史新偉 何向東 張志軍 李世偉

（1.河南省水利科學研究院，河南 鄭州450002；2.河南省白龜山水庫管理局，河南 平頂山467031）

引言

“千里之堤潰于蟻穴”，白蟻危害具有隱蔽性、廣泛性、長期性及嚴重的破壞性等特點，一直以來都是危害堤壩安全運行的重要隱患之一，1998年特大洪水后經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，80%水利工程的破壞是由于白蟻蟻巢引起的[1-3]。白蟻能在江河堤防和水庫土壩內(nèi)密集營巢，迅速繁殖，菌圃星羅棋布，蟻道四通八達，有些蟻道甚至穿通堤壩的內(nèi)外坡。一旦汛期水位升高、超越蟻路時，水流便滲入隱藏在堤內(nèi)的空洞和通道，出現(xiàn)險情，情況嚴重時甚至會出現(xiàn)滑坡和垮堤垮壩，給人民生命財產(chǎn)造成嚴重損。歷史上，河南并非白蟻的重災區(qū)，隨著氣候的變化影響，白蟻危害北移情況非常明顯，河南許多地區(qū)如洛陽、鄭州、平頂山、駐馬店、南陽等都發(fā)現(xiàn)了白蟻，駐馬店全市162座大、中、小型水庫中，78座壩體存在白蟻危害，占總數(shù)的48%，其中蟻道貫穿大壩的43座。白蟻造成的危害隱蔽性強且危害巨大，治理和防治工作日益受到重視。探地雷達（又稱地質(zhì)雷達）方法作為現(xiàn)代地球物理探測技術(shù)的一個分支,具有探測效率高、探測速度快、無損、高分辨率、抗干擾能力強等特點。因而將探地雷達方法用于堤壩白蟻巢穴的探測具有其獨特的優(yōu)越性[4]。

1 探地雷達原理[5]

圖1 雷達探測時電磁波傳播示意圖

探地雷達（ground penetratingmdar）是通過向地下發(fā)射一個高頻電磁波的短脈沖（一般在10-2500MHz），產(chǎn)生一個向下傳播的波形，其中部分能量被地下具有電性差異的界面反射到地表，在地表使用1個接收器檢測反射能量與接收延時的比值。雷達探測時電磁波傳播示意見圖1。

向地下發(fā)射能量到接收機接收到脈沖的地下延時，是電磁波在地下介質(zhì)中的傳播速度和地下反射體深度的函數(shù)。電磁波在介質(zhì)中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)的變化而變化。因此，根據(jù)接收到波的旅行時間、幅度與波形等資料，可探測地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及地下目標體的埋藏深度等。探地雷達接收到的信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)濾波、增益恢復等一系列數(shù)據(jù)處理后形成雷達探測圖像。探地雷達圖像是資料解釋的基礎(chǔ)圖件，只要地下介質(zhì)中存在電性差異，就可在雷達圖像剖面中反映出來，通過同相軸追蹤可以測定各介質(zhì)反射層的反射波旅行時間。根據(jù)地下介質(zhì)的電磁波速度和反射波旅行時間可計算目的層深度。

2 探地雷達在堤壩蟻巢隱患探測中的應(yīng)用

白龜山水庫位于淮河流域沙潁河水系沙河本干上，大壩位于平頂山市西南郊，距市中心9公里。水庫始建于1958年，1966年8月竣工，水庫容量6.49億立方米。上游有昭平臺水庫，下游有泥沙洼滯洪區(qū)，左臨潁河上有白沙水庫，是一座綜合治理沙潁河的水利樞紐工程。下游為京廣鐵路干線、平頂山、漯河、周口三市及豫皖平原，位置至為重要。水庫控制流域面積2740km2，其中昭平臺、白龜山水庫間流域面積1310km2，水庫多年平均降雨量900mm，多年平均徑流量4.23億立方米。水庫工程按百年一遇洪水設(shè)計，千年一遇洪水校核，1998年10月進行了除險加固工程，達到兩千年一遇洪水校核，總庫容達到9.22億立方米，是一座以防洪為主、兼顧農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)和城市供水綜合利用的大II型年調(diào)節(jié)半平原水庫。

2.1 雷達測線布設(shè)

圖2 探地雷達測線布置圖

本次探地雷達探測堤壩白蟻隱患測試段選取在白龜山水庫攔河壩3+500～4+000段坡面進行。測線布置垂直于大壩壩坡面的方向布設(shè)（如圖2所示）。采用青島電波22所研制的LTD-2100型探地雷達并配合400MHZ和270MHZ天線對坡面進行組合測試，數(shù)據(jù)采用連續(xù)探測的方式。

2.2 探測參數(shù)的確定

利用無損探測設(shè)備進行探測，關(guān)鍵是獲得真實、直觀的圖像資料，而獲取有效信號的根本是數(shù)據(jù)采集。因此，在進行探地雷達的數(shù)據(jù)采集階段，應(yīng)盡量選取適當?shù)臏y量參數(shù)，以使所要了解的地下目標能在圖像上有一個直觀、清晰地顯示。信號采集需選擇合適的技術(shù)參數(shù)，項目組根據(jù)白龜山水庫堤壩填壩材料（均質(zhì)土、雜填土、沙土）的介電特性，分別給出了優(yōu)化后的參數(shù)設(shè)置，如表1所示。

2.3 探地雷達圖像特征分析

由于白蟻筑巢和外出覓食將會對堤壩內(nèi)部產(chǎn)生一定范圍的影響，從而形成不密實區(qū)域。白蟻蟻巢在雷達時間剖面圖上的特征主要表現(xiàn)為雷達波的繞射，蟻巢的波形為向上凸起的弧形，圖形中的弧形為暗-亮-暗的組合，弧頂即為蟻巢的頂部位置。圖3為帶通濾波處理過后，白蟻蟻巢的雷達探測剖面異常特征。

通過對蟻巢雷達圖像特征的總結(jié)得出了蟻巢的雷達圖像特征：

2.3.1 均質(zhì)壩體和沙土壩體中由于填料相對均勻一些，因此在無缺陷壩段中雷達圖像中各等色線在同相軸上分別平行。

2.3.2 蟻巢由于雷達波的繞射，其波形為向上凸起的弧形，圖像為暗-亮-暗的組合，弧頂即為蟻巢的頂部位置。

2.3.3 石頭與周圍土體由于在雷達波上發(fā)生極性反轉(zhuǎn)，因此在圖像中與均質(zhì)土相比會比較亮，在圖像中是單一的亮顯示。

2.3.4 空洞在雷達圖像中顯示的波形比較雜亂，并且出現(xiàn)了暗反應(yīng)。

本次對試驗段進行探地雷達探測，共標記了20處可能的異常點，經(jīng)過開挖驗證，其中有12處是蟻巢（蟻巢在雷達圖像中的大小尺寸和實際尺寸對比如表1所示），其余8處均挖出有碎石和石頭。從表2中可以看出雷達圖像中顯示的異常位置的深度和實際的深度基本一致。

表1 白龜山水庫堤壩探地雷達探測白蟻參數(shù)組合

表2 蟻巢尺寸對比表

圖3 處白蟻蟻巢雷達圖像及開挖驗證探測的深度

圖4 探測蟻巢深度與實際深度對比圖

3 結(jié)論

本次試驗段選取在攔河壩3+500～4+000段，全程共500m，利用探地雷達技術(shù)共標定了20處異常位置。經(jīng)過開挖驗證以后有12處白蟻蟻巢。準確率達到60%以上。并且雷達探測異常位置的深度值和實際的深度值基本一致。通過實際的開挖驗證總結(jié)出了蟻巢、石頭、均質(zhì)土和空洞在雷達圖像上的特征，為無損探測技術(shù)在堤壩白蟻探測的應(yīng)用中提供了技術(shù)支持。

［1］鐘平生，張頌聲，李靜美.惠州紅花湖水庫堤壩白蟻的危害與滅治［J］.中華衛(wèi)生殺蟲藥械，2007，13（5）:376-377.

［2］李棟，田偉金，黎明，等.論白蟻管涌（漏）與水利管誦的區(qū)別和處理［J］.昆蟲學報，2013，47（5）：645-651.

［3］李棟，莊天勇.田偉金，等.白蟻管漏的成崮發(fā)冀處理［J］昆蟲知識，2001，38（3）：182.

［4］鄧世坤.探地雷達在水利設(shè)施現(xiàn)狀及隱患探測中的應(yīng)用［J］.物探與化探，2000（4）:81-82

［5］李大心.探地雷達方法與應(yīng)用［M］.北京：地質(zhì)出版社，1994：121.