中圖分類(lèi)號(hào)：TV87文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

堤壩無(wú)損探測(cè)[1-2]是采用物理探測(cè)手段研究堤壩物理特征變化進(jìn)而判斷工程隱患埋深、規(guī)模、形態(tài)的勘查方法，是指導(dǎo)水利工程安全管理和汛期快速精準(zhǔn)搶險(xiǎn)救災(zāi)的有效手段之一[3-4]。近年來(lái)，瞬變電磁[5]、地質(zhì)雷達(dá)[、電阻率層析成像[7-8]、紅外熱成像[9]等技術(shù)被廣泛運(yùn)用于堤壩的隱患探測(cè)。這些隱患探測(cè)技術(shù)具有快速、經(jīng)濟(jì)、無(wú)損等優(yōu)點(diǎn)，但單一探測(cè)方法存在隱患結(jié)果多解、隱患特征識(shí)別準(zhǔn)確度低、應(yīng)用范圍受限等不足[10-12]。地質(zhì)雷達(dá)的電磁波頻率越高，衰減越快，對(duì)淺層結(jié)構(gòu)隱患的探測(cè)分辨率高，但深層隱患探測(cè)分辨率較差。采用小回路多匝線(xiàn)圈的瞬變電磁法對(duì)深層隱患的探測(cè)具有較高的分辨率，但對(duì)淺層隱患的探測(cè)精度受關(guān)斷時(shí)間（儀器停止發(fā)射信號(hào)到接收信號(hào)的時(shí)間間隔）影響大。地質(zhì)雷達(dá)和瞬變電磁優(yōu)劣互補(bǔ)，且可以通過(guò)兩者探測(cè)結(jié)果的相互驗(yàn)證，分析異常檢測(cè)結(jié)果，從而有效剔除干擾信號(hào)，提升隱患識(shí)別的準(zhǔn)確性。基于此，本文綜合應(yīng)用瞬變電磁法和地質(zhì)雷達(dá)法開(kāi)展堤防工程隱患綜合探測(cè)研究。

1基本原理與技術(shù)

1.1 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)基于探測(cè)目標(biāo)體與周?chē)橘|(zhì)間的介電性差異，通過(guò)發(fā)射天線(xiàn)向被檢測(cè)介質(zhì)發(fā)射高頻脈沖電磁波，然后接收被檢測(cè)介質(zhì)內(nèi)不同介電性界面反射回的電磁反射波。利用介質(zhì)內(nèi)反射電磁波的傳播路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度和波形隨介質(zhì)的電磁性質(zhì)以及幾何形態(tài)而變化的原理，研究反射波的往返旅時(shí)、振幅、頻率和相位特征，確定被檢測(cè)介質(zhì)內(nèi)隱蔽體位置、形態(tài)和埋深。地質(zhì)雷達(dá)法工作原理如圖1所示。

雷達(dá)反射波強(qiáng)度的大小與界面處反射波數(shù)有關(guān)，其反射系數(shù) R 計(jì)算式為

式中： 分別為地下介質(zhì)1、2的相對(duì)介電常數(shù)。

由式（2）可計(jì)算出反射界面的埋深Z。

式中： u 為電磁波在地下介質(zhì)中的傳播速度； t 為電磁波在地下介質(zhì)中的傳播時(shí)間； x 為收發(fā)天線(xiàn)間的間距。

地質(zhì)雷達(dá)的分辨率包括垂直分辨率和水平分辨率，其中垂直分辨率是指從隱患體頂面和底面反射回來(lái)的兩個(gè)脈沖重疊的部分能夠區(qū)分開(kāi)的最小距離，一般為所探測(cè)地層中電磁波波長(zhǎng)的 1/8～1/4 ；水平分辨率 Δx 是指從隱患體水平方向上能夠區(qū)分開(kāi)的最小距離，與電磁波的波長(zhǎng)和垂距有關(guān)，表達(dá)式為

式中：為電磁波的波長(zhǎng)； z 為垂距。

雷達(dá)波圖像能直觀反映堤防內(nèi)部介電差異性較大的缺陷結(jié)構(gòu)，主要用于堤防淺部空洞、松散不均勻體的探測(cè)。但地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)深度受儀器設(shè)備的工作頻率、發(fā)射功率、收射靈敏度、抗干擾能力，天線(xiàn)與大地的匹配耦合效應(yīng)，地電條件（如圍巖導(dǎo)電性）等影響。當(dāng)儀器設(shè)備確定時(shí)，決定探測(cè)深度的主要因素為地表電阻率和工作頻率，由于導(dǎo)電介質(zhì)中電磁波的衰減系數(shù)與工作頻率成正比，對(duì)于某一特定工作頻率f而言，其探測(cè)深度與地表導(dǎo)電率 σ 成反比。地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)深度可按式（4）進(jìn)行估算。

式中： d_max 為最大探測(cè)深度。

1.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法的原理是基于地下探測(cè)目標(biāo)體與周?chē)橘|(zhì)間存在著明顯的導(dǎo)電性差異，利用不接地中心回線(xiàn)向地下發(fā)送一次磁場(chǎng)，在一次脈沖磁場(chǎng)瞬變后的間歇期間，通過(guò)測(cè)量線(xiàn)圈觀測(cè)和研究地下導(dǎo)電異常體所產(chǎn)生的感應(yīng)二次渦流場(chǎng)的磁場(chǎng)隨時(shí)間變化規(guī)律，獲取垂向地下地層分布信息。瞬變電磁法工作原理見(jiàn)圖2。

瞬變電磁法具有靈敏度高、異常響應(yīng)強(qiáng)、探測(cè)深度大、受地形和接地電阻影響小等優(yōu)點(diǎn)。由于感應(yīng)二次場(chǎng)隨時(shí)間的衰變規(guī)律與地下介質(zhì)的導(dǎo)電性有關(guān)，地下介質(zhì)導(dǎo)電性越好，二次場(chǎng)衰減越慢；反之，二次場(chǎng)衰減越快。因此，通過(guò)研究瞬變感應(yīng)二次場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律，可探測(cè)地下具有不同導(dǎo)電性的滲漏通道分布。

瞬變電磁法的探測(cè)深度可由式（5）計(jì)算得到。

式中： h 為探測(cè)深度； ρ 為電阻率； t 為采樣時(shí)間。

1.3地質(zhì)雷達(dá)法與瞬變電磁法綜合探測(cè)

地質(zhì)雷達(dá)法以探測(cè)體介電性差異為基礎(chǔ)，利用電磁波束的反射來(lái)檢測(cè)隱患，具有分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適合于淺層探測(cè)。瞬變電磁法利用電磁場(chǎng)的時(shí)空變化規(guī)律來(lái)檢測(cè)隱患，具有受接地電阻影響小、探測(cè)深度大等優(yōu)點(diǎn)，因其受早期信號(hào)影響，因而淺層識(shí)別精準(zhǔn)度不高。兩者的優(yōu)缺點(diǎn)具有互補(bǔ)性，綜合運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)法和瞬變電磁法進(jìn)行探測(cè)，可大大提高探測(cè)的精準(zhǔn)度。

2 實(shí)例分析

2.1 工程概況

滁河為長(zhǎng)江下游左岸一級(jí)支流，發(fā)源于安徽省肥東縣，在安徽省滁州市全椒縣十字鎮(zhèn)陳淺村進(jìn)入南京市，流經(jīng)浦口區(qū)、江北新區(qū)、六合區(qū)，在六合區(qū)大河口入長(zhǎng)江，干流全長(zhǎng) 269km 。滁河干流江北新區(qū)段總長(zhǎng) 29.5km ，干堤主要位于沖湖積平原，堤基主要以粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)壤土、砂壤土與粉細(xì)砂等土質(zhì)為主，滲透變形、堤（岸）坡穩(wěn)定、軟基問(wèn)題、砂土液化問(wèn)題等工程地質(zhì)問(wèn)題突出。2020 年汛期，滁河干流江北新區(qū)邵家斗門(mén)至老梗壩段、頭橋段、四柳河口段等處出現(xiàn)險(xiǎn)情。近年來(lái)，水利部門(mén)相繼實(shí)施了滁河防洪治理近期工程及完善工程，滁河干流堤防安全狀況得到較大改觀，但部分堤段仍然存在薄弱環(huán)節(jié)。

選取滁河干流江北新區(qū)邵家斗門(mén)段（長(zhǎng) 1750m ）堤防，分別在堤頂迎水側(cè)、背水側(cè)布設(shè)2條測(cè)線(xiàn)，采用車(chē)載地質(zhì)雷達(dá)和拖電瞬變電磁進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)同步采集，對(duì)堤防開(kāi)展綜合隱患探測(cè)，以期掌握松散、不密實(shí)、不均勻等不良地質(zhì)體的分布位置和范圍，預(yù)防汛期堤防隱患可能引發(fā)的險(xiǎn)情。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理

檢測(cè)中，地質(zhì)雷達(dá)設(shè)備探測(cè)采用的技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1，數(shù)據(jù)處理采用RADAN6.6專(zhuān)用雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件。對(duì)圖3（a）中沒(méi)有紅藍(lán)交替異常的雷達(dá)檢測(cè)剖面圖像頻譜圖進(jìn)行分析，可知雷達(dá)波主頻帶分布范圍是 25～60MHz ，高頻成分弱，雷達(dá)檢測(cè)剖面顯示堤防堤身土體基本密實(shí)，無(wú)明顯異常。對(duì)圖3（b）中存在紅藍(lán)交替異常的雷達(dá)檢測(cè)剖面圖像頻譜圖進(jìn)行分析，可知堤防地層雷達(dá)波主頻帶分布范圍是 25～60MHz ，在 65～75MHz 的頻帶范圍出現(xiàn)一個(gè)高頻脈沖，對(duì)應(yīng)堤防堤身土體不密實(shí)異常區(qū)。

2.2.2瞬變電磁數(shù)據(jù)處理

采用GeoElectro電法數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)瞬變電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。原始數(shù)據(jù)采集后，由于IP效應(yīng)、局部噪音和其他干擾因素的影響，衰減曲線(xiàn)會(huì)出現(xiàn)尾部畸變和個(gè)別“跳點(diǎn)”現(xiàn)象，需進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)截?cái)嗯c光滑處理，以提高數(shù)據(jù)的解釋精度。

瞬變電磁設(shè)備采用高分辨拖電式FCTEM瞬變電磁觀測(cè)系統(tǒng)，基于晚期視電阻率計(jì)算方法（見(jiàn)式（6）），對(duì)預(yù)處理后的視電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行擬二維反演，即給定反演的圓滑因子、剖面方向及參與反演的所有點(diǎn)號(hào)，快速計(jì)算出視電導(dǎo)率結(jié)果，然后插值成像形成瞬變電磁剖面圖像。

式中： ρ_τ 為反演的視電阻率； μ₀ 為均勻半空剪的磁導(dǎo)率； t 為測(cè)道時(shí)間； q 為接收線(xiàn)圈的有效面積； V（t） 為接收線(xiàn)圈的感應(yīng)電壓； I 為發(fā)射電流； V（t）/I 是實(shí)際

觀測(cè)的歸一化感應(yīng)電壓； A 為發(fā)送回線(xiàn)面積。

2.3 探測(cè)成果分析

雷達(dá)數(shù)據(jù)處理濾波采用FIR帶通的方法，其低通頻率 200～250MHz ，高通頻率 50～80MHz 在不損害有效波的前提下有效去除十?dāng)_信號(hào)，并通過(guò)反褶積提高資料的信噪比，得到高信噪比的電磁波B掃描圖像。瞬變電磁法采用非線(xiàn)性反演算法，得到視電阻率結(jié)果。通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)法和瞬變電磁法結(jié)果的綜合對(duì)比分析，判斷可能存在的隱患。

堤防迎水側(cè)地質(zhì)雷達(dá)法和瞬變電磁法探測(cè)剖面結(jié)果見(jiàn)圖4，背水側(cè)地質(zhì)雷達(dá)法和瞬變電磁法探測(cè)剖面結(jié)果見(jiàn)圖5。分析探測(cè)結(jié)果可知：

（1）地質(zhì)雷達(dá)法結(jié)果顯示存在由表面向堤防內(nèi)部的雙曲線(xiàn)雷達(dá)波，瞬變電磁法結(jié)果顯示在堤防表面局部存在低阻異常區(qū)，其原因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)障礙物（如車(chē)輛、路燈等）對(duì)雷達(dá)和瞬變電磁造成信號(hào)干擾，迎、背水坡探測(cè)結(jié)果一致。

（2）在迎水側(cè)離起點(diǎn) 52～57m 、深度大約1m以?xún)?nèi)的堤身范圍，存在雷達(dá)波同相軸連續(xù)性差、彎曲、局部異常紊亂，分析結(jié)果為該處土體均勻性差，孔隙率差異大，堤身結(jié)構(gòu)層土體不密實(shí)，為堤防存在的不良地質(zhì)體。

（3）在離起點(diǎn) 552m 、深度 2～4m 處瞬變電磁存在一封閉的低阻異常區(qū)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查該處為一涵洞，迎、背水坡探測(cè)結(jié)果一致。

（4）在離起點(diǎn) 1225m 、深度 28～32m 處存在一封閉的低阻異常區(qū)，分析結(jié)果為該處土體含水量高。

（5）在離起點(diǎn) 1675m 、深度 6～8m 處存在雷達(dá)波同相軸扭折、彎曲、極性正常，瞬變電磁電阻率局部降低，分析結(jié)果為該處土體含水量高、均勻性差。

（6）在背水側(cè)離起點(diǎn) 150～200m 、深度 2～9 m處存兩處雷達(dá)波同相軸扭折、彎曲的異常體，瞬變電磁結(jié)果剖面同樣存在電阻率異常，分析結(jié)果為該段堤身土體均勻性差，不密實(shí)或存在孔洞。

（7）地質(zhì)雷達(dá)能夠快速地識(shí)別堤身隱患，有效探測(cè)深度小于 10m 。瞬變電磁有效探測(cè)深度可達(dá)30m，除了堤身的隱患外，瞬變電磁還能對(duì)堤基的滲漏隱患進(jìn)行探測(cè)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)記錄發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)刭|(zhì)雷達(dá)出現(xiàn)雙曲線(xiàn)特征，瞬變電磁結(jié)果剖面淺部同時(shí)顯示局部低阻異常區(qū)，可以判定結(jié)果中的異常為一些干擾（如車(chē)輛、路燈等），使得判定結(jié)果更準(zhǔn)確。同時(shí)，借助雷達(dá)結(jié)果剖面的波組特征、極性變化，綜合瞬變電磁的局部低電阻率，可以有效地對(duì)堤防內(nèi)部高富水率土體進(jìn)行識(shí)別，有利于及早發(fā)現(xiàn)堤防的薄弱部位及滲漏隱患潛在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于地質(zhì)雷達(dá)法和瞬變電磁法兩者之間具有互相驗(yàn)證、互為補(bǔ)充的特點(diǎn)開(kāi)展綜合物探研究，并以滁河干堤為對(duì)象進(jìn)行實(shí)例分析，查明了探測(cè)堤段穿堤涵閘和堤身內(nèi)部不良地質(zhì)體的性質(zhì)和分布。結(jié)果表明，潛在隱患主要為堤身內(nèi)土層不密實(shí)、孔隙率高，局部堤段含水量高且范圍廣，需要管理單位予以重點(diǎn)關(guān)注。實(shí)踐表明，綜合物探能夠消除單一物探方法的局限性，大大提高探測(cè)精度，更好地指導(dǎo)工程安全運(yùn)行管理和汛期快速精準(zhǔn)搶險(xiǎn)救災(zāi)，助力水利工程高質(zhì)量管理。

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