陳功翔

(江西省建洪工程監(jiān)理咨詢有限公司，南昌 330000)

1 工程背景

南昌市瓜洲聯(lián)圩位于南昌經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)白水湖管理處中聯(lián)村、瓜洲村、南坊村及黃堂村，現(xiàn)保護(hù)面積26km2、耕地800余hm2、人口1萬余人，是贛江支流的重要外洪圩堤。該聯(lián)圩連接中聯(lián)堤、瓜洲堤、汝羅湖堤而成，從雙西路堤至汝羅湖電排站，總長7083m。現(xiàn)狀中聯(lián)堤、瓜洲堤、汝羅湖堤的防洪能力約為5-8a一遇。長期以來，受水土流失及非法河道采砂影響，堤段滲漏嚴(yán)重，圩堤基礎(chǔ)單薄，不能滿足現(xiàn)有防洪要求，必須進(jìn)行加固處理。

瓜洲聯(lián)圩加固工程水下拋石工程量為6180.11m3，選用200t甲板駁船3艘，運(yùn)輸能力完全能夠保證施工需要。拋石施工受水位、流量、流速、流向、沖距、航運(yùn)等因素的影響，為了保證拋投塊石的進(jìn)度和質(zhì)量，擬采用1艘500t定位船分區(qū)分段進(jìn)行網(wǎng)格拋投，根據(jù)施工現(xiàn)場的條件，將塊石用駁船運(yùn)至施工現(xiàn)場拋投水域范圍后采用人工拋投，由專職施工人員進(jìn)行拋投指揮，同時(shí)加強(qiáng)安全施工。

2 試驗(yàn)基本情況

2.1 拋投網(wǎng)格布置

采用GPS全球定位測量系統(tǒng)及海洋成圖軟件對拋石區(qū)水下地形測量后，繪制出水下原始地形圖，其水下斷面測量的比例為1∶200，沿地軸線方面20m測量一橫斷面，測點(diǎn)的水平間距控制在5m內(nèi)。根據(jù)測量成果對拋投區(qū)進(jìn)行劃檔分格，繪制測區(qū)拋投網(wǎng)絡(luò)圖，拋石網(wǎng)絡(luò)擬采用10m×10m的小網(wǎng)格比較合適。且能夠滿足一次性拋投到位的要求。局部岸線不順直的地方采用變網(wǎng)格，但其網(wǎng)格大小不能超過20m×10m，各網(wǎng)格的拋投量根據(jù)圖紙按網(wǎng)格上下斷面方向的平均值求得按拋投斷面計(jì)算出每個(gè)拋投測區(qū)的拋石數(shù)量，并對測區(qū)進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)。

2.2 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

為進(jìn)行不同類型地質(zhì)雷達(dá)探測能力的比較，本試驗(yàn)采用美國SIR-2型和加拿大EKKO-110型兩種地質(zhì)雷達(dá)在相同試驗(yàn)剖面和測試區(qū)域進(jìn)行對比試驗(yàn)，并保證天線頻率范圍與采集參數(shù)一致。上述兩種地質(zhì)雷達(dá)天線中心頻率均為100MHz，脈沖寬度為20ns，脈沖幅度150V，其在巖土內(nèi)分辨深度最小值可達(dá)厘米級，穿透深度最大達(dá)20m，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)145dB。

此外還需配備的測量儀器包括經(jīng)緯儀、GPS、全站儀、回聲儀、流速儀、測繩、皮尺、標(biāo)旗等；定位器材；500t定位駁船1艘、200t駁船3艘、200t拖船1艘、鐵錨、鋼絲繩、鉸車等；安全設(shè)備；救生圈、救生衣、導(dǎo)航標(biāo)、燈、擴(kuò)音喇叭等和其他一些必需設(shè)施。

2.3 探測方法

本試驗(yàn)采用等間距點(diǎn)測與連續(xù)測量剖面法，點(diǎn)測間距0.2m，64次疊加；連續(xù)測量剖面水平向采樣密度50點(diǎn)/m[1]。將地質(zhì)雷達(dá)探測天線絕緣處理并與水體直接耦合，在施測小船的拖動(dòng)下實(shí)施水上采集。根據(jù)施測深度，采樣長度設(shè)定為200ns、400ns、600ns、800ns、1000ns。

3 試驗(yàn)過程及結(jié)果

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

考慮到地質(zhì)雷達(dá)通常通過反射剖面法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，雷達(dá)波在傳播過程中會(huì)受到多種因素干擾，為增強(qiáng)有用信號(hào)、抑制異常干擾信號(hào)，必須通過數(shù)據(jù)處理過程進(jìn)行數(shù)字濾波及增益調(diào)整。濾波處理包括時(shí)間域?yàn)V波、空間域?yàn)V波、二位濾波等方式。因雷達(dá)檢測信號(hào)隨時(shí)間的延長而減弱，必須對較弱信號(hào)施加增益函數(shù)以增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，除常規(guī)的AGC自動(dòng)增益、SEC線性指數(shù)增益、固定增益等操作外，本試驗(yàn)還增加了擬地震數(shù)據(jù)增益處理，以增強(qiáng)試驗(yàn)效果。

雷達(dá)數(shù)據(jù)分析以常見介質(zhì)物性參數(shù)為基礎(chǔ)，詳見表1，根據(jù)雷達(dá)波傳播速度及所觀測到的傳播時(shí)間等進(jìn)行水下介質(zhì)深度、厚度等的測算，公式如下：

h=vt

(1)

式中：h為水下介質(zhì)厚度，m；v為雷達(dá)波在水下介質(zhì)中的傳播速度，m/ns；t為雷達(dá)波在水下介質(zhì)中的傳播時(shí)間，s。

表1 常見介質(zhì)物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)

地質(zhì)雷達(dá)測量以電磁波在不同介質(zhì)中的傳播速度為基本參量，傳播速度取值的準(zhǔn)確程度決定著測距、水下介質(zhì)厚度等參數(shù)的準(zhǔn)確性。本試驗(yàn)區(qū)上層為江水，對于此類低損耗地層，雷達(dá)波傳播速度可表示為：

(2)

式中：c為光傳播速度，cm/ns，取30cm/ns；ε′為介質(zhì)復(fù)雜電常數(shù)純數(shù)，江水取80，水中拋石堆取70。則可得出本試驗(yàn)區(qū)江水介質(zhì)中雷達(dá)波傳播速度為3.3cm/ns；水中拋石堆介質(zhì)中雷達(dá)波傳播速度為4.0cm/ns。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及評價(jià)

1#測區(qū)測線長25m，與測岸相距4.0m，探測水深2.8-6.5m，SIR-2地質(zhì)雷達(dá)和EKKO-110型地質(zhì)雷達(dá)采集結(jié)果均顯示，水底界面清晰，拋石上層存在薄層淤泥，且拋石厚度1.8-2.2m，與周圍介質(zhì)相比，拋石堆反射波頻率較高，且陡峭邊坡拋石體繞射波存在雜亂反射，厚度均勻，河床中部拋石脫節(jié)，拋石堆繞射波與河床頂面探測波存在明顯分界，水下拋石形態(tài)及數(shù)量與設(shè)計(jì)技術(shù)要求基本相符。2#測區(qū)測線長100m，與測岸相距4.0m，探測水深1.5-5.5m，拋石堆厚度0.5-2.0m，雷達(dá)波探測結(jié)果顯示拋石堆頂面存在較大起伏，且局部淤泥層厚度較大，分布不均，部分區(qū)域存在淤泥分層。3#測區(qū)測線長100m，與測岸距離6.0m，探測水深3.0-5.7m，拋石堆厚度0.5-2.5m，拋石堆頂面起伏較大，且局部覆蓋淤泥，存在不均勻拋石間斷區(qū)域。

本次均勻水體介質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果顯示，雷達(dá)波波形穩(wěn)定、振幅均勻，頻譜范圍窄，有較高的分辨率，穿透力逐漸減弱；而雷達(dá)波在水下拋石堆介質(zhì)中的傳播波形存在明顯繞射，振幅不均，穿透能力強(qiáng)，相位連續(xù)；在水下拋石較少的淤泥區(qū)，雷達(dá)波波形頂部繞射減少，頻譜成分分化，相位吸收強(qiáng)；淤泥覆蓋充填拋石區(qū)域，雷達(dá)波波形振幅大，頻率低，相位連續(xù)且密度低。以上地質(zhì)雷達(dá)時(shí)間剖面特征并非獨(dú)立出現(xiàn)，而是幾種特征同時(shí)存在，需要試驗(yàn)人員根據(jù)區(qū)域地質(zhì)條件及豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，去偽存真，獲取更為準(zhǔn)確的試驗(yàn)信息。

本次試驗(yàn)結(jié)果表明，地質(zhì)雷達(dá)在水下拋石方面的探測切實(shí)可行，且較少受季節(jié)的影響，但必須確保雷達(dá)天線防水與絕緣。頻率100MHz的探測天線所探測水深可達(dá)6.0m，探測結(jié)果所顯示的水下淤泥、拋石、河床等界面、形態(tài)分辨清晰且定量解釋科學(xué)合理；若水深超過6.0m，則SIR-2和EKKO-110型地質(zhì)雷達(dá)頻率100MHz的探測天線均僅能反映出水下拋石堆頂面形態(tài)，底界面模糊無法分辨。在實(shí)際探測過程中，必須權(quán)衡考慮并處理好分辨率與探測深度的關(guān)系，并通過探測設(shè)備下潛等方式突破探測深度局限。隨著介質(zhì)介電常數(shù)的增大，雷達(dá)波在介質(zhì)中的傳播速度越低，所以探測目標(biāo)的分辨能力主要受介質(zhì)界面兩側(cè)介電常數(shù)差異的影響，不同介質(zhì)介電常數(shù)存在較大差別，雷達(dá)波傳播速度與頻率也不盡相同，差異越大，則界面越容易分辨，所以，通過繞射波形態(tài)及傳播速度的變化進(jìn)行水下拋石堆厚度的雷達(dá)探測及定性定量解釋切實(shí)可行。

4 結(jié) 論

本試驗(yàn)所采用的等間距點(diǎn)測與連續(xù)測量剖面法工作強(qiáng)度大，對數(shù)據(jù)處理要求較高，但探測速度快，結(jié)論準(zhǔn)確度高，成果圖界面分層清晰；SIR-2和EKKO-110型地質(zhì)雷達(dá)對測試環(huán)境無較高要求，測試過程受外界干擾不大，是當(dāng)前江河堤防工程中較為理想的水下拋石探測方法，本次試驗(yàn)基本達(dá)到了水下拋石地質(zhì)雷達(dá)探測試驗(yàn)?zāi)康?，試?yàn)過程和結(jié)果可為南昌市瓜洲聯(lián)圩圩堤加固水下拋石施工提供借鑒指導(dǎo)。