胡　勇　（當(dāng)涂縣建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，安徽 馬鞍山 243100）

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探地雷達技術(shù)及在土質(zhì)堤壩隱患探測中的應(yīng)用

胡勇（當(dāng)涂縣建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，安徽 馬鞍山 243100）

土質(zhì)堤壩隱患形態(tài)復(fù)雜多變、規(guī)模小、探測難度大。為確保堤防安全，查明隱患部位是非常重要的。文章在闡述探地雷達技術(shù)基礎(chǔ)上，以長江某處外護土質(zhì)堤壩隱患勘查為例，探討探地雷達在土質(zhì)堤壩隱患探測中的工程應(yīng)用，并獲得了隱患的地下分布。探測結(jié)果表明探地雷達可有效探測土質(zhì)堤壩隱患，并且具有快速、簡便和直觀精確等特點。

探地雷達；土質(zhì)堤壩；電磁波

0　前言

由于土壩對地基的要求低，施工技術(shù)較簡單，能就地取材，自古迄今廣為采用，是國內(nèi)外蓄水壩中用得最多的一種壩型。由于受施工質(zhì)量、筑壩土料、環(huán)境等多種因素的影響，壩體質(zhì)量可能會存在一定安全隱患。土質(zhì)堤壩隱患主要指施工質(zhì)量缺陷、人為或生物作用引起的洞穴和各種裂縫、以及在使用過程中形成的尚未被發(fā)現(xiàn)的不良地質(zhì)現(xiàn)象等，這些隱患作為一種典型的地質(zhì)災(zāi)害對堤防安全的影響越來越明顯，因此有必要在險情出現(xiàn)前及時發(fā)現(xiàn)，為土質(zhì)堤壩隱患的治理提供可靠的依據(jù)[1、2]。

作為堤壩安全檢測的重要組成部分，隱患探測已越來越受到普遍重視。快速有效地探查隱患及滲漏，有的放矢地進行病險治理，對確保堤壩安全運行、充分發(fā)揮效益十分重要。土質(zhì)堤壩隱患的探測方法有破損法和無損法。傳統(tǒng)的破損法（如坑探、鉆探、槽探等）雖然直觀可靠，但其存在費用高、耗時長，容易漏探等缺點，因而很少使用。近年來，較多地采用了探地雷達等無損探測方法。探地雷達方法具有較高的分辨率，較強的抗干擾能力以及勘察過程中快速高效的特點，在各類巖土工程勘察中得到了廣泛的應(yīng)用[3-5]。本文將探地雷達技術(shù)應(yīng)用于安徽長江某處外護堤隱患的探測中取得了較為滿意的結(jié)果，證實該方法具有高效、快捷和成果形象直觀等特點。

1　探地雷達探測方法原理

探地雷達是利用高頻脈沖電磁波探測地下介質(zhì)分布的一種地球物理勘探方法，最先由德國科學(xué)家在20世紀(jì)初提出。我國于20世紀(jì)60年代開始研究探地雷達儀器與方法，至90年代初，隨著國內(nèi)研制水平的提高與國外先進儀器的引進，該技術(shù)已在工程地質(zhì)勘查、工程（公路、鐵路、橋涵、隧道）質(zhì)量檢測、災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查、考古調(diào)查、資源勘探等眾多領(lǐng)域中獲得越來越多的應(yīng)用。

天線發(fā)射器將寬頻帶短脈沖電磁波（106～109Hz）發(fā)送至地下，經(jīng)目標(biāo)體或電性界面反射后由雷達天線器接收，并以電磁反射波時域曲線形式成像。因地下空洞、裂縫、管線等與周圍介質(zhì)存在介電常數(shù)差異，可以形成良好的反射界面，同時電磁波在反射界面形上還可繼續(xù)向下透射，在下一界面形成反射并被地面儀器接收，以此形成多層反射波時間域記錄。通過對所接收的雷達信號進行處理和圖像解譯，達到探測異常的目的[6]。當(dāng)已知地層中波速0ν或介質(zhì)的相對介電常數(shù)γε時，讀取雷達剖面上雙程走時t，便可計算目標(biāo)體深度，式中c為電磁波在真空中的傳播速度（0.3m/ns）。工作原理如圖1所示。

圖1　探地雷達工作原理圖

土質(zhì)堤壩（土壩）常有粘土、砂性土、黃土等材料筑成。在壩身碾壓密實時，土層的物理性質(zhì)變化不大，可看成均勻介質(zhì)，雷達反射波很弱，反射波同相軸連續(xù)、幅度小，地層連續(xù)性強。由于地下水位較高，當(dāng)壩體土層產(chǎn)生擾動、坍塌疏松時，局部介質(zhì)含水量增大導(dǎo)致電導(dǎo)率增大而產(chǎn)生明顯的電性界面，在雷達圖像上表現(xiàn)為低頻高強度反射特征，并常伴有多次較強的多次反射?？梢姡临|(zhì)堤壩隱患部位具備用探地雷達進行探測的物理條件，用這樣方法探測是可行的。

探地雷達作為重要的探測方法，其探測結(jié)果最大的優(yōu)越性體現(xiàn)在高分辨率上。分辨率是指分辨最小異常介質(zhì)的能力。在地層介質(zhì)中，雷達波垂直分辨率為；水平分辨率為，H為勘探深度，λ為波長。在實際工作中根據(jù)探測任務(wù)的要求和現(xiàn)場的實際情況選擇合適的天線中心頻率，就可以滿足探測精度的要求。如在電磁波傳播速度為0.1m/ns的介質(zhì)中，頻率為100MHz，子波長度1.0m，可分辨的最小地層厚度為0.25m。

2　工程應(yīng)用

2.1工程概況

皖江某開發(fā)區(qū)需要抽取長江水，在地下埋設(shè)水管。工程施工場地緊鄰長江外護堤，為長江河漫灘及一級階地上，土質(zhì)為粉質(zhì)粘土和細砂。在進行取水頂管施工過程中，由于采用的是噴水旋轉(zhuǎn)施工工藝，容易造成土層中的細砂層和粉質(zhì)粘土層強度和穩(wěn)定性降低，產(chǎn)生流沙現(xiàn)象，最后產(chǎn)生局部塌陷，影響長江外護堤安全渡汛。為查明潛在的塌陷區(qū)的范圍和規(guī)模，采用探地雷達進行堤壩隱患探測。

2.2測試技術(shù)

根據(jù)本次勘查的隱患體規(guī)模及大致深度，采用PulseEKKOPRO型雷達系統(tǒng)，共布置2條測線，測線長30～50m，天線中心頻率為50MHz，點距0.1～0.2m。

探地雷達在野外采集的原始數(shù)據(jù)，存在較多干擾，有效信號不突出，需經(jīng)過相關(guān)數(shù)據(jù)處理后才能用于分析解釋。數(shù)據(jù)編輯處理有將不連續(xù)的數(shù)據(jù)合并、剔除廢道、測線方向一致化、標(biāo)記編輯等；要對現(xiàn)場雷達信號有影響的標(biāo)記位置進行編輯處理，以保證后續(xù)資料解釋的準(zhǔn)確性。濾波處理雖然能夠去除或壓制干擾波，但是有些濾波不僅不能突出異常，相反會淹沒掉有用信息，經(jīng)過多次比對總結(jié)出較好的濾波處理步驟：①一維濾波去直流漂移；②零點校正移動開始時間；③能量衰減增益控制；④二維濾波抽取平均值；⑤一維巴特沃斯帶通濾波；⑥二維濾波滑動平均。此外，偏移歸位和反褶積也是探地雷達資料處理中的常見方法[7-9]。

2.3結(jié)果分析

在完整均勻地層雷達剖面圖反射波同相軸振幅較小，在擾動區(qū)或塌陷區(qū)上反射波同相軸振幅明顯增大，且反射波同相軸的形態(tài)會發(fā)生變化。1#測線探地雷達剖面圖（圖2），測線長度30m，測量點距0.1m。根據(jù)圖2可知，在剖面水平位置33～40m處，深度4.5～9m雷達波形呈層狀強反射特征，振幅變化較為明顯，這說明其介電常數(shù)發(fā)生顯著變化，該異常區(qū)的深度與其他方法探測結(jié)果相吻合。

圖2　1#測線探地雷達剖面圖

2#測線探地雷達剖面圖（圖3），測線長度30m，測量點距0.2m。根據(jù)圖3可看出，在剖面水平位置39～45m處，深度5～10m雷達波形呈層狀強反射特征，振幅變化明顯，波形雜亂，該異常區(qū)的位置與后期的高密度電法測量結(jié)果吻合。在剖面水平位置46m附近，發(fā)現(xiàn)該處由壩頂光纜引起的異常，雷達圖像表現(xiàn)為反射波較多、能量強弱變化明顯，圖像較為雜亂。經(jīng)后期開挖證明，檢測判別出的隱患部位分布與現(xiàn)場實際開挖情況吻合的比較好，為施工單位的壩體加固處理工作提供了依據(jù)。

圖3　2#測線探地雷達剖面圖

3　結(jié)語

①應(yīng)用探地雷達技術(shù)對道路路基進行探測，設(shè)備操作簡便且對路基無破壞作用；探測效率高并能夠獲得較為連續(xù)的圖像剖面；直觀明了的顯示探測結(jié)果并能顯示探測目標(biāo)體深度。

②采集數(shù)據(jù)時應(yīng)盡量減少外界因素對數(shù)據(jù)采集的干擾。根據(jù)現(xiàn)場探測實際情況，對采集的數(shù)據(jù)進行有用信號與干擾信號的篩選。采用分析軟件對雷達信號進行處理時，注意參數(shù)的合理選取。

③對雷達資料分析解釋時要充分考慮壩體的結(jié)構(gòu)特征、壩身的側(cè)面反射和周圍其他環(huán)境對剖面的影響，并對雷達圖像進行綜合判別，得出比較客觀的結(jié)論。

實踐表明，探地雷達作為一種新型的無損檢測技術(shù)，以其快速、連續(xù)檢測、無破壞性等優(yōu)點，有著極其廣闊的應(yīng)用前景。

[1]葛雙成，江影，顏學(xué)軍.綜合物探技術(shù)在土質(zhì)堤壩隱患探測中的應(yīng)用[J].地球物理學(xué)進展，2006，21（1）：263-272.

[2]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，2000，24（4）：296-301.

[3]李華，魯光銀，何現(xiàn)啟，鄧珂．探地雷達的發(fā)展歷程及其前景探討[J].地球物理學(xué)進展，2010（4）：1492-1502.

[4]劉傳孝.探地雷達空洞探測機理研究及應(yīng)用實例分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2000，19（2）：238-241.

[5]劉人太，李術(shù)才，張慶松，等．巖溶裂隙水探查方法優(yōu)化與工程治理研究[J].巖土力學(xué)，2011，32（4）：1095-1100.

[6]栗毅，黃春琳，雷文泰.探地雷達理論及應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2006．

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[8]AnnanA P.Ground-penetrating radar principles＆application[M].Canada：SensorsandSoftwareInc，2003.

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1007-7359(2016)03-0271-03

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胡勇（1963-），男，安徽蕪湖人，畢業(yè)于安徽工業(yè)大學(xué)，高級工程師，國家注冊監(jiān)理工程師。