翁俊誠(chéng) ，蘇 全， 陳光耀

（浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

1 工程概況

西險(xiǎn)大塘位于東苕溪的右岸大堤，是杭州市北部一道重要的防洪屏障，歷來(lái)是重要的一項(xiàng)水利工程，因位于杭州之西，堤塘險(xiǎn)要，故稱西險(xiǎn)大塘。西險(xiǎn)大塘是杭州市城市防洪和杭嘉湖平原的安全屏障。作為歷史悠久的土堤，且經(jīng)逐年加高，堤身內(nèi)還埋有墓葬、瓦窯，夾有樹(shù)根殘葉或砂層，并有嚴(yán)重的堤身蟻患，在長(zhǎng)期的運(yùn)行中曾發(fā)現(xiàn)較多的滲漏甚至毀損現(xiàn)象。1996 — 2007年，曾對(duì)全線進(jìn)行過(guò)以套井回填黏土為主的防滲處理，但仍存在（不均勻）沉降過(guò)大、滲漏等險(xiǎn)工險(xiǎn)段。究其本質(zhì)原因，主要是堤身堤基內(nèi)部存在介質(zhì)異常、白蟻活動(dòng)和交叉建筑物連接等問(wèn)題。

在經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的當(dāng)今社會(huì)，鉆孔檢測(cè)等方法對(duì)建筑本身破壞性大，無(wú)損檢測(cè)越來(lái)越為人們所接受。探地雷達(dá)作為無(wú)損檢測(cè)中的一種重要手段，具有速度快、精度高、可以獲得連續(xù)結(jié)果，探測(cè)效率高，對(duì)探測(cè)場(chǎng)地和目標(biāo)無(wú)破壞性，探測(cè)資料具有較高的分辨率和較強(qiáng)的抗干擾能力等特點(diǎn)，在無(wú)損探測(cè)中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，近些年越來(lái)越多地被運(yùn)用在水利工程隱患探測(cè)方面。瑞雷波法也是一種快速、無(wú)損、經(jīng)濟(jì)的原位檢測(cè)方法，與鉆孔取樣法相比具有檢測(cè)量大、面廣、檢測(cè)成果具有較強(qiáng)的代表性的優(yōu)點(diǎn)。在多層介質(zhì)中，瑞雷波具有明顯的頻散特性，瑞雷波沿地面表層傳播，影響表層的深度約一個(gè)波長(zhǎng)，不同波長(zhǎng)的瑞雷波的傳播特性反映看不同深度的地質(zhì)情況。

在K17+700 ～ K18+000 m（羊山）堤段的堤頂展開(kāi)探地雷達(dá)法、瑞雷波法探測(cè)及鉆空取樣驗(yàn)證，主要就堤頂下約10 m深度范圍內(nèi)的介質(zhì)結(jié)構(gòu)及均勻性情況進(jìn)行分析。

2 探測(cè)原理與方法技術(shù)

2.1 探測(cè)原理

2.1.1 探地雷達(dá)法

探地雷達(dá)是利用高頻電磁波（主頻10 ～ 103 MHz）以寬頻帶短脈沖形式，由地面通過(guò)發(fā)射天線T送入地下，經(jīng)地下地層或目標(biāo)體反射后返回地面，為接收天線R所接收。當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)的波速V（m/ns）已知時(shí)，可根據(jù)測(cè)得的脈沖波旅行時(shí)t（ns），求出反射體的深度h（m）。電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其電磁波強(qiáng)度與波形將隨所通過(guò)介質(zhì)的電性及幾何形態(tài)而變化。因此，根據(jù)接收到波的旅行時(shí)間（亦稱雙程走時(shí)）、幅度及波形資料，可推斷介質(zhì)性質(zhì)及分布結(jié)構(gòu)。電磁波傳播的速度可由近似算出（當(dāng)介質(zhì)的導(dǎo)電率很低時(shí)），其中C為光速（C = 0.3 m/ns），εr為地下介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)值。后者可利用已知值或測(cè)量獲得。在實(shí)際探測(cè)中，一般可利用已知目標(biāo)體的反射時(shí)間求取，或根據(jù)鉆孔揭示層位進(jìn)行標(biāo)定，也可以結(jié)合其它探測(cè)方法綜合確定。

2.1.2 瑞雷波法

瑞雷波是由彈性波的干涉而產(chǎn)生于分界面處，并沿界面?zhèn)鞑サ囊环N彈性波。它具有以下特性:①波在自由表面附近傳播時(shí)，質(zhì)點(diǎn)在波傳播方向的垂直面內(nèi)振動(dòng)，振幅隨深度呈指數(shù)函數(shù)急劇衰減，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)軌跡在波的傳播方向的鉛垂面內(nèi)作順時(shí)針或逆時(shí)針的橢圓運(yùn)動(dòng)；②波的水平和垂直振幅從彈性介質(zhì)的表面向內(nèi)部呈指數(shù)函數(shù)急劇衰減，大部分能量損失在1/2波長(zhǎng)的深度范圍內(nèi)，說(shuō)明某一波長(zhǎng)的波速主要與深度小于1/2波長(zhǎng)的地層物性有關(guān)；③在多層介質(zhì)中，瑞雷波具有明顯的頻散特性，它沿地面表層傳播，影響表層的深度約一個(gè)波長(zhǎng)，不同波長(zhǎng)瑞雷波的傳播特性反映不同深度的地質(zhì)情況。其速度值的大小與介質(zhì)的物理特性有關(guān)，由此可對(duì)巖土的物理性質(zhì)做出評(píng)價(jià)。在實(shí)際工作中，利用瑞雷波處理軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所記錄的多道瞬態(tài)瑞雷波信號(hào)在時(shí)間域開(kāi)窗提取和F - K域進(jìn)行瑞雷波提取，把各個(gè)頻率的瑞雷波分離出來(lái)，從而獲得瑞雷波波速隨深度變化曲線即瑞雷波頻散曲線。通過(guò)分析每個(gè)測(cè)點(diǎn)的頻散曲線便可了解不同位置的介質(zhì)均勻性和密實(shí)度等情況。

根據(jù)探測(cè)結(jié)果的特征點(diǎn)和異常點(diǎn)，在大壩壩頂布置驗(yàn)證鉆孔1個(gè)，在背水面布置鉆孔1個(gè)。同時(shí)結(jié)合原有地質(zhì)資料對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，得出探測(cè)結(jié)論。

2.2 工作方法

2.2.1 測(cè)線（點(diǎn)）設(shè)置

本次探地雷達(dá)法探測(cè)為樁號(hào)K17+700 ～ K18+000 m（羊山）堤段。 瑞雷波法探測(cè)3個(gè)測(cè)點(diǎn)分別設(shè)置于探地雷達(dá)法測(cè)線上（見(jiàn)表1）。

表 1 測(cè)線（點(diǎn)）設(shè)置一覽表

2.2.2 參數(shù)選擇

（1）探地雷達(dá)法參數(shù)選擇。本次數(shù)據(jù)采集采用探地雷達(dá)法的主要采集參數(shù)如下:

記錄長(zhǎng)度:T = 300.0 ns和600.0 ns；采樣間隔:dt = 0.8 ns和1.6 ns；道間距:dx = 0. 25 m；天線間距:L = 2.0 m和1.0 m；天線頻率:f = 50 MHz和100 MHz；脈沖電壓:1 000 V；疊加次數(shù):N = 64次。

（2）瑞雷波法參數(shù)選擇。在本次探測(cè)過(guò)程中，采用的道間距為1.0 m，偏移距為5.0，10.0 m。在實(shí)測(cè)工作中，把檢波器對(duì)稱埋置在探測(cè)點(diǎn)兩側(cè)，震源點(diǎn)和檢波器排列在一條直線上，排列方向?yàn)轫樀添斨行木€方向。儀器參數(shù)選擇:采集道數(shù)24道，全通濾波方式，采樣間隔為0.50 ms，采樣點(diǎn)數(shù)為2 048個(gè)，震源采用24磅大鐵錘加鐵墊板激震，檢波器頻率為4 Hz。

3 探測(cè)資料分析及綜合解釋

3.1 探測(cè)資料分析

3.1.1 羊山堤段雷達(dá)探測(cè)資料分析

根據(jù)羊山堤段（樁號(hào)K17+700 ～ K18+000 m）雷達(dá)探測(cè)的反射波特征可見(jiàn):雷達(dá)剖面見(jiàn)圖1 ～ 4。由圖1 ～ 4可見(jiàn)，在背水和迎水面剖面上均存在2處相對(duì)應(yīng)的異常（即異常Ⅰ和Ⅱ），不管是50 MHz還是100 MHz均有顯示，異常Ⅰ背水和迎水面剖面樁號(hào)范圍分別為K17+705 ～ K17+745 m和K17+702 ～ K17+735 m，深度范圍為3.0 ～ 6.0 m，推斷為堤壩內(nèi)部松散體；異常Ⅱ背水和迎水面剖面樁號(hào)范圍分別為K17+830 ～ K17+900 m 和 K17+835 ～ K17+895 m，深度范圍為3.0 ～ 5.0 m，推斷堤壩內(nèi)部松散體。在背水面剖面上存在1處局部異常（即異常Ⅲ），不管是50 MHz還是100 MHz均有顯示，樁號(hào)范圍為K17+945 ～ K17+965 m，深度范圍為2.0 ～ 4.0 m，推斷為堤壩內(nèi)部松散和脫空體。

圖 1 羊山 K17+700 ～ K18+000 m 段背水面 50 MHz 剖面圖

圖 2 羊山 K17+700 ～ K18+000 m 段背水面 100 MHz 剖面圖

圖 3 羊山 K17+700 ～ K18+000 m 段迎水面 50 MHz 剖面圖

圖 4 羊山 K17+700 ～ K18+000 m 段迎水面 100 MHz 剖面圖

3.1.2 羊山堤段瑞雷波探測(cè)資料分析

羊山K17+700 ～ K18+000 m段各測(cè)點(diǎn)瑞雷波頻散曲線見(jiàn)圖 5 ～ 7。

（1）K17+720 m背水面測(cè)點(diǎn)。由圖5可見(jiàn)，埋深1.6 ～ 2.0 m異常，介質(zhì)軟弱、松散、密實(shí)性差，剪切波速度為129.49 m/s。埋深3.0 ～ 3.4 m異常，介質(zhì)軟弱、松散、密實(shí)性差，剪切波速度為142.05 m/s。埋深4.1 ～ 4.8 m異常，介質(zhì)軟弱、松散、密實(shí)性差，剪切波速度為146.78 m/s。埋深5.8 ～ 6.6 m異常，介質(zhì)軟弱、松散、密實(shí)性差，剪切波速度為128.21 m/s。埋深7.6 ～ 8.6 m異常，介質(zhì)軟弱、松散、密實(shí)性差，剪切波速度為91.02 m/s。

（2） K17+808 m背水面測(cè)點(diǎn)。由圖6可見(jiàn)，各層介質(zhì)未見(jiàn)明顯異常，剪切波速度正常。

（3） K17+885 m背水面測(cè)點(diǎn)。由圖7可見(jiàn)，埋深2.8 ～3.3 m異常，介質(zhì)不均勻、偏軟、密實(shí)性稍差，剪切波速度為154.91 m/s。埋深4.2 ～ 4.9 m異常，介質(zhì)不均勻、偏軟、密實(shí)性稍差，剪切波速度為169.27 m/s。

圖 5 羊山段 K17+720 m 背水面測(cè)圖

圖 6 羊山段 K17+808 m 背水面測(cè)圖

圖 7 羊山段 K17+885 m 背水面測(cè)圖

3.2 綜合解釋結(jié)果

羊山堤段綜合雷達(dá)和瑞雷波探測(cè)資料分析認(rèn)為:①背水和迎水面剖面樁號(hào)K17+705 ～ K17+745 m和K17+702 ～K17+735 m，深度范圍為3.0 ～ 6.0 m內(nèi)介質(zhì)松散。背水和迎水面剖面樁號(hào)K17+830 ～ K17+900 m和K17+835 ～ K17+895 m，深度范圍為3.0 ～ 5.0 m內(nèi)介質(zhì)松散。背水面剖面樁號(hào)K17+945 ～ K17+965 m，深度范圍為2.0 ～ 4.0 m內(nèi)介質(zhì)松散和脫空體。在探地雷達(dá)圖像上，深度7.0 ～ 10.0 m處等間隔出現(xiàn)的異常是路燈所引起的反映。②K17+720 m背水面測(cè)點(diǎn)埋深1.6 ～ 8.6 m異常，介質(zhì)軟弱、松散、密實(shí)性差。K17+808 m背水面測(cè)點(diǎn)各層介質(zhì)未見(jiàn)明顯異常。K17+885 m背水面測(cè)點(diǎn)埋深2.8 ～ 4.9 m異常，介質(zhì)不均勻、偏軟、密實(shí)性稍差。

4 羊山鉆孔驗(yàn)證結(jié)果與分析

羊山物探異常區(qū)鉆孔驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn):①在樁號(hào)K17+720 m處的5個(gè)深度分別取樣，其中7號(hào)試樣所在層位碎石較多，無(wú)法完成取樣。剩余的4個(gè)深度，每個(gè)深度分別取2個(gè)試樣，進(jìn)行土的密度試驗(yàn)和滲透試驗(yàn)，干密度大小在1.57 ～ 1.61 g/cm3，滲透系數(shù)除6號(hào)試樣外，其余3組試樣滲透系數(shù)都在10-4以下，相對(duì)較低，透水性較差，而6號(hào)試樣在3.2 ～ 3.4 m，這剛好落在雷達(dá)剖面中所反映的異常3.0 ～ 6.0 m的范圍內(nèi)。②4個(gè)試件所在層位的剪切波速度大小與它們的平均干密度大小呈正相關(guān)，即介質(zhì)干密度值隨著剪切波速度增大而增大。

表 2 羊山物探異常區(qū)鉆孔驗(yàn)證結(jié)果

5 結(jié)論與建議

通過(guò)應(yīng)用探地雷達(dá)法技術(shù)對(duì)西險(xiǎn)大塘羊山典型路段可能存在的隱患進(jìn)行排查，初步發(fā)現(xiàn)一些影響堤防安全的隱患異常，瑞雷波法檢測(cè)結(jié)果與探地雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果基本一致，說(shuō)明采用探地雷達(dá)法進(jìn)行堤防隱患探查具有較高的可靠性。

在各測(cè)試段范圍內(nèi)，局部存在有相對(duì)松散不均勻土體，反應(yīng)在探地雷達(dá)測(cè)試剖面上的反射波組的對(duì)應(yīng)位置同相軸變化復(fù)雜，呈現(xiàn)錯(cuò)位、缺失、不連續(xù)等現(xiàn)象。

探地雷達(dá)法探測(cè)具有靈活、快捷、準(zhǔn)確、分辨率高、受場(chǎng)地條件約束小等特點(diǎn)，能滿足對(duì)堤防進(jìn)行定期安全檢測(cè)的要求，可在我國(guó)水利工程中推廣應(yīng)用。

鉆孔驗(yàn)證的結(jié)果也與探地雷達(dá)法與瑞雷波法的探測(cè)結(jié)果基本一致，再次證明探地雷達(dá)法與瑞雷波法的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)十分明顯，這2種方法在工程隱患探測(cè)中具有快速、方便、無(wú)損、經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確等特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。