綜合地質雷達法與瞬變電磁法的堤防工程隱患探測

中圖分類號：TV87文獻標志碼：A

0 引言

堤壩無損探測[1-2]是采用物理探測手段研究堤壩物理特征變化進而判斷工程隱患埋深、規模、形態的勘查方法，是指導水利工程安全管理和汛期快速精準搶險救災的有效手段之一[3-4]。近年來，瞬變電磁[5]、地質雷達[、電阻率層析成像[7-8]、紅外熱成像[9]等技術被廣泛運用于堤壩的隱患探測。這些隱患探測技術具有快速、經濟、無損等優點，但單一探測方法存在隱患結果多解、隱患特征識別準確度低、應用范圍受限等不足[10-12]。地質雷達的電磁波頻率越高，衰減越快，對淺層結構隱患的探測分辨率高，但深層隱患探測分辨率較差。采用小回路多匝線圈的瞬變電磁法對深層隱患的探測具有較高的分辨率，但對淺層隱患的探測精度受關斷時間（儀器停止發射信號到接收信號的時間間隔）影響大。地質雷達和瞬變電磁優劣互補，且可以通過兩者探測結果的相互驗證，分析異常檢測結果，從而有效剔除干擾信號，提升隱患識別的準確性?；诖?，本文綜合應用瞬變電磁法和地質雷達法開展堤防工程隱患綜合探測研究。

1基本原理與技術

1.1 地質雷達法

地質雷達檢測技術基于探測目標體與周圍介質間的介電性差異，通過發射天線向被檢測介質發射高頻脈沖電磁波，然后接收被檢測介質內不同介電性界面反射回的電磁反射波。利用介質內反射電磁波的傳播路徑、電磁場強度和波形隨介質的電磁性質以及幾何形態而變化的原理，研究反射波的往返旅時、振幅、頻率和相位特征，確定被檢測介質內隱蔽體位置、形態和埋深。地質雷達法工作原理如圖1所示。

雷達反射波強度的大小與界面處反射波數有關，其反射系數 R 計算式為

式中： 分別為地下介質1、2的相對介電常數。

由式（2）可計算出反射界面的埋深Z。

式中： u 為電磁波在地下介質中的傳播速度； t 為電磁波在地下介質中的傳播時間； x 為收發天線間的間距。

地質雷達的分辨率包括垂直分辨率和水平分辨率，其中垂直分辨率是指從隱患體頂面和底面反射回來的兩個脈沖重疊的部分能夠區分開的最小距離，一般為所探測地層中電磁波波長的 1/8～1/4 ；水平分辨率 Δx 是指從隱患體水平方向上能夠區分開的最小距離，與電磁波的波長和垂距有關，表達式為

式中：為電磁波的波長； z 為垂距。

雷達波圖像能直觀反映堤防內部介電差異性較大的缺陷結構，主要用于堤防淺部空洞、松散不均勻體的探測。但地質雷達的探測深度受儀器設備的工作頻率、發射功率、收射靈敏度、抗干擾能力，天線與大地的匹配耦合效應，地電條件（如圍巖導電性）等影響。當儀器設備確定時，決定探測深度的主要因素為地表電阻率和工作頻率，由于導電介質中電磁波的衰減系數與工作頻率成正比，對于某一特定工作頻率f而言，其探測深度與地表導電率 σ 成反比。地質雷達的探測深度可按式（4）進行估算。

式中： d_max 為最大探測深度。

1.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法的原理是基于地下探測目標體與周圍介質間存在著明顯的導電性差異，利用不接地中心回線向地下發送一次磁場，在一次脈沖磁場瞬變后的間歇期間，通過測量線圈觀測和研究地下導電異常體所產生的感應二次渦流場的磁場隨時間變化規律，獲取垂向地下地層分布信息。瞬變電磁法工作原理見圖2。

瞬變電磁法具有靈敏度高、異常響應強、探測深度大、受地形和接地電阻影響小等優點。由于感應二次場隨時間的衰變規律與地下介質的導電性有關，地下介質導電性越好，二次場衰減越慢；反之，二次場衰減越快。因此，通過研究瞬變感應二次場隨時間的變化規律，可探測地下具有不同導電性的滲漏通道分布。

瞬變電磁法的探測深度可由式（5）計算得到。

式中： h 為探測深度； ρ 為電阻率； t 為采樣時間。

1.3地質雷達法與瞬變電磁法綜合探測

地質雷達法以探測體介電性差異為基礎，利用電磁波束的反射來檢測隱患，具有分辨率高、抗干擾能力強等優點，適合于淺層探測。瞬變電磁法利用電磁場的時空變化規律來檢測隱患，具有受接地電阻影響小、探測深度大等優點，因其受早期信號影響，因而淺層識別精準度不高。兩者的優缺點具有互補性，綜合運用地質雷達法和瞬變電磁法進行探測，可大大提高探測的精準度。

2 實例分析

2.1 工程概況

滁河為長江下游左岸一級支流，發源于安徽省肥東縣，在安徽省滁州市全椒縣十字鎮陳淺村進入南京市，流經浦口區、江北新區、六合區，在六合區大河口入長江，干流全長 269km 。滁河干流江北新區段總長 29.5km ，干堤主要位于沖湖積平原，堤基主要以粉質黏土、淤泥質土、粉質壤土、砂壤土與粉細砂等土質為主，滲透變形、堤（岸）坡穩定、軟基問題、砂土液化問題等工程地質問題突出。2020 年汛期，滁河干流江北新區邵家斗門至老梗壩段、頭橋段、四柳河口段等處出現險情。近年來，水利部門相繼實施了滁河防洪治理近期工程及完善工程，滁河干流堤防安全狀況得到較大改觀，但部分堤段仍然存在薄弱環節。

選取滁河干流江北新區邵家斗門段（長 1750m ）堤防，分別在堤頂迎水側、背水側布設2條測線，采用車載地質雷達和拖電瞬變電磁進行連續的數據同步采集，對堤防開展綜合隱患探測，以期掌握松散、不密實、不均勻等不良地質體的分布位置和范圍，預防汛期堤防隱患可能引發的險情。

2.2 數據處理

2.2.1 地質雷達數據處理

檢測中，地質雷達設備探測采用的技術參數見表1，數據處理采用RADAN6.6專用雷達數據處理軟件。對圖3（a）中沒有紅藍交替異常的雷達檢測剖面圖像頻譜圖進行分析，可知雷達波主頻帶分布范圍是 25～60MHz ，高頻成分弱，雷達檢測剖面顯示堤防堤身土體基本密實，無明顯異常。對圖3（b）中存在紅藍交替異常的雷達檢測剖面圖像頻譜圖進行分析，可知堤防地層雷達波主頻帶分布范圍是 25～60MHz ，在 65～75MHz 的頻帶范圍出現一個高頻脈沖，對應堤防堤身土體不密實異常區。

2.2.2瞬變電磁數據處理

采用GeoElectro電法數據處理系統對瞬變電磁數據進行處理。原始數據采集后，由于IP效應、局部噪音和其他干擾因素的影響，衰減曲線會出現尾部畸變和個別“跳點”現象，需進行必要的數據截斷與光滑處理，以提高數據的解釋精度。

瞬變電磁設備采用高分辨拖電式FCTEM瞬變電磁觀測系統，基于晚期視電阻率計算方法（見式（6）），對預處理后的視電阻率數據進行擬二維反演，即給定反演的圓滑因子、剖面方向及參與反演的所有點號，快速計算出視電導率結果，然后插值成像形成瞬變電磁剖面圖像。

式中： ρ_τ 為反演的視電阻率； μ₀ 為均勻半空剪的磁導率； t 為測道時間； q 為接收線圈的有效面積； V（t） 為接收線圈的感應電壓； I 為發射電流； V（t）/I 是實際

觀測的歸一化感應電壓； A 為發送回線面積。

2.3 探測成果分析

雷達數據處理濾波采用FIR帶通的方法，其低通頻率 200～250MHz ，高通頻率 50～80MHz 在不損害有效波的前提下有效去除十擾信號，并通過反褶積提高資料的信噪比，得到高信噪比的電磁波B掃描圖像。瞬變電磁法采用非線性反演算法，得到視電阻率結果。通過地質雷達法和瞬變電磁法結果的綜合對比分析，判斷可能存在的隱患。

堤防迎水側地質雷達法和瞬變電磁法探測剖面結果見圖4，背水側地質雷達法和瞬變電磁法探測剖面結果見圖5。分析探測結果可知：

（1）地質雷達法結果顯示存在由表面向堤防內部的雙曲線雷達波，瞬變電磁法結果顯示在堤防表面局部存在低阻異常區，其原因為現場障礙物（如車輛、路燈等）對雷達和瞬變電磁造成信號干擾，迎、背水坡探測結果一致。

（2）在迎水側離起點 52～57m 、深度大約1m以內的堤身范圍，存在雷達波同相軸連續性差、彎曲、局部異常紊亂，分析結果為該處土體均勻性差，孔隙率差異大，堤身結構層土體不密實，為堤防存在的不良地質體。

（3）在離起點 552m 、深度 2～4m 處瞬變電磁存在一封閉的低阻異常區，通過現場勘查該處為一涵洞，迎、背水坡探測結果一致。

（4）在離起點 1225m 、深度 28～32m 處存在一封閉的低阻異常區，分析結果為該處土體含水量高。

（5）在離起點 1675m 、深度 6～8m 處存在雷達波同相軸扭折、彎曲、極性正常，瞬變電磁電阻率局部降低，分析結果為該處土體含水量高、均勻性差。

（6）在背水側離起點 150～200m 、深度 2～9 m處存兩處雷達波同相軸扭折、彎曲的異常體，瞬變電磁結果剖面同樣存在電阻率異常，分析結果為該段堤身土體均勻性差，不密實或存在孔洞。

（7）地質雷達能夠快速地識別堤身隱患，有效探測深度小于 10m 。瞬變電磁有效探測深度可達30m，除了堤身的隱患外，瞬變電磁還能對堤基的滲漏隱患進行探測。結合現場探測記錄發現，當地質雷達出現雙曲線特征，瞬變電磁結果剖面淺部同時顯示局部低阻異常區，可以判定結果中的異常為一些干擾（如車輛、路燈等），使得判定結果更準確。同時，借助雷達結果剖面的波組特征、極性變化，綜合瞬變電磁的局部低電阻率，可以有效地對堤防內部高富水率土體進行識別，有利于及早發現堤防的薄弱部位及滲漏隱患潛在風險點。

3 結束語

基于地質雷達法和瞬變電磁法兩者之間具有互相驗證、互為補充的特點開展綜合物探研究，并以滁河干堤為對象進行實例分析，查明了探測堤段穿堤涵閘和堤身內部不良地質體的性質和分布。結果表明，潛在隱患主要為堤身內土層不密實、孔隙率高，局部堤段含水量高且范圍廣，需要管理單位予以重點關注。實踐表明，綜合物探能夠消除單一物探方法的局限性，大大提高探測精度，更好地指導工程安全運行管理和汛期快速精準搶險救災，助力水利工程高質量管理。

參考文獻：

[1]李兆鋒，陳江平，陳敏，等.水利工程運行安全檢測關鍵技術及其應用[J].水利水電快報，2022，43（6）：66-72.

[2]張金鑄，馬軍，劉勝.地質雷達探測技術在水庫放水洞病害治理中的應用[J]長江技術經濟，2021，5（6）：71-75.

[3]陳興海，劉盛東，吳小平，等.防滲墻滲漏隱患快速無損普查與定位技術研究[J].人民長江，2021，52（10）：159-164.

[4]許彩琦，張建智.時移高密度電法在堤防隱患無損探測中的應用[J].工程勘察，2023，51（2）：73-78.

[5]周華敏，鄔愛清，肖國強，等.堤防滲漏通

道弱磁探測技術及其磁場分布特征[J].長江科學院院報，2023，40（3）：98-104.

[6]楊麗穎，賈永梅，王賀雨，等.地質雷達在北京市涼水河干流堤防隱患探測中的應用[J]中國防汛抗旱，2024，34（12）：133-136.

[7]王周萼，王小波，杜國平.基于聲吶技術的霍林河水庫大壩滲漏區分析[J].長江技術經濟，2023，7（2）：58-62，66.

[8]李文忠，孫衛民，周華敏.堤防隱患時移高密度電法探測技術探究[J].人民長江，2019，50（9）：113-117，174.

[9]周仁練，馬佳佳，蘇懷智.基于無人機載紅外-可見雙光成像的土石堤壩滲漏巡查方法[J].河海大學學報（自然科學版），2023，51（3）：154-161.

[10]俞飛洋，劉曉，王莞輝，等.堤壩隱患無損探測技術綜述[J].吉林水利，2021（9）：15-17，31.

[11]尹劍，徐磊，陳爽爽，等.水利工程地球物理探測技術發展與展望[J].水利水電快報，2022，43（2）：32-39，51.

[12]李姝昱，李延卓，李長征，等.探地雷達探測堤防隱患若干問題討論[J].人民黃河，2023，45（增刊1）：144-145，147.