鄧彪 李紅文 胡雄武

摘要：如何實現(xiàn)對海堤拋石底界的快速檢測是當前水利工程領域研究的熱點問題之一。以往主要采用鉆孔探測的方法，但施工周期長、成本高且僅一孔之見，故實踐中利用該方法難以實現(xiàn)對整個海堤拋石底界的快速檢測。鑒于地質(zhì)雷達方法檢測快速且信息連續(xù)，提出了地質(zhì)雷達法與鉆孔法進行聯(lián)合探測的新思路。現(xiàn)場探測試驗結(jié)果表明，雷達波在拋石體與淤泥層之間存在明顯的反射，利用鉆孔探測結(jié)果對雷達波波速進行標定，可快速有效地實現(xiàn)對海堤拋石底界的整體判定。

關(guān)鍵詞：海堤; 拋石底界; 鉆探法; 地質(zhì)雷達法; 海堤工程

中圖法分類號：S277.4文獻標志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.02.028

1研究背景

依據(jù)DB33/T839-2011《海堤工程爆炸置換法處理軟基技術(shù)規(guī)范》[1]、JTT/T258-1998《爆炸法處理水下地基和基礎技術(shù)規(guī)程》[2]及相關(guān)設計要求，海堤爆填塊石底界需進行檢測。以往以鉆探法為主，主要因該方法具有結(jié)果直觀、準確等優(yōu)點，但同時也因其施工周期長、探測信息不連續(xù)且對海堤堤身有破壞等缺點，實際工程應用中難以全面實施。如何快速且可靠地對海堤拋石進行檢測是當前工程技術(shù)人員一直致力解決的問題。葛雙成[3-4]、張家寶[5]、鄧義龍[6]、王佳賀[7]、王紹彪[8]、李俊杰[9]等分別利用地質(zhì)雷達法、淺層地震波法和多道瞬態(tài)瑞雷波法進行了海堤拋石底界探測試驗，通過對物性的圖像特征進行分析，一定程度上確定了拋石底界的厚度?？偟膩碚f，上述地球物理勘探方法因具有測點密度高、檢測速度快和對海堤堤身無損等優(yōu)點，正在海堤拋石檢測中進行嘗試性應用。借鑒上述研究成果，筆者及所在團隊通過對海堤拋石層物性特征的進一步分析，認為塊石層與淤泥層之間存在一定物性差異，如拋石體的均質(zhì)性差、孔隙大，同時受海水的影響，電磁波在進入淤泥層后能量衰減迅速等，這為地質(zhì)雷達方法在海堤拋石檢測中的應用提供了良好的地球物理基礎。

基于上述考慮，結(jié)合近幾年地質(zhì)雷達檢測方法在隧道、引水隧洞等工程上的應用案例[10-11]，以及相關(guān)的成熟理論（偏移成像[12]及正演模擬[13]、雷達波反射機理[14]等），本文通過鉆孔法和地質(zhì)雷達法進行聯(lián)合探測試驗研究，其中采用少量典型地質(zhì)鉆探孔作為雷達探測結(jié)果的驗證和標定，為海堤拋石檢測提供了一套有效的技術(shù)方法。

2探測方法

2.1鉆探檢測法

在鉆機鉆進過程中，利用鉆桿的長度量測孔深，并對鉆孔巖土層進行分層描述，孔口高程采用水準儀測量。通過鉆孔獲得以下數(shù)據(jù)：① 鉆探點拋石層底界高程;② 拋石層底部泥石混合層的厚度。

由于爆填堤心塊石體均質(zhì)性較差，且厚度大，鉆探難度一般較大。鉆探施工中應采用金剛石鉆頭鉆進，開孔孔徑150 mm，終孔孔徑一般為110 mm，并深入地基土層不少于2 m，全孔采用多套套管護壁。鉆探過程均詳細記錄，每次提鉆前后均需量測鉆桿長度、孔深，終孔時記錄各鉆孔的深度、塊石體底界深度等。終孔由檢測人員現(xiàn)場驗證，確保鉆探記錄準確有效。但需要說明的是，由于鉆進過程中的擠壓作用，拋石體與下部軟土層之間深度界線不可避免產(chǎn)生少量偏差。

2.2地質(zhì)雷達檢測法

地質(zhì)雷達是利用高頻電磁波（主頻為數(shù)十至數(shù)百乃至數(shù)千兆赫）以寬頻帶短脈沖形式由地面通過發(fā)射天線T送入地下，經(jīng)地下地層或目標體反射后返回地面，為接收天線R所接收，當?shù)叵陆橘|(zhì)的波速v（m/ns）已知時，可根據(jù)測得的脈沖波旅行時間t（ns），求出反射體的深度h（m）。電磁波在介質(zhì)中傳播時，其電磁波強度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性及幾何形態(tài)而變化。因此，根據(jù)接收到波的旅行時間（亦稱雙程走時）、幅度及波形資料，可推斷介質(zhì)的結(jié)構(gòu)及不同介質(zhì)分界面（見圖1）。在實際檢測中，介質(zhì)中的電磁波速度一般可利用已知目標體的反射時間求取，或根據(jù)鉆孔揭示層位進行標定。

雷達波在介質(zhì)中的傳播速度為

v=cεr（1）

式中，εr為介質(zhì)的介電常數(shù);c為光速（0.3 m/ns）。

一般海堤探測斷面的介質(zhì)層大致為拋石層、土石混合層（較?。⒌鼗浲翆?。根據(jù)表1所示常見介質(zhì)的物理參數(shù)可知，拋石（可參考巖石電磁波速度）、淤泥及海水等介質(zhì)之間有較明顯的電性差異，具備雷達探測的基本物性條件。

地質(zhì)雷達在海堤探測時一般采用雙天線反射測量方式，且多采用剖面法，即發(fā)射天線和接收天線以固定間距沿測線同步移動，其測量結(jié)果可以用探地雷達時間剖面圖像來表示。該圖像的橫坐標記錄了天線在地表的位置，縱坐標為反射波雙程走時，表示雷達脈沖從發(fā)射天線出發(fā)經(jīng)地下界面反射回到接收天線所需的時間。這種記錄能夠準確反映測線下方地下各反射界面的形態(tài)。

2.3綜合探測方法的優(yōu)勢

從前文分析可知，現(xiàn)有海堤拋石檢測方法或完全以鉆探方法為主，或以地球物理方法為主，前者雖然對拋石底界深度判定精度高，但其施工成本高、周期長、工作量大且效率低下，實際中難以實現(xiàn)快速檢測，且僅為一孔之見。后者僅依靠物性參數(shù)的分布實現(xiàn)對海堤拋石底界深度的判定，存在檢測深度不準確的問題，其原因在于海堤拋石體內(nèi)部物性分布的不均勻性強，電磁波和地震波的波速選取無法做到與實際一致。本文提出的綜合探測方法是綜合了上述方法的長處，即利用地質(zhì)雷達方法的探測信息連續(xù)且工作效率高的優(yōu)點，同時針對地質(zhì)雷達探測測線進行局部鉆孔探測，可以實現(xiàn)對海堤拋石底界雷達波反射層的標定及電磁波速的選取，達到了快速且準確的檢測要求。

3現(xiàn)場試驗

3.1工程簡介

浙江某海堤設計堤頂高程6.0 m，擋浪墻頂高程7.0 m，堤頂寬7.8 m。石堤爆炸置換深度至-14.9～-23.5 m高程（典型斷面）。海堤上部斷面結(jié)構(gòu)為直立式土石混合復式斷面型式，石堤擋潮防浪，土方閉氣防滲。海堤迎潮面3.8 m高程設一12.2 m的消浪寬平臺，寬平臺以上按1∶0.4坡至堤頂;寬平臺以下按1∶0.4坡至0 m高程坡腳，坡腳外再設5 m寬的拋石護坦，并設1∶3坡至外涂面，石堤內(nèi)坡以1∶1.5坡至內(nèi)涂面。內(nèi)坡土方從堤頂以1∶3坡至2.0 m高程，2.0 m高程設寬4 m的馬道，再以1∶4坡至0 m高程平臺，0 m高程平臺寬20 m，并以1∶15坡至內(nèi)涂面。堤頂及外坡消浪寬平臺均采用石渣墊層、混凝土穩(wěn)定層和C25混凝土路面作護面，寬平臺上下1∶0.4外坡采用C25埋石混凝土擋墻護坡，內(nèi)坡2.0 m高程以上1∶3坡度采用C25混凝土預制塊作護坡，2.0 m高程平臺至0.5 m高程均采用立體植被護坡網(wǎng)，并植草皮護坡?，F(xiàn)場檢測期間，該海堤堤頂及消浪平臺尚未澆筑，堤內(nèi)側(cè)閉氣土方也未回填。海堤現(xiàn)狀如圖2所示。

3.2觀測布置及雷達波速標定

現(xiàn)場圍繞海堤分別沿縱向和橫向布置測線，受篇幅限制，本文僅討論橫向測線的檢測情況?，F(xiàn)場雷達檢測分別在8個樁號處（K0+287.5、K0+350、K0+412.5、K0+475、K0+537.5、K0+600、K0+655和K0+710）布置橫向測線，測線方向由圍區(qū)向外海側(cè)延伸，并針對其中K0+350、K0+475、K0+600和K0+710樁號處對應的堤頂和消浪平臺分別布置1個鉆孔?，F(xiàn)場依據(jù)各鉆孔揭露的拋石深度，對雷達波速進行標定和選取，具體波速選取情況見表2。

由于堤頂比消浪平臺多出約2 m的拋石體，受海水影響相對較小，拋石體空隙內(nèi)充滿空氣，雷達波能量衰減較小，故雷達波速在堤頂表現(xiàn)相對比消浪平臺高（見表2）。由于海水面以下拋石體內(nèi)空隙充滿海水，雷達能量衰減、波速減小，故實測雷達波速值比理論值（見表1）稍低，符合實際情況。

3.3檢測結(jié)果分析

拋石基底高程的檢測主要綜合鉆探及物探成果與施工圖設計標準斷面結(jié)構(gòu)進行比較。根據(jù)斷面拋石基底高程對比（見表3），確定4條鉆探斷面（K0+350，K0+475，K0+600及K0+710）拋石基底高程基本達到設計要求。圖3～10為不同樁號處地質(zhì)雷達剖面。

從各圖中均可見較為明顯的電磁波反射層位，其中在圖4，6，8和10中均有鉆孔控制，將根據(jù)鉆孔探測拋石層深度標定的電磁波速應用到其它無鉆孔控制的剖面中，可以獲得相應的拋石底界深度（見圖3，5，7和9）。從電磁波反射到達的時間推算，各檢測斷面中推斷的拋石底界深度均基本達到了設計要求。

4結(jié) 語

海堤拋石檢測是當前水利工程領域的研究熱點之一，快速有效的海堤拋石檢測方法仍處在探索和試驗階段。本文采用鉆孔法和地質(zhì)雷達波法進行了聯(lián)合探測試驗，結(jié)果表明：① 雷達電磁波在拋石體與淤泥層之間存在明顯的反射層位;② 通過鉆孔探測結(jié)果對海堤堤身電磁波波速進行標定，結(jié)合電磁波反射時間，有效確定了海堤拋石底界深度;③ 地質(zhì)雷達法探測快速、信息連續(xù)，鉆孔法探測結(jié)果直觀、準確且可以為前者提供結(jié)果驗證和電磁波波速標定作用，兩者聯(lián)合對海堤進行拋石檢測可認為是一套相對行之有效的方案，值得推廣應用。

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引用本文：鄧彪，李紅文，胡雄武.海堤拋石底界的聯(lián)合探測方法試驗研究[J].人民長江，2019，50（2）：161-165.

Experimental study on combined detection method for riprap dumping bottom depth limit determination of sea embankment

DENG Biao?，LI Hongwen?2，HU Xiongwu?3

（1.Jiangxi Provincial Water Conservancy Planning and Designing Institute， Nanchang 330029， China;2.Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary， Hangzhou 310020， China;3.School of Earth and Environment， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， China）

Abstract： How to realize the rapid detection of riprap dumping bottom depth of sea embankment is one of the hot issues in the field of water conservancy engineering. In the past， the borehole detection method was mainly used， but because of its long detection period， high cost and only one hole detection result， it is difficult to realize the rapid detection of the whole riprap dumping bottom depth in practice. In view of the rapid detection and continuous information of GPR， a new idea of combined detection by GPR and borehole was proposed. The results of field comprehensive detection showed that there is obvious reflection of radar wave between the riprap and the silt layer. The velocity of radar wave can be calibrated by the results of borehole detection， which can quickly and effectively judge the whole depth scope of the riprap bottom of the sea embankment.

Key words：sea embankment; riprap bottom boundary; borehole detection method; GPR; sea embankment project