地質(zhì)雷達在堤壩滲漏隱患探測中的應(yīng)用

華興林，孟頌頌

(南京市水利規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，江蘇 南京，211100)

地質(zhì)雷達技術(shù)是指利用一定的電磁波信號對地下物質(zhì)進行探測和成像的技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，地質(zhì)雷達技術(shù)經(jīng)歷了從低頻到高頻、從淺層到深層、從單一應(yīng)用到多領(lǐng)域應(yīng)用的過程。20世紀(jì)60年代，地質(zhì)雷達技術(shù)開始應(yīng)用于礦產(chǎn)勘探領(lǐng)域，當(dāng)時使用的雷達系統(tǒng)大多是低頻段的，探測深度較淺，分辨率較低。20世紀(jì)70年代至80年代，地質(zhì)雷達技術(shù)開始應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測、環(huán)境勘探、建筑物檢測等領(lǐng)域。此時的地質(zhì)雷達系統(tǒng)已經(jīng)普遍采用高頻段信號，探測深度和分辨率都有明顯的提高。21世紀(jì)以來，地質(zhì)雷達技術(shù)不僅在礦產(chǎn)勘探、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測等傳統(tǒng)領(lǐng)域，還涉及到城市建設(shè)、文化遺址保護、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等多個領(lǐng)域。現(xiàn)代地質(zhì)雷達系統(tǒng)具有更高的探測深度和分辨率，也更加智能化和自動化，能大大提高勘探效率和準(zhǔn)確性。地質(zhì)雷達技術(shù)的應(yīng)用范圍和性能將會進一步提高和拓展。

1 地質(zhì)雷達檢測原理

地質(zhì)雷達是利用高頻電磁波，以脈沖形式通過發(fā)射天線定向送入地下。電磁波在介質(zhì)中傳播遇存在電性差異地下介質(zhì)或目標(biāo)時，發(fā)生反射返回地面由接收天線接收。對接收的雷達波分析處理，依據(jù)波形、強度、幾何形態(tài)等因素，確定地下目標(biāo)體性質(zhì)和狀態(tài)(如圖1)[1]。

圖1 檢測原理

雷達檢測對象通常是多界面結(jié)構(gòu)或地下特殊介質(zhì)，雷達波向介質(zhì)內(nèi)傳播時，被稱為下行波，經(jīng)反射回表面的波稱為上形波。下行波每遇到一個界面就發(fā)生一次反射和折射，入射波能量被分成兩部分，一部分經(jīng)折射繼續(xù)向下傳播，另一部分經(jīng)反射掉頭向上，變成上行波。反射與折射能量的分配與反射、折射系數(shù)的平方成正比。上一界面的折射波就是下一界面的入射波，因而下行波的能量不斷減少，同時每一界面都在產(chǎn)生反射的上行波。同理，每一界面反射形成的上行波，也會遇到介質(zhì)的界面，形成二次的反射與折射[2]。介質(zhì)中每一上行波和下行波都是獨立運行的，當(dāng)遇到界面時都會按照Snell定律，進行折射和反射。因而多層介質(zhì)中，多次反射與折射波是無盡的，只是反射、折射的經(jīng)歷越多能量越小[3]

2 地質(zhì)雷達檢測實例

項目工區(qū)位于江蘇南京市中山碼頭，場地長約400m，南北寬約25m。該區(qū)域為長江防汛堤壩，地表可見壩體人行步道、綠化帶和民房等。在長江汛期發(fā)生過堤壩滲漏，長江水往城區(qū)滲流。通過雷達檢測方法，查找壩體土體不均勻沉降、不密實和脫空滲漏隱患，為后期隱患治理提供物探依據(jù)。根據(jù)收集的勘察和測繪資料，壩體上部自然標(biāo)高約8.5m～10.0m，壩體土體主要有雜填土和素填土構(gòu)成。利用地質(zhì)雷達探測方法，在K0+000至K0+400里程段，通過布置合理的探測測線，查明探測區(qū)域內(nèi)與滲漏有關(guān)的土體不均勻沉降、不密實和脫空異常分布情況，最大探測深度不小于9m。

2.1 測線布置

根據(jù)工作目的任務(wù)要求，并結(jié)合場地作業(yè)條件，測線通過皮尺量距的方式進行布設(shè)，并最終利用RTK測量定位。測線位置見圖2，其中測線L2、L3、L4和L5受到花壇障礙物的映像，無法延伸至K0+400里程段。地質(zhì)雷達檢測采用100MHz屏蔽天線，完成測線9條(編號L1-L9)，測線間距約4m，測點距均為10cm。累計完成測線總長2342m，有效覆蓋面積約9000m2。在平面圖上共圈定隱患異常4處，其中不密實隱患3處，不均勻沉降1處，未見明顯的脫空異常。隱患里程段分別為K0+58～K0+80、K0+110～K0+130、K0+220～K0+290和K0+310～K0+360。

圖2 測線布置圖

2.2 數(shù)據(jù)處理

地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)處理主要流程如圖3。針對項目實際情況，對數(shù)據(jù)濾波處理主要有三種[4]：

圖3 地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)處理流程圖

(1)巴特沃斯帶通濾波：為去除處理中通訊信號頻帶干擾，對數(shù)據(jù)進行帶通濾波處理，帶通濾波參數(shù)20MHz～200MHz；

(2)二維水平濾波，消除圖像中因為背景噪音產(chǎn)生的水平低頻部分；

(3)F-K濾波：為去除數(shù)據(jù)剖面中電線、金屬物等引起的有一定視速度的傾斜線性干擾，采用F-K濾波對其進行壓制，濾波速度范圍±0.12m/ms～±0.2m/ns。

2.3 數(shù)據(jù)解釋

根據(jù)常見介質(zhì)物性參數(shù)(表1)，以及探測區(qū)域已有資料及現(xiàn)場情況，并通過軟件進行速度分析，確定本探測區(qū)域雷達波綜合速度為65mm/ns。

表1 部分常見介質(zhì)中電磁波傳播參數(shù)

2.3.1 干擾異常

探測區(qū)陡坎、綠化植物、碼頭建構(gòu)物以及地下管線較多，這些因素均對地質(zhì)雷達電磁波信號具有一定干擾。在分析研究地質(zhì)雷達剖面圖像時，需要識別干擾異常，進而推斷堤壩土體滲漏隱患異常。雷達剖面圖中可識別的干擾異常主要有[5]：①管線異常；呈規(guī)則弧形、能量顯著；②碼頭建構(gòu)物干擾異常：能量強，形態(tài)呈規(guī)則矩形狀，從上至下貫穿剖面(圖4)。這些干擾異常特征明顯。

圖4 地質(zhì)雷達剖面管線(左)和碼頭(右)干擾異常。

2.3.2 不均勻沉降異常

當(dāng)土體發(fā)生不均勻沉降時，在雷達剖面圖中異常特征明顯，單剖面形狀類似于“鍋底狀”，兩側(cè)一般會存在同相軸錯斷，影響深度往往接近地表(圖5)。

圖5 不均勻沉降異常(L9線)

2.3.3 不密實異常

當(dāng)土體不密實時，電磁波發(fā)生散射或多次震蕩，在雷達剖面圖中異常特征明顯，表現(xiàn)為波形雜亂、能量顯著增強，同相軸連續(xù)性非常差(圖6)。

圖6 不密實異常(L3線)

2.3.4 異常綜合解釋

(1)Ⅰ-1不密實異常區(qū)：該不密實異常范圍K0+58～K0+80，異常對應(yīng)剖面L1～L6。異常呈不規(guī)則狀，長約25m，寬約20m，面積約430m2，主要深度范圍約1.0m～4.0m。推斷該不密實異常與土體壓實度不足有關(guān)。見表2。

表2 推斷隱患異常情況統(tǒng)計表

(2)Ⅰ-2不密實異常區(qū)：該不密實異常范圍K0+110～K0+130，異常對應(yīng)剖面L2～L6、L9。異常呈不規(guī)則狀，長約30m，寬約20m，面積約570m2，主要深度范圍約1.0m～3.5m。該不密實異常位于管線附近，推斷與管道周邊土體松散或水土流失有關(guān)。見表2。

(3)Ⅰ-3不密實異常區(qū)：該不密實異常范圍K0+220～K0+290，異常對應(yīng)剖面L3～L5。異常呈長條狀，長約70m，寬約14m，面積約1000m2，主要深度范圍約1.0m～4.5m。該異常范圍較大，呈長條狀展布，推斷該區(qū)域為較大規(guī)模的松散填土區(qū)。見表2。

(4)Ⅱ-1不均勻沉降異常區(qū)：該不密實異常范圍K0+310～K0+360，異常對應(yīng)剖面L7～L9。異常呈近似矩形狀，約35m×35m，面積約1450m2，主要深度范圍約0.0m～3.0m。該異常范圍較大，位于兩座浮碼頭連接橋之間，呈規(guī)則矩形狀展布，推斷該區(qū)域為土質(zhì)不均勻?qū)е碌牟痪鶆虺两怠Ｒ姳?。

3 結(jié) 論

根據(jù)探測資料，隱患里程段分別為K0+58～K0+80、K0+110～K0+130、K0+220～K0+290和K0+310～K0+360，隱患深度范圍約0m～4.5m，與圈定的范圍基本一致，地質(zhì)雷達隱患探測具有一定的精準(zhǔn)性，可以在相似的工程中加以應(yīng)用[6]。