息；排除干擾因素，鎖定異常區(qū)域，確定異常源的邊界范圍；利用數(shù)據(jù)處理軟件，計(jì)算得出具體數(shù)據(jù)結(jié)果，表2為典型缺陷圖像特征。當(dāng)探測(cè)目標(biāo)體存在典型的空洞、缺陷等會(huì)在雷達(dá)圖上顯示為一個(gè)雙曲線(xiàn)的波形，當(dāng)探測(cè)目標(biāo)體存在典型的層位脫空、分界面等，在雷達(dá)圖上會(huì)顯示近水平的強(qiáng)波形。

表2 典型缺陷圖像特征

2 探測(cè)應(yīng)用實(shí)例

2.1 現(xiàn)場(chǎng)工作

以黑龍江省某一級(jí)堤防探測(cè)為例，探查是否存在明顯空洞、富水區(qū)等潛在隱患及薄弱環(huán)節(jié)，系統(tǒng)介紹探地雷達(dá)應(yīng)用工作情況。探測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及文件資料有《水利水電工程勘探規(guī)程 第1部分：物探》(SL/T 291.1—2021)、《堤防隱患探測(cè)規(guī)程》(SL436—2008)、《水電工程物探規(guī)范》(NB/T 10227—2019)、《水電工程探地雷達(dá)探測(cè)技術(shù)規(guī)程》(NB/T 10133—2019)等。

探測(cè)工作前要檢查現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境適應(yīng)性：(1)要明確目標(biāo)體與周邊介質(zhì)存在明顯的電性差異。(2)探測(cè)深度不宜過(guò)大，要保證圖像質(zhì)量。(3)測(cè)線(xiàn)設(shè)置要盡量躲避極高電導(dǎo)性屏蔽物，如金屬板覆蓋等。(4)探測(cè)工作區(qū)不能有范圍大、分布較為密集的金屬構(gòu)件，或其他較強(qiáng)的電磁波干擾[14]。

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，在堤頂中軸線(xiàn)位置布置沿長(zhǎng)度方向的測(cè)線(xiàn)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，選用OKO-2型地質(zhì)雷達(dá)，中心頻率150 MHz， 采樣率1024 samp/scan，時(shí)間比例400 ns，軌跡間隔20 mm，采用剖面法沿著設(shè)計(jì)測(cè)線(xiàn)采集數(shù)據(jù)。

2.2 圖像分析

采集的雷達(dá)數(shù)據(jù)利用專(zhuān)業(yè)處理軟件，進(jìn)行零線(xiàn)設(shè)定、圖像增益、濾波、去噪、均衡等數(shù)據(jù)后處理環(huán)節(jié)，得到堤防雷達(dá)探測(cè)剖面圖。如圖1。

圖1 堤頂中線(xiàn)測(cè)線(xiàn)

圖1是某堤防壩頂中線(xiàn)測(cè)線(xiàn)的實(shí)測(cè)圖像，橫坐標(biāo)為測(cè)線(xiàn)沿著堤防軸線(xiàn)長(zhǎng)度，左側(cè)縱坐標(biāo)為時(shí)間歷時(shí)(ns)，右側(cè)縱坐標(biāo)為地面以下深度。由圖1可知，在測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)度2051～2055 m，深度約2.5～5.0 m，與其周邊介質(zhì)相比反射信號(hào)較強(qiáng)，局部產(chǎn)生強(qiáng)振幅反射，同相軸不連續(xù)，局部表現(xiàn)為區(qū)域化弧狀錯(cuò)斷，初步判斷該區(qū)域土體密實(shí)性較差，如遇滲水會(huì)形成富含水區(qū)；其余位置圖像波形均勻，振幅和波向一致性良好，同向軸連續(xù)，未出現(xiàn)明顯異常區(qū)域，表明該段堤防堤身無(wú)明顯空洞、含水裂隙等隱患出現(xiàn)。

圖2中在測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)度10 451～10 456 m，深度約2.2～5.0 m處，與其周邊介質(zhì)相比反射信號(hào)較強(qiáng)，局部產(chǎn)生強(qiáng)振幅反射，同相軸不連續(xù)，局部表現(xiàn)為區(qū)域化弧狀錯(cuò)斷，初步判斷該區(qū)域土體密實(shí)性較差。在測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)度10 478～10 481 m，深度約1.2～2.5 m，圖像形成連續(xù)的同向反射波組，多次波較明顯，整體振幅較強(qiáng)，初步判斷該區(qū)域疑似高含水區(qū)，其余位置圖像整體性較好，局部偶爾出現(xiàn)同向軸散亂情況，初步判斷是由不同填土區(qū)密實(shí)性差異導(dǎo)致，無(wú)較大的安全隱患。

圖2 堤頂中線(xiàn)測(cè)線(xiàn)

圖3中測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)度19 933～19 942m，深度約2.5～4.0 m處，與其周邊介質(zhì)相比反射信號(hào)較強(qiáng)，局部產(chǎn)生強(qiáng)振幅反射，同相軸不連續(xù)，局部表現(xiàn)為區(qū)域化弧狀錯(cuò)斷，初步判斷該區(qū)域土體密實(shí)性較差，同時(shí)同向軸向下彎折錯(cuò)斷，連續(xù)性較差，如遇長(zhǎng)期滲水可能導(dǎo)致土體不均勻沉降。其余位置圖像波形均勻、同向軸連續(xù)，未出現(xiàn)明顯異常區(qū)域，表明該段堤防堤身無(wú)明顯空洞、含水裂隙等隱患出現(xiàn)。

圖3 堤頂中線(xiàn)測(cè)線(xiàn)

綜合以上堤防堤身地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果分析，雷達(dá)圖像多為波形均一、同向軸連續(xù)，反映出堤身整體狀態(tài)良好，未出現(xiàn)明顯異常區(qū)域。在局部區(qū)域出現(xiàn)界面差異明顯，如波形振幅變化異常、同向軸錯(cuò)斷情況，表明堤身少數(shù)區(qū)域存在土體松散和高含水區(qū)，地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)達(dá)到了高效快速的探測(cè)目標(biāo)。

3 結(jié) 論

通過(guò)分析地質(zhì)雷達(dá)圖像同向軸形態(tài)、反射波波形等特征，可以有效判斷堤防可能存在的隱患類(lèi)型與分布位置。

探測(cè)深度受堤防填筑材料均衡性，路面混凝土等界面干擾，難以精準(zhǔn)換算。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地勘鉆孔資料，標(biāo)定土體介質(zhì)電磁波傳播速度，從而對(duì)隱患位置進(jìn)行精確定位，對(duì)物探后期工作具有重要的指導(dǎo)作用。因含水影響，堤身雷達(dá)信號(hào)加快衰減，建議通過(guò)其他物探手段進(jìn)一步提高探測(cè)結(jié)果的精確性。

地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)工作速度快、信號(hào)數(shù)據(jù)采集量大、目標(biāo)體定位準(zhǔn)確、儀器操作靈活，具有連續(xù)掃描圖像和實(shí)時(shí)顯示圖像等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，隨著雷達(dá)正演模擬技術(shù)及探測(cè)精度的發(fā)展，其在實(shí)際工作中的應(yīng)用將更加廣泛，探測(cè)結(jié)果更加直觀(guān)。