譚 彩， 潘展釗， 袁明道， 史永勝， 劉建文， 林悅奇

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院， 廣東 廣州 510610; 2.廣東省大壩安全技術(shù)管理中心， 廣東 廣州 510610; 3.廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州 510610)

1 研究背景

堤防是防洪體系的重要組成部分，是落實(shí)河長(zhǎng)制保障水安全的關(guān)鍵內(nèi)容之一，目前我國(guó)堤防總長(zhǎng)度超40×104km，其中絕大部分為早期人工填筑而成，質(zhì)量相對(duì)較差，汛期高水位或臺(tái)風(fēng)等極端條件下其薄弱位置極易發(fā)生險(xiǎn)情，嚴(yán)重威脅人們生命財(cái)產(chǎn)安全[1-2]。因此，如何在險(xiǎn)情發(fā)生初期，快速準(zhǔn)確探明堤防滲漏位置，為應(yīng)急搶險(xiǎn)科學(xué)決策提供依據(jù)，是目前亟待解決的問(wèn)題。

堤防滲漏險(xiǎn)情發(fā)生初期通常具有分布范圍廣、規(guī)模小、物性差異小、突發(fā)性和可變性等特點(diǎn)，險(xiǎn)情發(fā)生后須動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)其發(fā)展，這對(duì)探測(cè)技術(shù)的數(shù)據(jù)采集處理速度、靈敏度、分辨率以及抗干擾性均有較高的要求[3]。物探檢測(cè)法是堤防滲漏搶險(xiǎn)探測(cè)的最優(yōu)手段，目前常用的堤防滲漏物探技術(shù)主要有電法、地震法和電磁法3大類(lèi)。電法尤其是高密度電阻率法在堤防滲漏探測(cè)中應(yīng)用最廣泛，但高密度電阻率法具有明顯的體積效應(yīng)，縱向探測(cè)分辨率較低，對(duì)埋深較大的小規(guī)模滲漏探測(cè)具有一定的局限性[4-8]。地震法可通過(guò)探測(cè)堤防蟻穴、空洞、疏松帶、裂縫和高含砂層等隱患特征推測(cè)滲漏發(fā)生部位，但普遍存在邊界效應(yīng)[9-11]。電磁法尤其探地雷達(dá)法具有數(shù)據(jù)采集快、探測(cè)分辨率高、抗外部干擾強(qiáng)以及場(chǎng)地要求低等優(yōu)勢(shì)，但在高含水率區(qū)域電磁波衰減嚴(yán)重[12-15]。上述3種物探技術(shù)在堤防滲漏探測(cè)中均有一定作用，但各方法均有其局限性和多解性，無(wú)法單獨(dú)實(shí)現(xiàn)堤防滲漏的精確探測(cè)。

為避免單一物探技術(shù)的局限性和多解性，近年來(lái)通過(guò)多種物探方法相互結(jié)合、相互補(bǔ)充、相互驗(yàn)證、相互約束的綜合物探技術(shù)逐步發(fā)展。張建清等[16]建立了一種大地電磁法、高密度電阻率法、微動(dòng)法組成的綜合物探技術(shù)體系，并將其應(yīng)用于大壩滲漏探測(cè)，取得了良好的效果。鄭智杰等[17]采用地震折射法、地震反射法及微動(dòng)法3種物探方法組合探明了桂林市洛潭水庫(kù)巖溶滲漏帶發(fā)育的位置，為灌漿加固提供了科學(xué)依據(jù)。張偉等[18]采用高密度電測(cè)深法、音頻大地電磁法和地震折射法對(duì)淮河濱河淺灘塌陷區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果表明受第四系淤泥層等低阻覆蓋層影響，高密度電測(cè)深法和音頻大地電磁法探測(cè)結(jié)果偏小，結(jié)合地震折射法可更準(zhǔn)確劃分覆蓋層、溶蝕層和基巖面的空間位置。目前綜合物探技術(shù)還只是通過(guò)多種物探技術(shù)多角度分析隱患，但綜合物探技術(shù)不僅局限于幾種物探技術(shù)探測(cè)結(jié)果的簡(jiǎn)單羅列，更應(yīng)結(jié)合基礎(chǔ)資料、現(xiàn)場(chǎng)檢查綜合分析驗(yàn)證。

廣東省某堤防受2017年第13號(hào)臺(tái)風(fēng)“天鴿”(強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí))和第14號(hào)臺(tái)風(fēng)“帕卡”(臺(tái)風(fēng)級(jí))影響，出現(xiàn)3段損毀，分別編號(hào)為1#缺口、2#缺口和3#缺口，缺口長(zhǎng)度分別為50、61和64 m，總?cè)笨陂L(zhǎng)度為175 m，災(zāi)后相關(guān)部門(mén)迅速對(duì)缺口堤段進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)后堤防斷面如圖1所示，堤頂高程3.5 m，堤身高度約5.8 m，堤頂寬約12.4 m，迎水面為干砌石擋墻，墻前采用拋石護(hù)腳，墻后回填黏性土并夯實(shí)，堤身為吹填膜袋砂，每層厚60 cm，背水坡回填50 cm厚夯實(shí)土，坡比1∶3。2018年4月，原3#缺口堤段出現(xiàn)滲漏，堤防安全受到嚴(yán)重威脅，險(xiǎn)情堤段現(xiàn)狀航拍如圖2所示。

圖1 廣東省某損毀堤防修復(fù)后橫斷面圖(高程單位：m，標(biāo)注單位：mm)

圖2 險(xiǎn)情堤段現(xiàn)狀航拍

快速準(zhǔn)確探明堤防滲漏位置，合理評(píng)估該堤段險(xiǎn)情是全面開(kāi)展應(yīng)急搶險(xiǎn)工作的前提。針對(duì)該堤防滲漏險(xiǎn)情具有的規(guī)模小、物性差異小和可變性等特征，本文采用高密度電阻率法和探地雷達(dá)法兩種物探技術(shù)對(duì)險(xiǎn)情堤段進(jìn)行探測(cè)，兩種方法相互結(jié)合、相互補(bǔ)充、相互驗(yàn)證、相互約束，并結(jié)合基礎(chǔ)資料和現(xiàn)場(chǎng)檢查對(duì)堤防滲漏險(xiǎn)情進(jìn)行分析，為該堤防后期全面開(kāi)展應(yīng)急搶險(xiǎn)工作提供技術(shù)支撐，相關(guān)成果也可供類(lèi)似工程參考。

2 高密度電阻率法

2.1 探測(cè)原理與測(cè)線布置

高密度電法是以介質(zhì)體的電阻率差異為基礎(chǔ)的一種電法勘探技術(shù)，其探測(cè)原理為通過(guò)電極向介質(zhì)體輸入電流，通過(guò)測(cè)量電極間電位差確定其視電阻率。根據(jù)實(shí)測(cè)的視電阻率進(jìn)行數(shù)據(jù)裝換、預(yù)處理、地形較正和反演計(jì)算，確定地層中的電阻率分布等值線圖，從而可以劃分地層，確定異常地層等。

由于險(xiǎn)情段堤頂鋪有石粉，高密度電阻率法儀器探針難以插入，而背水坡的填土體較為松軟，故僅在堤頂近背水坡側(cè)設(shè)置1條測(cè)線，方向?yàn)轫標(biāo)鞣较?。測(cè)線電極間距為2 m，測(cè)線總長(zhǎng)度為78 m，測(cè)線樁號(hào)范圍為K0+675～K0+597 m，測(cè)線裝置類(lèi)型為Wenner-α法。

2.2 電阻率反演與分析

基于最小二乘原理進(jìn)行電阻率反演，其基本原理為通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)，并使之達(dá)到極小值。目標(biāo)函數(shù)Φ可表示為[19]：

Φ=‖Δd-JΔm‖2

(1)

式中：Δd為數(shù)據(jù)殘余向量；Δm為模型參數(shù)修改向量；J為偏導(dǎo)矩陣，可寫(xiě)為：

(2)

為減少鄰近網(wǎng)格電阻率突變，使模型連續(xù)、光滑，對(duì)目標(biāo)函數(shù)施加光滑約束，則函數(shù)可改寫(xiě)為：

Φ=‖Δd-JΔm‖2+λ‖C(m+Δm)‖2

(3)

對(duì)Δm求導(dǎo)并令目標(biāo)函數(shù)為0，則有：

(JTJ+λCTC)Δm=JTΔd-λCTCm

(4)

式中：λ為拉格朗日乘數(shù)；C為光滑矩陣，求解可得Δm，施加光滑約束的預(yù)測(cè)模型參數(shù)向量可寫(xiě)為：

ma(k)=ma(k-1)+Δm

(5)

重復(fù)上述過(guò)程，當(dāng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)平均均方誤差RMS滿足要求時(shí)，反演結(jié)束。RMS寫(xiě)為：

(6)

經(jīng)最小二乘法反演堤防探測(cè)斷面電阻率分布情況如圖3所示。由圖3可知：(1)堤防探測(cè)斷面電阻率基本呈層狀分布，電阻率在1.07～160 Ω·m之間，其中險(xiǎn)情堤段堤深3 m以下電阻率1.07～40Ω·m，電阻率整體偏低，說(shuō)明堤深3 m以下險(xiǎn)情堤段含水率相對(duì)較高，與現(xiàn)場(chǎng)檢查背水坡距堤頂3 m處堤身較松軟、濕潤(rùn)現(xiàn)象一致；(2)隨堤深增大，電阻率逐漸減小，說(shuō)明堤防含水率隨堤深增大而增大，這與堤防背水坡土體含水率變化規(guī)律與特征一致；(3)探測(cè)段堤頂中部存在局部高阻異常，這主要是由于險(xiǎn)情段堤頂鋪有電阻率相對(duì)較高的石粉，此外背水坡的淺層坡面侵蝕也是導(dǎo)致局部高阻異常的主要原因；(4)樁號(hào)K0+625～K0+610 m堤頂下4.0～11.5 m以及樁號(hào)K0+637～K0+650 m堤頂下5.0～11.5 m兩個(gè)區(qū)域存在明顯的低阻異常，形成低阻閉合圈，電阻率趨近于零，說(shuō)明該范圍土體含水率非常高，已形成滲漏通道。

3 探地雷達(dá)

3.1 探測(cè)原理

探地雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)主要由發(fā)射天線、接收天線和控制器(主機(jī))等組成。探地雷達(dá)工作原理為發(fā)射天線發(fā)出高頻電磁波，電磁波遇地下地層或目標(biāo)體發(fā)生反射，傳回地面為接收天線接收，通過(guò)發(fā)射接收控制器轉(zhuǎn)換和計(jì)算機(jī)后處理可形成地下雷達(dá)圖像。根據(jù)反射波振幅、大小、頻譜特征和同相軸形態(tài)特征可對(duì)雷達(dá)目標(biāo)波相進(jìn)行識(shí)別。

為均衡探測(cè)剖面各雷達(dá)波的能量，增強(qiáng)弱信號(hào)的對(duì)比以及有用雷達(dá)波的追蹤，需對(duì)雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行增益，增益通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)乘以增益權(quán)函數(shù)實(shí)現(xiàn)[20]：

(7)

第i個(gè)時(shí)窗中心對(duì)應(yīng)的增益權(quán)函數(shù)pi可寫(xiě)為：

(8)

式中：M為調(diào)整有效振幅的平衡系數(shù)；Ai為第i個(gè)時(shí)窗的平均振幅，其計(jì)算式為：

(9)

式中：Ti-1為第i個(gè)時(shí)窗起始時(shí)間；Ti+1為第i個(gè)時(shí)窗終止時(shí)間；N為第i個(gè)時(shí)窗采樣點(diǎn)數(shù)。

為消除雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中的干擾信號(hào)，需進(jìn)行濾波處理。假定探地雷達(dá)實(shí)測(cè)信號(hào)為反射波和干擾波的疊加，則實(shí)測(cè)信號(hào)二維函數(shù)可寫(xiě)為：

f(x,t)=s(x,t)+n(x,t)

(10)

式中：x為測(cè)點(diǎn)位置；t為時(shí)間；s(x,t)為反射波函數(shù)；n(x,t)為干擾波函數(shù)。

其對(duì)應(yīng)的濾波輸出頻波譜為：

=S(k,f)H(k,f)+N(k,f)H(k,f)

(11)

為剔除干擾信號(hào)，則干擾波頻波譜為零，即：

(12)

3.2 探測(cè)結(jié)果與分析

本次探地雷達(dá)探測(cè)共布設(shè)3條測(cè)線，探測(cè)頻率均為100 MHz，測(cè)線樁號(hào)K0+653～K0+605 m，探測(cè)典型結(jié)果如圖4所示。分析探測(cè)結(jié)果可知：(1)在堤深0.3和1.0 m處有清晰的反射層面，同相軸連續(xù)，層面較為平直，推測(cè)堤深0.3 m為石粉鋪填層與回填土層交界面，堤深1.0 m為回填土層與吹填膜袋砂交界面，與設(shè)計(jì)厚度一致，說(shuō)明本次探地雷達(dá)探測(cè)結(jié)果是可靠的；(2)在堤深約3 m處反射波同相軸連續(xù)性較差，多處出現(xiàn)零星分布的強(qiáng)反射信號(hào)，當(dāng)?shù)躺畛^(guò)3 m時(shí)，反射波能量急劇衰減，整體回波相對(duì)較弱，推測(cè)堤深約3 m處為浸潤(rùn)界面。分析其原因?yàn)?，吹填砂是一種非均質(zhì)的顆粒材料，其滲透系數(shù)存在明顯的非均勻性和各向異性，浸潤(rùn)界面處部分吹填砂受水浸潤(rùn)處于相對(duì)飽和狀態(tài)而部分未受水浸潤(rùn)，受水浸潤(rùn)的吹填砂相對(duì)介電常數(shù)明顯增大，與周?chē)词艿剿?rùn)的吹填砂形成明顯的電性界面，表現(xiàn)出同相軸不連續(xù)，多處出現(xiàn)零星分布的強(qiáng)反射信號(hào)特征。浸潤(rùn)面下吹填砂處于相對(duì)飽和狀態(tài)，對(duì)電磁波吸收能力強(qiáng)，表現(xiàn)為回波減弱；(3)樁號(hào)K0+620～K0+610 m以及樁號(hào)K0+645～K0+640 m兩處存在多重強(qiáng)弱交錯(cuò)的凸形條紋，且樁號(hào)K0+620～K0+610 m處反射波較樁號(hào)K0+645～K0+640 m處條紋間距寬，反射幅度大，推測(cè)險(xiǎn)情堤段在樁號(hào)K0+618 m以及樁號(hào)K0+642 m兩處已形成滲漏通道，且樁號(hào)K0+618 m處滲漏通道埋深較淺。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)該兩處有明顯涌水，驗(yàn)證了探測(cè)結(jié)果。

圖4 堤防雷達(dá)探測(cè)結(jié)果

4 結(jié) 論

采用高密度電法和探地雷達(dá)綜合物探技術(shù)對(duì)廣東省某堤防險(xiǎn)情堤段進(jìn)行探測(cè)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢查和設(shè)計(jì)資料進(jìn)行綜合分析，主要結(jié)論如下：

(1)高密度電法與探地雷達(dá)法綜合物探技術(shù)通過(guò)高密度電法與探地雷達(dá)法兩種方法進(jìn)行相互結(jié)合、相互補(bǔ)充、相互驗(yàn)證、相互約束，避免了單一物探技術(shù)的多解性和局限性，探測(cè)結(jié)果與堤防設(shè)計(jì)資料以及現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果一致性良好，能有效地探測(cè)堤防滲漏險(xiǎn)情。

(2)在堤深約3 m處探地雷達(dá)反射波同相軸連續(xù)性較差，多處出現(xiàn)零星分布的強(qiáng)反射信號(hào)，當(dāng)?shù)躺畛^(guò)3 m時(shí)，反射波能量急劇衰減，整體回波相對(duì)較弱，電阻率整體偏低，背水坡堤身松軟濕潤(rùn)，推測(cè)堤深約3 m處為其浸潤(rùn)界面。

(3)樁號(hào)K0+625～K0+610 m以及樁號(hào)K0+637～K0+650 m兩個(gè)區(qū)域存在明顯的低阻異常，形成低阻閉合圈，推測(cè)為滲漏通道，探地雷達(dá)探測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了該結(jié)論并將滲漏通道范圍縮小為樁號(hào)K0+618m和樁號(hào)K0+642 m，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)該兩處有明顯涌水，充分驗(yàn)證了該結(jié)論。