梁 國

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣東 廣州 510000)

水利工程的堤壩滲漏和穩(wěn)固性問題，是影響堤壩安全運行的重要因素。洪澇災害、長時間水流沖刷、堤身填土不均勻、發(fā)生滲漏未及時處理等都是堤壩滲漏甚至潰壩的原因[1]。對于堤壩滲漏和穩(wěn)固性的探查主要有人工巡查、地質鉆探、物探等手段。人工巡查耗費時間長，難以發(fā)現(xiàn)隱患；地質鉆探具有破壞性，且只能了解有限的井下信息；物探方法特別是多種方法的聯(lián)合使用，準確性強、效率高，是堤壩檢測的重要手段[2-3]。

北江大堤捍衛(wèi)廣州、佛山、清遠3市14個縣(區(qū))2700多萬人口，3.76萬億元工農業(yè)生產總值，以及白云機場、京廣鐵路等重要基礎設施，屬于全國七大流域重點堤圍之一，是珠江三角洲和粵港澳大灣區(qū)最重要的防洪屏障。洪水險情頻發(fā)，堤壩前期施工填土不均，堤身不密實，存在生物洞穴及其它隱患，汛期極易引發(fā)管涌、散浸等滲漏險情。因此堤壩安全檢測是堤壩工程管理中尤為重要的一項工作。

目前堤壩檢測的物探方法中主要有高密度電法[2-4]、地質雷達法[2-3，5]、瞬變電磁法[3，6]、淺層地震法[3]等。其中高密度電法利用了介質的電阻率差異，通過研究電阻率的空間分布規(guī)律判定堤壩滲漏和穩(wěn)定性情況；地質雷達法主要利用了介質的介電常數(shù)差異，通過研究超高頻電磁波的反射圖像來判定堤壩滲漏及穩(wěn)定性。本項目聯(lián)合采用高密度電法和地質雷達法對北江大堤部分堤圍進行探測，分析兩種方法的情況及各自的優(yōu)點，為建立堤防隱患排查機制提供科學依據(jù)。

1 工程背景

北江大堤地理位置特殊，位于北江下游左岸，是廣州市防御西江和北江洪水的重要屏障，國家一級堤圍[7]。北江大堤保護區(qū)是洪水經常泛濫的區(qū)域，1954年12月進行筑閘聯(lián)圍和全面整修加固。1970—1971進行了第二次群眾性大培修，但是防洪標準只達到20年一遇。1983—1987年按照100年一遇洪水標準，進行了第三次加固，并成功經受住了1994年50年一遇洪水的考驗。2003年至2007年對北江大堤按照I級堤防、100年一遇防洪標準進行達標加固。北江大堤的險情絕大部分是由大堤滲漏造成的，因此檢測堤身的穩(wěn)固性和滲漏情況，是堤壩工程安全管理的基礎。

2 方法原理

2.1 高密度電法工作原理

高密度電法屬于直流電阻率法，以地下介質電阻率差異為物性基礎，通過施加外部穩(wěn)定電場，研究電流傳播規(guī)律，通過數(shù)據(jù)反演，獲得地下電阻率分布圖像，從而了解地下結構[4，8]。方法工作原理與電阻率法一致，如圖1所示。供電電極AB向地下接入穩(wěn)定人工電場，測量電極MN即可得到電位差，MN中點處的視電阻率如公式(1)。

圖1 電阻率法原理

(1)

式中，K—裝置系數(shù)；滿足方程(2)：

(2)

式中，AM、AN、BM、BN分別為對應電極間的距離，mm。常用裝置主要有溫納裝置、偶極-偶極裝置、單極-偶極裝置、單極-單極裝置等，不同裝置對應裝置系數(shù)不同，如圖2所示[9]。

圖2 高密度電法裝置示意圖

高密度電法是集電剖面和電測深為一體，具有電極一次布設、數(shù)據(jù)采集自動化、可進行多種裝置排列數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)采集高效等優(yōu)點[4]。數(shù)據(jù)采集由電法儀器自動控制電極位置和電極距的變化，逐測點移動得到視電阻率，從而得到該測線的視電阻率斷面。將測得數(shù)據(jù)反演處理，即可研究對應范圍地下介質情況。堤壩的電阻率與其填充物的孔隙度、含水率、粒徑等有關，堤壩內存在裂縫、空洞時，孔隙度變大，干燥時填充物為空氣相應電阻率變大，孔隙被水填充后電阻率變小，與周圍介質的電阻率存在差異，是高密度電法在堤壩監(jiān)測中的物性前提[8]。目前，高密度電法已應用于堤壩滲漏隱患探測[8，10]、水庫的溶洞探測[8，10，12]、堤壩浸潤線探測等[11]。

2.2 地質雷達法原理

地質雷達利用超高頻電磁波，通過發(fā)射天線將電磁波信號傳入地下，經過地下目標介質發(fā)生反射和折射等，傳回地表被接收天線接收[13]，如圖3所示。通過研究接收信號的走時、形態(tài)等特征，推斷地下介質的結構等特征[14-15]。地質雷達可探測地下的金屬和非金屬目標，亦可探測地下斷層、脫空、水囊、滲漏等地質隱患情況。

由于地下介質具有不同的物性差異，如介電性、導電性、導磁性等。不同介質中的電磁波傳播速率不同，穿過地下介質返回地表的走時有差異。同時受地下介質結構和形態(tài)影響，電磁波形態(tài)發(fā)生變化。電磁波的傳播規(guī)律滿足Maxwell方程，不同介質中的傳播速率滿足方程(3)。

(3)

式中，c—真空中的光速，m/s；v—介質中的電磁波傳播速度，m/s；εr—介質的相對介電常數(shù)。

地質雷達的工作原理圖如圖3所示。

圖3 地質雷達法工作原理圖

地質雷達以其無損、高效、高分辨率、結果直觀等優(yōu)點廣泛應用于工程中，在水利工程中已廣泛應用于檢測堤壩裂縫、滲漏、邊坡塌陷等[15-17]。

3 北江大堤探測成果與分析

3.1 高密度電法測線布設

高密度電法的排列方式和電極距需要根據(jù)探測目標現(xiàn)場實驗確定，本次對比試驗包括偶極-偶極裝置、單極-單極裝置、溫納α裝置，最終確定偶極-偶極裝置、電極距1m作為本次數(shù)據(jù)采集的參數(shù)。選擇其中兩條側線的探測成果進行說明，這兩條測線位置如圖4所示。

圖4 高密度電法測線布設示意圖

對于所采集數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理時選擇阻尼最小二乘法進行反演計算。阻尼最小二乘法作為一種全局尋優(yōu)算法，經過多次迭代可以得到最優(yōu)的模型[10，12]。將數(shù)據(jù)通過反演軟件進行處理和分析，得到視電阻率剖面圖。對數(shù)據(jù)進行重新排列、剔除異常值、數(shù)據(jù)平滑處理，根據(jù)測區(qū)內干擾情況設定阻尼系數(shù)，本次室內數(shù)據(jù)處理選用阻尼系數(shù)為0.15[12]。對于同一條測線分段測量數(shù)據(jù)，在軟件中進行重組合并；對于分數(shù)據(jù)間初始電極位置不同，進行初始電極位置重新設定。反演的結果清晰可靠，如圖5—6所示，在所有的成果圖中未發(fā)現(xiàn)有明顯“病害區(qū)”異常。

圖5為測線1高密度電法電阻率成果剖面圖，圖6為測線2高密度電法電阻率成果剖面圖，可以看出淺部填土和河床階地的地層電阻率測線1和測線2的高密度電法電阻率成果圖一致，淺部為較密實的高阻介質，深部為視電阻率較低的介質，有明顯的分層。

影響介質電阻率的因素主要金屬礦物含量、含水率、孔隙度、粒徑等[11]。對于非飽和土層：含水率越高、密實度越高、粒徑越小，電阻率值越低；當含水率和粒徑不變時，電阻率值大小基本反映了填充土體的密實度變化。當非飽和土層中有裂縫發(fā)育時，被空氣填充，密實度會相對降低，在視電阻率剖面圖上反映為高阻異常；當裂隙被水填充，在反演結果上表現(xiàn)為低阻異常。從圖5可以看出：左側為高阻，推斷大堤堤身填土均勻，相對較密實；在測線33～40m和53～55m兩處，淺部存在低阻異常反應，推斷有局部松散的情況；從圖6可以看出：淺部為較密實的高阻反應，深部為視電阻率值較低的反應。在15～20m處，有較明顯的低阻反應，推斷該處局部填充物不均勻，為泥砂，所以表現(xiàn)為向上突起的低阻狀現(xiàn)象。兩條測線成果圖中電阻層位分層較為明顯，具有較高的探測精度值。

圖5 高密度電法測線1視電阻率成果剖面圖

圖6 高密度電法測線2視電阻率成果剖面圖

由圖5和圖6的探測結果可知：高密度電法在本次探測中，清楚的反映了堤壩的地下結構情況，滿足了本次工作的需要。

3.2 地質雷達法探測及應用

在堤壩的地質雷達檢測中，測線以平行堤軸線方向為主測線，部位分別在堤頂、迎水面、背水面布置；在垂直堤軸線方向的堤肩部位或需要詳查的部位布置副測線。在探測前，初步了解大堤的地質環(huán)境及構造情況，根據(jù)探測的深度、分辨率等進行試驗，選擇滿足條件的雷達天線。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，在壩頂布設測線，選用100MHz天線的馬拉雷達，以連續(xù)工作模式進行探測。大堤形成的側面反射和多次回波會嚴重干擾雷達數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)分析解釋時加以識別和消除。選取其中一段雷達測線布設示意圖，如圖7所示。

此次雷達探測，共完成測線總長度72146m，將所測數(shù)據(jù)通過專業(yè)處理軟件Reflexw2D進行處理和分析后得到雷達檢測分析成果剖面圖。大堤由粘土、砂、礫石、混凝土等材料堆砌而成，在壩體物質均勻，大堤碾壓密實的位置，雷達反射波很弱，反射圖像同相軸連續(xù)，視頻率均一，反射波無明顯異常；當大堤存在滲漏、疏松等異常時，在水的影響下，滲漏、疏松部位材料吸收水分，會相對的飽和，介電常數(shù)和電導率會增大，與正常填充部位形成明顯的電性差異界面，在雷達剖面區(qū)域形成強反射區(qū)。此時，雷達剖面上反射波強度加大，反射波同相軸不連續(xù)，反射波會“變胖”[15]。根據(jù)處理后的雷達圖像可知，在所有的成果圖中未發(fā)現(xiàn)有明顯“病害區(qū)”異常。

其中一段地質雷檢測成果圖如圖8所示，該圖地質雷達圖像反射波變化較均勻平滑，大堤普遍情況較好；但在紅色方框中，地質雷達圖像發(fā)生了變化，但不易確定產生該分界面的原因。在0～12m，地質雷達反射波清晰且連續(xù)；在12～19m發(fā)生變化且振幅較大，從雷達數(shù)據(jù)分析處理的成果來看，在瞬時相位譜中，時距30～65ns同樣存在一個比較明顯的分界面，這段區(qū)間的振幅值明顯大于其他區(qū)間的振幅值，在此區(qū)間電磁波在其中發(fā)生較強的散射、繞射等。結合工程實際情況，可以推斷在12～19m位置地下淺部，有一薄層存在疏松的情況。

圖7 地質雷達測線布設示意圖

圖8 地質雷達大堤檢測成果圖

4 結語

高密度電法探測深度取決于電極距，可以探測到深層數(shù)據(jù)，且深層的數(shù)據(jù)精度高，反演成果可靠；地質雷達法淺層的數(shù)據(jù)更直觀，精度高，但深層數(shù)據(jù)失真；兩種方法相輔相成，相互驗證。聯(lián)合采用高密度電法和地質雷達法，相對傳統(tǒng)的電法探測和普通探地雷達法效率更高，探測深度更深，結果更準確可靠。結合北江大堤應用實例，采用現(xiàn)代物探技術和專業(yè)數(shù)據(jù)處理分析的關鍵技術，探測結果相互驗證，證明了該堤段無明顯的病害發(fā)生，為建立風險隱患排查機制提供可靠依據(jù)，具有廣闊的應用前景，對水利工程堤防科學管理及隱患排查、預防具有重要的參考意義。