地質雷達與高密度電法在堤防滲漏探測中的應用

孟頌頌，華興林

（南京市水利規劃設計院股份有限公司,江蘇 南京 210014）

1 引言

堤防作為重要的水利工程,在河湖安全運行中起到至關重要的作用。在我國,堤防一般由土石等堆筑而成,在土石堤防工程中,堤防滲漏是影響堤防安全運行的重要隱患之一。據統計,我國每年的潰壩事故中,有超過一半是因堤防滲漏引起的。因此,及時查明堤防滲漏隱患并采取合理措施進行治理是保證堤防正常運行的重要前提。

堤防探測常規手段主要分為地質鉆探、地球物理勘探以及人工探視[1]。地質鉆探具有直觀、準確度高等優點,但是地質鉆探適用于堤防規模小,對施工周期要求不太嚴格時較為適用；而人工探視,僅能對堤防表面發生的隱患進行識別,而對于堤防內部存在在隱患卻無能為力[2]。地球物理勘探在堤防滲漏探測時,具有快速、無損并且特別適合大規模的堤防滲漏探測。目前,在堤防滲漏探測中,應用比較廣泛的地球物理勘探方法主要有：探地雷達、電法勘探、核磁共振法以及地震法等。地質雷達是以地下不同介質體的介電性差異為基礎,確定地下巖土體分布情況的地球物理勘探方法[3]；高密度電法是一種直流電法勘探手段,具有對巖土體的低阻異常敏感性較強,但很難區分是否為堤防滲漏導致的低阻異常[4]。因此兩種方法的聯合運用,能夠取長補短,相互驗證,從而提高地球物理勘探的精度和可靠性。

2 基本原理

2.1 高密度電法基本原理

高密度電法是一種以電法理論為基礎,研究人工施加穩定電流場作用下巖土體導電性差異規律的一種電探方法。它是一種集電測深法和電剖面法優點于一體的勘探技術,野外具體操作時只需將相應的電極按一定順序插入選定的路線上,利用微機工程電測儀和程控電極變換控制器就能完成不同方法的數據高效收集,可對同一場地利用不同方法進行綜合對比分析,其原理如圖所示。在具體跑級過程中,通過控制供電電極（A 和B）以及測量電極（M 和N）間距,實現AMNB 逐點向右移動,一個移動周期獲得一組數據,然后調整間距獲得下一組數據,周期往復,直至得到倒梯形電阻率斷面數據。其計算原理如下：

式中：ρs為視電阻率；ΔV 為M 與N 之間的電位差；I 為供電電流；K 為設備常數；DAM、DAN、DBM、DBN為各電極之間的水平距離。

2.2 地質雷達

地質雷達是利用發射的高頻電磁波,以脈沖形式經過天線定向傳入地下。在電磁波傳播過程中,當遇到不同電性性質的地下介質或目標時,發生反射,經地面返回接收天線。通過接收到的發射電磁波信號,經后期處理、分析其強度、波形以及旅行時間等屬性,進而判斷地下地質體的結構、形態。電磁波反射系數公式如下：

式中：R 為反射系數；ε1為界面上介質的相對介電常數；ε2為界面下介質的相對介電常數。

為了獲取反射界面（目的層）的深度地質雷達,利用同相軸追蹤得到目的層反射波的旅行時間,經便可計算目的層的深度：

式中：v 為電磁波在介質中的傳播速度；t 為電磁波的雙程走時；x 為發射天線和接收天線之間的距離。

3 應用實例分析

3.1 工程概況

高旺河為長江南京段北岸支流,位于南京市浦口區東南,發源于浦口境內西南山丘區的天井山西華山,向南流匯合龍山河、建設、向陽山洪溝3 條支流于山圩分界處的老高旺橋匯合形成圩區主河道,在西江處入長江,全長12 km,干流長5.6 km。2020 年汛期長江水位達到歷史最高水位,受長江高水位頂托作用,高旺河水位居高不下,高旺河堤防局部段落存在安全隱患,堤后部分區域未填塘,堤后無平臺,緊鄰深塘,部分區域填塘范圍不足,不利于汛期巡查堤防險情；堤身土體含水量大,無法及時排出,對堤身穩定不利。為查明堤防滲漏具體范圍及含水情況,對汛后消險工作提供技術支撐,在高旺河險情段開展了高密度電法和地質雷達聯合探測。

3.2 測線布置

根據現場情況,在險情段分別布設一條物探測線（高密度電法）,布設時以滲漏點為中點,向兩邊各延伸50 m～60 m。具體位置布置圖見工程地質平面圖。

本次地質雷達檢測采用100 MHz 屏蔽天線,共完成地質雷達測線2 條（編號L1～L2）,測線位于險情段上方,測線長度約90 m,間距約1.5 m,測點點距均為10 cm。累計完成測線總長度267 m,測線覆蓋了要求的探測區域,并與高密度電法探測區域基本一致。

3.3 探測結果分析

對布置的測線測量數據運用最小二乘法進行反演分析,高密度電法測線反演結果所得計算電阻率云圖分別見圖1 和圖2,探測深度13.0 m～20.0 m。云圖橫坐標為測點坐標,采用常數坐標軸,縱坐標為深度。

圖1 測線Ⅰ-高密度電法視電阻率擬斷面及反演云圖（樁號K1+273～K1+392）

圖2 測線Ⅱ-高密度電法視電阻率擬斷面及反演云圖（樁號K1+421～K1+540）

圖3 雷達測線數據典型圖（L1）

圖4 雷達測線數據典型圖（L2）

由樁號K1+273～K1+392 云圖可知,在樁號K1+285～K1+293（12 m～20 m）、K1+297～K1+346（24 m～73 m）、K1+353～K1+360（80 m～87 m）、K1+372-K1+376（99 m～106 m）段云圖中深度5.5m ～7.0m 范圍內顯示為藍色低電阻區,推斷為富水區。在K1+294～K2+297（21 m～24 m）、K1+347～K2+352（74 m～79 m）、K1+361～K1+371（88 m～98 m）段云圖中深度5.5 m～7.0 m 范圍內顯示為淺藍色中低電阻區,推斷為土質較疏松的松散體。根據現場查勘記錄,K1+367 處為散浸點。

由樁號K1+421～K1+540 云圖可知,該段物探測線顯示圖中深度5.5 m～7.0 m 范圍內顯示為藍色低電阻區,推斷為富水區。在樁號K1+430-K1+486 段,3.0 m～5.5 m 深度內,出現明顯高阻區,推測為該層土體孔隙較大,在高水位時易發生滲漏。根據現場查勘記錄,在樁號K1+471-K1+490 段為散浸點。

對堤頂雷達測線數據進行處理分析,得出雷達典型特征波形圖。由圖1～圖2 測線雷達圖像可看出,在深度4 m～8 m雷達圖像上主要表現為雷達波形出現多次同相軸呈弧形的反射波,波形能量顯著增強,頻率相對較低,外形也類似于“鍋底狀”,一般來說,雷達發射波同相軸向下彎曲可能是反映地層含有大量水分所致。這與高密度電法云圖所示結果一致,說明兩種方法具有較好的一致性。

兩種物探方法結果分析可知,堤防滲漏（散浸）一般發生在堤身4 m～8 m 深度范圍內,通過后期鉆探可知,該層為堤身填土層,發生滲漏的原因主要是新建堤防時由于當時施工工藝與技術水平有限導致堤身填土壓實度不足,松散體的存在,在汛期高水位時極易出現堤身飽水狀態,進而發生散浸或局部滲漏。

3.4 防滲處理設計

堤身回填粘土可解決堤身老土不密實問題,但對現狀堤頂道路及附屬設施影響大,需完全破除堤頂道路；水位較高時無法施工,且造價較高。而垂直防滲墻方案造價低,對現狀工程影響較小。在消險處理時,選擇了對現狀堤頂道路及附屬設施影響較小的垂直防滲墻設計方案。經過兩年的安全運行,證明該方案是可行的。

4 結論

通過綜合物探方法,基本查明了堤防滲漏的分布范圍和深度,為后續堤防除險加固提供了科學依據,發揮了兩種物探方法的先進作用,取得了較好的應用效果。

（1）高密度電法和地質雷達在堤防滲漏探測中成像類型不同,每種方法具有不同的探測優勢,兩種方法結合應用具有很好的參考價值。

（2）高密度電法對于低阻異常地質體敏感性較好,能夠較為準確的探測出含水區域,對于地質雷達而言,能夠結合波形有效識別地質體。

（3）高密度電法和地質雷達法的聯合運用,對堤防滲漏識別,劃定風險區域,可為后期消險施工提供科學依據。