秦暢

摘要：堤防浸潤(rùn)線的監(jiān)測(cè)和檢測(cè)對(duì)于堤防安全具有重要意義。本文以地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了堤防浸潤(rùn)線地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停钊胙芯苛说谭澜?rùn)線地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)方法，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定了堤防模型干砂土介電常數(shù)，采用單點(diǎn)探測(cè)方法，開(kāi)展了堤防浸潤(rùn)線的地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)成果表明，地質(zhì)雷達(dá)能夠較準(zhǔn)確地定位出含毛細(xì)管水影響的浸潤(rùn)線位置，與實(shí)際浸潤(rùn)線相比，檢測(cè)結(jié)果偏高。

關(guān)鍵詞：堤防工程，浸潤(rùn)線，地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)，模型試驗(yàn)

1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理

地質(zhì)雷達(dá)，是一種用來(lái)探測(cè)地下物體分布情況的電磁技術(shù)。它的工作原理是地質(zhì)雷達(dá)通過(guò)發(fā)射天線向地下發(fā)送寬頻帶短脈沖形式的電磁波，經(jīng)過(guò)目標(biāo)體或地層的界面反射后，被接收天線所接收。按照波的合成原理，任何形式的脈沖電磁波都能夠被分解成為不同頻率的正弦電磁波，這就是正弦電磁波的傳播特征，也是地質(zhì)雷達(dá)的理論基礎(chǔ)。在地質(zhì)雷達(dá)主機(jī)的控制下，電磁波通過(guò)發(fā)射天線T向地下發(fā)送，其在傳播過(guò)程中遇到介電特性差異的界面或目標(biāo)體時(shí)發(fā)生反射，反射的電磁波被接收天線R所接收。脈沖波行程需時(shí)：

（1-1）

（1-2）

當(dāng)電磁波在地下介質(zhì)中傳播的速度已知時(shí)，由于式中X（m）值在剖面探測(cè)中是固定的，所以可依據(jù)測(cè)得的時(shí)間t（ns），由上述公式求出反射體的深度Z（m）；其中（m/ns）可以根據(jù)式（1-2）近似求出，是電磁波在空氣中的傳播速度，其值為3.0×108m/s，為傳播介質(zhì)的介電常數(shù)。

電磁波反射波的振幅和發(fā)射系數(shù)呈正比，在以位移電流為主的低損耗介質(zhì)中，反射系數(shù)可依據(jù)公式計(jì)算出：

（1-3）

式中，R為反射系數(shù)；，為反射界面上、下層介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，它們決定了反射信號(hào)的強(qiáng)度，兩者差異越大，反射信號(hào)就越強(qiáng)烈，反之反射信號(hào)就越弱。同時(shí)電磁波相位的正負(fù)關(guān)系也由地下媒介相對(duì)介電常數(shù)的差異性所決定。

影響地質(zhì)雷達(dá)工作的主要因素有地下媒介的介電特性、含水情況及電磁波的頻率，它們決定了探地雷達(dá)的探測(cè)深度。

2 堤防浸潤(rùn)線地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)試驗(yàn)

2.1介電常數(shù)進(jìn)行測(cè)定

本次試驗(yàn)選用美國(guó)GSSI公司生產(chǎn)的地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)，其包括SIR-20主機(jī)、15MHz～1600MHz各種不同頻率的天線及地面控制系統(tǒng)三部分。為了進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，首先需要對(duì)模型材料砂土的介電常數(shù)進(jìn)行測(cè)定。

由公式1-1和公式1-2知，要計(jì)算地層的深度，需已知介質(zhì)的介電常數(shù)。確定介質(zhì)的介電常數(shù)的簡(jiǎn)單方法有兩種，一種是經(jīng)驗(yàn)值法，即查閱常見(jiàn)媒介的介電常數(shù)表，并依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)賦值，此方法有一定的誤差；另一種是鉆孔法，即利用其鉆孔深度來(lái)修正介電常數(shù)，即通過(guò)已知深度反推介電常數(shù)。

依據(jù)上述鉆孔法原理，為測(cè)出試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮几缮巴恋慕殡姵?shù)，本文在一透明的方形塑料盒子中填裝兩層砂土：上部為干砂土層，厚16cm；下

部為濕砂土，厚18cm。 可知： ，即地質(zhì)雷達(dá)的電磁波均從介電常數(shù)小的進(jìn)入介電常數(shù)大的介質(zhì)中，所以兩個(gè)分界面均出現(xiàn)在正波尖。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得出試驗(yàn)?zāi)Ｐ透缮巴恋慕殡姵?shù)取為6是合理的。

2.2 堤防浸潤(rùn)線地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)模擬試驗(yàn)

地質(zhì)雷達(dá)電磁波遇水衰減很快，干濕分界面會(huì)產(chǎn)生明顯的界面反射信號(hào)，因此可以用地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)堤防由于滲流產(chǎn)生的干濕分界面。為了提高檢測(cè)效果，在制作堤防模型時(shí)，先對(duì)模型砂土材料進(jìn)行晾曬或風(fēng)干以減少砂土的含水量。在室內(nèi)進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)試驗(yàn)，受到試驗(yàn)場(chǎng)地、試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽绲纫蛩氐挠绊?，本次試?yàn)采用單點(diǎn)測(cè)量的探測(cè)方式。具體試驗(yàn)步驟如下：

（1）在堤防模型試驗(yàn)段頂部鋪設(shè)長(zhǎng)方形塑料薄膜，在薄膜上均勻布置五個(gè)測(cè)點(diǎn)，它們分別距進(jìn)水口的水平距離為0.39m、0.74m、1.09m、1.44m、1.79m。

（2）將天線放置到第一個(gè)測(cè)點(diǎn)處，連接到SIR-20主機(jī)上并設(shè)置參數(shù)。

（3）為便于測(cè)出干濕分界面，向水槽進(jìn)水室快速注水至15cm，保持水位不變。

（4）當(dāng)五個(gè)測(cè)點(diǎn)正下方均出現(xiàn)干濕砂分界面時(shí)，移動(dòng)地質(zhì)雷達(dá)天線分別采集各測(cè)點(diǎn)處的檢測(cè)數(shù)據(jù)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)30秒。

2.3 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)試驗(yàn)成果分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，0.39m測(cè)點(diǎn)線性掃描和波形能辨別出空氣與干砂分界面，但干砂與濕砂分界面不明顯，0.74m測(cè)點(diǎn)、1.09m測(cè)點(diǎn)、1.44m測(cè)點(diǎn)和1.79m測(cè)點(diǎn)可以清晰的分辨出空氣與干砂、干砂與濕砂的分界面。這是由 900MHz天線的垂直分辨率為4cm及“模糊區(qū)”為10cm造成的。試驗(yàn)中，測(cè)點(diǎn)離進(jìn)水段越近，干砂與濕砂的分界面埋深越小，地質(zhì)雷達(dá)分辨分界面就越模糊；反之，測(cè)點(diǎn)離進(jìn)水段越遠(yuǎn)，干砂與濕砂的分界面埋深越大，地質(zhì)雷達(dá)分辨分界面就越清晰。

由上述內(nèi)容知，空氣、干砂、濕砂三者的介電常數(shù)關(guān)系為

，故空氣與干砂，干砂與濕砂分界面均出現(xiàn)在正波尖處?？梢缘贸?，地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)深度與實(shí)際埋深基本接近，誤差均在5%之內(nèi)。試驗(yàn)中的干濕砂分界面其實(shí)是浸潤(rùn)線加該時(shí)刻毛細(xì)管作用高度所形成的分界面，因此扣除該時(shí)刻毛細(xì)管作用高度即可得到該時(shí)刻浸潤(rùn)線的位置。在實(shí)際堤防工程應(yīng)用中，可先利用地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)出浸潤(rùn)線加毛細(xì)管作用高度的分界線，然后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)或查閱資料求出堤防填筑材料的毛細(xì)管作用高度，前者減后者便可得到浸潤(rùn)線的大致位置。

分界面地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

3小結(jié)

本文在深入分析地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，開(kāi)展堤防浸潤(rùn)線地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)試驗(yàn)研究，主要內(nèi)容和研究成果如下：

（1）分析了地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)的工作原理和不同介質(zhì)分界面的確定方法，建立堤防浸潤(rùn)線檢測(cè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，測(cè)定出模型材料干砂土的介電常數(shù)。在此基礎(chǔ)之上，開(kāi)展了堤防滲流的地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)成果表明，地質(zhì)雷達(dá)能夠較準(zhǔn)確地定位出含毛細(xì)管水影響的浸潤(rùn)線位置。與實(shí)際浸潤(rùn)線相比，地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果偏高。

（2）試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀写纳?。利用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)對(duì)堤防滲流進(jìn)行定量監(jiān)測(cè)和檢測(cè)分析時(shí)，由于試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，所做的堤防模型尺寸只有2.00m×0.50m×0.45m（長(zhǎng)×寬×高），因此未考慮模型尺寸效應(yīng)。此外，水槽為有機(jī)玻璃材料，隨著長(zhǎng)時(shí)間的使用，水槽壁與砂土之間逐漸形成一些小縫隙，這對(duì)試驗(yàn)的觀測(cè)帶來(lái)不利影響。在以后的研究過(guò)程中，應(yīng)盡量進(jìn)行原形試驗(yàn)，減小空氣及周圍環(huán)境對(duì)試驗(yàn)的不利影響。

（3）在堤防浸潤(rùn)線地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)試驗(yàn)中，砂土毛細(xì)管上升高度對(duì)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)浸潤(rùn)線深度的影響目前還不存在相應(yīng)的理論說(shuō)明與技術(shù)指導(dǎo)文獻(xiàn)，可在以后的地質(zhì)雷達(dá)浸潤(rùn)線檢測(cè)工作中考慮毛細(xì)管上升高度的影響。