不同物探手段在堤防隐患检测中的应用对比分析与研究

    黎昱+邓社根+徐荣

    摘要：能够用于堤防隐患的物探方法有多种，采用单一物探方法探查对堤防隐患的判别有可能形成多解，很难作出准确的判断。试验段堤防位于淮沭河西堤15+440～16+440，采用了探地雷达法、地震反射波法、地震映像法、瑞雷面波法、大地电导率法对该试验段进行隐患检测，对检测成果进行对比分析与研究，获得各物探手段的优缺点及适用范围。

    关键词：堤防隐患；物探；对比

    堤防工程作为一种现实的、长期的防洪措施在我国防洪工程體系中占有极其重要的地位。由于大多数堤防是在旧堤防基础上加高培厚而成，加之自然或人为等各种因素所造成的堤防裂缝、孔洞、松散土体、软弱夹层、高含砂层、獾鼠洞穴等堤防空洞众多，当遇洪水时极易发生管涌、滑坡等险情，严重时导致大堤溃决。所以，及时探查掌握堤防的质量状况，发现并消除堤防隐患，提高堤防抗御洪水能力是各大江河防洪工程中的重点工作。

    堤防隐患的检测方法主要有地质钻探、人工探查和地球物理勘探三种。前两者均不能满足快捷、准确和无损等诸要求，而且探查既费力又难于发现隐患，钻探既具有局部性又具有破坏性。物探技术是一种间接探查手段，是通过研究探查对象物理特征的差异来判断堤防内部隐患的埋深、规模和形态。由于堤防土体内土的类别、密实程度、湿度和各土力学参数的不同以及内部薄弱体的存在必然造成土体物性参数（电阻率、波阻抗、介电常数等）的差异，这些差异是利用物探技术检测堤防的前提。物探方法属无损检测，不会破坏堤防的土体结构，其检测速度快、可连续扫描，其代表性广，在堤防探查中有广泛的应用前景。

    能够用于堤防隐患的物探方法有多种，如浅层地震波法、探地雷达、瞬变电磁法、高密度电阻率法等物探方法都在堤防探查中得到应用。但是堤防土体的物性参数受多种因素影响，土体的密实程度、土类别、含水率、地下水及水中盐碱含量等都会影响到波速、电阻率等物探参数，这就造成堤防探查的复杂性。采用单一物探方法探查对堤防隐患的判别有可能形成多解，很难作出准确的判断。

    一、物探方法的工作原理

    （一）探地雷达法

    探地雷达的方法原理如下：通过向地下发射尖锐脉冲式电磁波和接收其反射回波的方式，得到直观的图像资料。地下物体不同，其导电率、介电常数和磁导率也有差异，电磁波的差异传播反过来推衍地下物质和结构。一般情况下，介质导电率越高，介质雷达波吸收越大，振幅衰减越快；介质介电常数越大，雷达波传播速度越小。真空的介电常数ε空=1，雷达波在真空中的传播速度最高，等于光速C=3×108m/s。水的介电常数ε水=81，雷达波在水中的传播速度：

    各层的物质和结构不同，引起雷达脉冲反射的各个面层的介电常数也不同。探查实际过程中，沿地面移动天线，不断地发射和接收脉冲信号，将经A/D转换后得到的数据信号按一定方式进行编码排列及处理，显示系统以二维形式给出连续的地下纵向剖面图像。图像的水平坐标为地面不同的位置；垂直坐标表示脉冲的双程传播时间，时间可换算为深度，当使用收发一体天线时，深度Z的计算公式为：

    其中，c为电磁波在空气中的传播速度（c=0.3m/ns），ε为介质的相对介电常数，t为脉冲从地表传播目标物再经目标物反射回地表的双程传播时间。

    （二）地震反射波法

    在阻尼介质中，认为堤防地层是上部自由、下部弹性固结的弹性体。在堤面上激发震源，堤防土体发生弹性效应，生成弹性波。该波的一部份往下传播，为入射波。当入射波到达底界面时，遇到有波阻抗差的底界面时，在底界面上产生反射，形成反射波，被堤面上的仪器记录下来（如图2所示）。仪器自动记录波旅行时间（t），由波速（V）可得出地层厚度（h）和地层构造特征，一般采用多次覆盖观测系统工作。

    （三）地震映像法

    该法以相同的小偏移距逐步移动单点接收地震信号，对地下地层或地下目的物进行连续扫描，利用地下介质密度、速度、泊松比等弹性特征参数的差异，当弹性波遇到弹性分界面或弹性突变点时，将发生反射、绕射和产生频散。仪器自动记录波的旅行时间和动力学特征，反演介质物性参数，获取物性分界面或突变点的双程旅行时间和埋深（如图3所示）。

    对于反射波映像法而言，其反射波旅行时间为：

    其中，x0为炮检距，t0为双程旅行时间。当反射界面为水平界面时，其时距曲线为一直线。

    （四）瑞雷面波法

    利用弹性动力学理论，震源在地面上瞬态作用下，瑞雷面波是纵波和横波在地表面相互干涉叠加出现的波型转换结果，质点按一定的椭圆轨道逆时针运动轨迹的振动，在地表及其附近其能量相对集中。在二维坐标系中，设垂直方向为Z轴，水平方向为X轴，坐标原点位于地面震源，其质点振动位移分量分别为：

    式中：N为观测排列的接收道数；Δti为第i个道间距的时间差，Δφi为初相位差。

    根据瑞雷面波理论，利用拟合反演的方式，可得到测点处垂向瑞雷面波波速的分布，由不同岩土层瑞雷面波速度特性差异，不同波速的介质给予其特有的地质属性解释，实现垂向岩土层探查的目的。

    

    （五）大地电导率法

    大地电导率法是一种不接地磁源浅层电导率法，属于频率域电磁法。其基本原理是：在大地表面布设发射线圈作为磁偶极源，通过测量交变电流产生的一次磁场，以及由一次磁场在大地中产生的涡旋电流感应出的二次磁场，来达到测量大地视电导率的目的（工作原理图见图4所示）。大地电导率和二次磁场与一次磁场的比值存在如下的线性关系：

    其中σ为地下的电导率，Hp为发射线圈产生的一次场，Hs为接收线圈接收的二次场，ω为发射信号的角频率，μ为地层的磁导率，S为收发距。通过发射不同频率的信号，达到测量不同深度的电导率的目的。

    二、试验段堤防地质条件

    （一）堤身断面结构

    试验段堤顶宽度为7.4m，高程为17.8m，迎水坡坡脚高程为11.4m，背水坡坡脚高程为11.9m，迎水坡坡脚到淮沭河西偏泓距离为60m。

    （二）堤身土结构

    堤身土主要为人工堆筑填土，由粘性土（A层）及砂性土（B层）组成，堤顶多为石子路面。

    A层（Q4ml）：棕黄、灰黄、褐黄、黄褐、棕黄杂灰色粉质粘土、重粉质壤土，杂重粉质砂壤土及轻粉质壤土，局部互杂。

    B层（Q4ml）：灰黄、棕黄及浅黄色重、轻粉质砂壤土、轻粉质壤土，杂粉质粘土，局部互杂。

    （三）堤基地质条件

    试验段广泛分布层砂性土，局部分布1层砂性土，两层合计厚度多在3m左右；部分地段分布2层软粘性土，厚度一般在1m左右。

    三、试验段测线布置

    试验段堤防位于淮沭河西堤15+440～16+440，在堤顶路面两侧各布置一条顺堤方向的测线，每条测线长度1000m，如图7所示。

    四、检测成果分析对比

    （一）探地雷达法成果分析

    采用探地雷达法对试验段全线进行了探查，分别沿堤顶迎水坡侧（右测线）和背水坡侧（左测线）两条测线进行。

    探查结果显示在测线15+460～15+468段的堤防断面，人工填土B层与自然沉积层的分层界面处出现了疏松现象，其下方自然沉积层内局部也出现了土体疏松，疏松区的雷达波的振幅大、视频率相对周围介质较低，为典型的富水疏松异常雷达波特征图像。在疏松区上方填土层存在小的空洞现象，但规模不大。

    当堤防地层内存在空洞时，使得界面的反射系数增加数倍以上，因而反射波振幅大大增加，电磁波在空洞内的传播与在土体内传播形成鲜明对比，从而识别空洞的存在与否。

    探查结果显示在测线15+550～15+562段的堤防断面，人工填土B层出现了空洞，空洞区的电磁波传播速度快，电磁波反射系数变大，电磁波的振幅变大，在雷达探查剖面图像中呈现强烈的反射信号特征，同时探地雷达反射波同相轴错断，是典型的空洞雷达波特征图像。

    （二）地震反射波法成果分析

    依据右测线16+146～16+325段堤防的地震时间剖面和彩色时间剖面图像，地震反射波时间剖面显示存在4组较连续的有效反射波阻（T1～T 4），根据反射波组的波形、频率、振幅、时间及连续性等特征对比，并结合堤防工程地质资料和地层物性参数，确定有效反射波组T1是人工填土A层与B层的分层界面，深度约2.5m左右；T2是人工填土B层与自然沉积层分层界面，深度约8m左右，T3和T4是自然沉积层深部的反射信号，本次堤防探查的范围是8m以浅的人工填土层，T2和T3、T3和T4之间的地层可不予考虑。

    探测结果表明，地震横波反射波法对堤防的主要结构层的探测效果较好，能清晰的反映出堤防填土层和自然沉积层的分层界面，以及自然沉积层内的不同物性地層的分层界面。探测成果说明地震反射波法对填土层内存在的空洞、疏松土体、富水以及软弱土体层的反映较差，探测效果不明显。

    （三）高密度地震映像法成果分析

    依据堤防左测线15+540～15+740段的纵波地震映像探查剖面图像，人工填土A层和B层之间的分界面、以及B层与自然沉积层之间的分界面都很清晰，表明人工填土A层、B层和自然沉积地层之间是存在一定的速度差异。

    通过对纵波地震映像波相的识别，在15+543～15+555段和15+677～15+699段的堤防断面上，人工填土层的地震波同相轴出现了下陷，推断为人工填土B层土质疏松，导致地震波传播速度降低，传播的时间变长，因此地震波同相轴下陷。

    通过对纵波高密度地震映像资料的分析，发现纵波高密度地震映像对堤防隐患探查有一定的效果，特别是大范围的地层沉降或松散，探查效果比较明显，地震波同相轴和波相的变化，表明地层结构和介质的物性发生了改变。

    （四）瑞雷面波法探查分析

    图8为试验段右测线16+140～16+340段堤防的面波剖面图，因为人工填土层和原状土层的面波速度存在差异，因此从图中可以看出人工填土层和原状土层的分界面在7.5m左右，图中圈出的红色区域和面波速度相对周围土体较低部位，即为松散土体。

    J2钻孔位于右测线16+292的位置，图9为J2钻孔柱状图和J2孔附近的面波频散曲线图，从图中可以看出，根据面波频散曲线图对土层进行分层与钻孔柱状图土层分层基本一致。

    瑞雷面波的探测结果表明，瑞雷面波法对地层结构的划分和堤防隐患的探测均具有较好的效果，具有探测深度较深、不受地下水位影响的优点，适用于对地层的精细划分，获取地层的剪切波速度等物性参数，但该方法野外工作量很大，探测时间长，不宜全线使用。

    （五）大地电导率法成果分析

    图10是试验段16+140～16+340段堤防电导率探查成果。成果显示在16+155～16+180段（点号30～80）电阻率数值总体偏低，呈现大振幅锯齿状分布，表明该段堤防的填土层孔隙率高、含水率不均匀，地层相对周围填土层富水；在770～788m（点号140～156）段堤防，同样存在电阻率数值相对周围土体偏低，但范围相对较小，表明该段堤防的填土层同样富水。

    大地电导率探查方法对富水区域探查敏感，若松散体含水量与周围介质相当，则探查效果不明显。

    五、结论

    每一种物探方法均有其探查的有效性和局限性，各种物探方法既可以互相验证，又可以互为补充。对探地雷达法、地震反射波法、地震映像法、瑞雷面波法、大地电导率法的检测成果进行对比分析与研究，可以获得各物探手段的优缺点及适用范围。

    1. 通过对同一段堤防各物探方法检测成果的对比分析，发现探地雷达探查的效果更好，其普查发现的异常段基本涵盖了其它两种物探方法所发现的异常体，反映的地层结构信息和土体异常更准确，不仅能反映出土体异常的性质，而且能对异常的形态和规模进行量化。

    2. 地震反射波法探查深度较大，对划分大深度的地层结构有良好的探查效果，但不能对堤防人工填土层中存在的富水、松散、空洞等进行有效探查。

    3. 高密度地震映像对地层结构、土体松散异常有明显的探查效果，但是该方法只能探查到隐患的平面位置，不能够确定隐患的埋藏深度。

    4. 瑞雷面波法对地层结构的划分和堤防空洞的探查均具有较好的效果，探查深度较深，且不受地下水位影响，适合于对地层的精细划分，获取地层的剪切波速度等物性参数，但该方法野外工作量很大，探查时间长。

    5. 大地电导率法仅对富水区有探查效果，对含水率较低的部位探查效果较差。

    参考文献：

    [1]杨震中.综合物探方法在堤防隐患探测中的应用研究[D].中南大学，2007.

    [2]石明，冯德山，戴前伟.综合物探方法在堤防质量检测中的应用[J].地球物理学进展，2006（12）.

    （作者单位：江苏省工程勘测研究院有限责任公司）