余金煌 吳 瓊
綜合物探法探測(cè)堤壩白蟻蟻巢技術(shù)
余金煌 吳 瓊
安徽省是水利大省,境內(nèi)堤壩眾多。據(jù)最新水利普查資料:安徽省共有水庫5826座,總庫容324.78億m3。堤防總長(zhǎng)度為34463.3km,5級(jí)及以上堤防長(zhǎng)度為21073.4km。塘壩61.72萬處,總?cè)莘e48.19億m3。這些水利工程的興建和運(yùn)行,為安徽省的防洪保安、農(nóng)業(yè)灌溉發(fā)揮了巨大的作用。白蟻活動(dòng)主要分布在淮河以南的廣大地區(qū),向北漸漸稀少,往南逐漸遞增。安徽省堤壩工程大多數(shù)為土石堤壩,在堤壩運(yùn)行中受白蟻危害十分嚴(yán)重,尤其是皖南的堤壩工程。近年來,由于氣候變化等原因,皖北的堤壩白蟻危害也逐漸嚴(yán)重。
白蟻對(duì)堤壩的本質(zhì)性威脅是在堤壩內(nèi)挖掘的四通八達(dá)的蟻道、主巢腔及眾多的菌圃腔。蟻巢一般修筑在背水坡距壩面2m以下,常水位浸潤(rùn)線以上。一般從有翅成蟲分飛配對(duì)到成熟群體,歷經(jīng)8~10年,主巢腔積可達(dá)0.15m3,再加上菌圃和蟻道,一個(gè)群體可掏空約1m3的土壤腔積。白蟻除在背水坡取食植被外,還可通過地下蟻道,穿過堤壩到迎水坡取食枯枝落葉和浪渣,而當(dāng)汛期水位上升時(shí),水流便有可能進(jìn)入隱藏在堤壩內(nèi)的蟻道和巢腔內(nèi),造成散浸、管漏、跌窩和滑坡等險(xiǎn)情。有些堤壩為提高標(biāo)準(zhǔn)而加高培厚,但在工程實(shí)施前未把舊堤壩內(nèi)已存在的白蟻隱患徹底清除,使得原堤壩內(nèi)的白蟻隱患埋藏得更深。白蟻巢穴越深,對(duì)堤壩的安全威脅就越大,水位升高后常發(fā)生因蟻患導(dǎo)致的險(xiǎn)情。
白蟻的防治工作一直是堤壩管理的一項(xiàng)重要工作。在白蟻防治過程中,首先需要尋找白蟻活動(dòng)的痕跡,然后探測(cè)白蟻在堤壩內(nèi)的蟻巢。目前對(duì)白蟻蟻巢探測(cè)主要采取人工開挖的方法。人工開挖的方法具有直觀、技術(shù)要求不高的優(yōu)點(diǎn),但也有工作效率低、成本高的局限性。隨著工程物探技術(shù)的逐漸成熟,目前普遍利用綜合物探的方法探測(cè)白蟻蟻巢。
工程物探是工程地球物理勘探的簡(jiǎn)稱,它是以地下巖土層(或地質(zhì)體)的物性差異為基礎(chǔ),通過儀器觀測(cè)自然或人工物理場(chǎng)的變化,確定地下地質(zhì)體的空間展布范圍(大小、形狀、埋深等)并可測(cè)定巖土體的物性參數(shù),達(dá)到解決地質(zhì)問題的一種物理勘探方法。
由于白蟻蟻巢與周圍的巖土體在物性上存在較大的差異,尤其是在電阻率和電磁波波速上的差異。這種差異的存在為采用工程物探方法探測(cè)蟻巢提供了物性前提。加之,蟻巢一般埋深較淺、規(guī)模相對(duì)較大,且基本在浸潤(rùn)線之上,利用工程物探方法可以達(dá)到預(yù)期的深度和精度。
使用工程物探方法探測(cè)白蟻蟻巢具有工作效率高、成本低的特點(diǎn)。在采用工程物探方法的基礎(chǔ)上,輔之鉆孔、靜力觸探或人工開挖的手段驗(yàn)證,可以達(dá)到較高的探測(cè)準(zhǔn)確率。
綜合以上所述,利用綜合物探的方法探測(cè)堤壩白蟻蟻巢是可行的。
根據(jù)堤壩內(nèi)蟻巢蟻道的特點(diǎn)以及其與周圍巖土的電性差異,使用探地雷達(dá)和高密度電法進(jìn)行綜合探測(cè)。
探地雷達(dá)是根據(jù)電磁波在不同介質(zhì)中傳播特性不同的原理進(jìn)行工作的,由探地雷達(dá)發(fā)射天線(T)發(fā)出的電磁脈沖向地下傳播,在存在電性差異的界面產(chǎn)生反射,反射波被雷達(dá)接收天線(R)接收并被儀器記錄下來,見圖1。反射脈沖總是滯后于發(fā)射脈沖一段時(shí)間,這個(gè)時(shí)間是電磁脈沖通過穿透介質(zhì)的速度和目標(biāo)體埋藏深度的函數(shù),即:
式中:t—電磁波的雙程走時(shí),ns,1ns=10-9s;
z—為目標(biāo)體的埋藏深度,m;
v—為電磁波在穿透介質(zhì)中的傳播速度,m/ns。
發(fā)射的電磁脈沖信號(hào)以時(shí)間和振幅的函數(shù)記錄下來,稱之為一次掃描。當(dāng)收發(fā)天線沿地面移動(dòng)時(shí),記錄地面不同位置上的多次掃描,得到時(shí)間域脈沖信號(hào)的剖面,構(gòu)成探地雷達(dá)記錄。地下不同的介質(zhì)一般具有不同的介電常數(shù),電磁波在不同介電常數(shù)的界面會(huì)產(chǎn)生反射,通過對(duì)反射波的振幅及相位等波形特征進(jìn)行研究,即可對(duì)地下目標(biāo)體的性狀作出一定程度的判別。
高密度電法測(cè)試原理是根據(jù)被測(cè)體的電流和電位差在目的體長(zhǎng)度、深度方向上的變化差異,進(jìn)行特征體的判讀和解釋。用該法在測(cè)線上相同剖面采集數(shù)據(jù)后傳入計(jì)算機(jī),用與之配套的處理軟件進(jìn)行處理,在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行處理和濾波后,得到目的體的電性在測(cè)線長(zhǎng)度、深度方向上的變化分布圖。高密度電法測(cè)量系統(tǒng)工作原理見圖2。
圖1 探地雷達(dá)基本原理示意圖
圖2 高密度電法測(cè)量系統(tǒng)工作原理示意圖
現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)按以下步驟開展工作:
現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查地形、地貌、植被、土質(zhì),尋找白蟻活動(dòng)的范圍。確定探測(cè)范圍。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)查勘結(jié)果,確定探測(cè)范圍、具體探測(cè)方法。
在探測(cè)原理上,探地雷達(dá)法是根據(jù)電磁波速的差異,高密度法是根據(jù)電阻率的差異,兩者各有優(yōu)缺點(diǎn):探地雷達(dá)法比較適合高精度的探測(cè)2m以內(nèi)的缺陷,探測(cè)時(shí)效率高,一般每天可以探測(cè)10km;高密度電法比較適合于探測(cè)深度較大的缺陷,一般探測(cè)深度可以達(dá)到30m,甚至更深,但探測(cè)時(shí)電極距需設(shè)置較大或者需要的電極數(shù)量較多。如需要探測(cè)深度小于2m的缺陷,可以通過小電極間距以提高測(cè)試精度。高密度電法一般每天能探測(cè)2km測(cè)線。
在白蟻蟻巢探測(cè)時(shí),可以首先使用探地雷達(dá)法測(cè)試;再根據(jù)探地雷達(dá)測(cè)試成果推斷存在蟻巢部位,使用高密度電法進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)。在兩種方法探測(cè)均推斷存在蟻巢處,采用鉆孔、靜力觸探或人工開挖的方式進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證。
在擬定的探測(cè)范圍內(nèi)布置探地雷達(dá)測(cè)線,根據(jù)探測(cè)深度選擇雷達(dá)天線中心頻率。天線中心頻率一般為100MHz、200MHz、400MHz。
在擬定的探測(cè)范圍布置高密度電法測(cè)線,一般采用二維探測(cè),在有條件時(shí)可選擇三維探測(cè)。探測(cè)時(shí)電極距一般為0.5~3m,電極距原則上普查時(shí)選擇大間距以提高工作效率,詳查時(shí)選擇小間距以提高探測(cè)精度。測(cè)試方法一般選擇溫納法。
根據(jù)探地雷達(dá)、高密度電法測(cè)試成果,對(duì)可能存在白蟻蟻巢的區(qū)域,根據(jù)其埋藏深度和范圍采用人工開挖、鉆孔或靜力觸探進(jìn)行驗(yàn)證。
(1)探地雷達(dá)和高密度電法均能較準(zhǔn)確反映蟻巢異常區(qū)域,且兩種方法測(cè)試結(jié)果具有統(tǒng)一性。
(2)現(xiàn)場(chǎng)操作來看,雷達(dá)探測(cè)效率較高,但是對(duì)場(chǎng)地環(huán)境要求也比較高,一般要求場(chǎng)地?zé)o障礙并且比較平坦,探測(cè)深度受地下水位影響較大;相對(duì)來說,高密度電法對(duì)場(chǎng)地要求較低,只需保證電極與地面有良好的接觸即可,并且不易受外界環(huán)境干擾,信號(hào)可靠度比較好。
(3)在實(shí)際探測(cè)工作中,宜采用兩種方法進(jìn)行綜合探測(cè)。探測(cè)結(jié)果處理后,應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)開挖進(jìn)一步驗(yàn)證探測(cè)結(jié)果■
(作者單位:安徽?。ㄋ炕春铀瘑T會(huì))水利科學(xué)研究院 233000 水利部淮河水利委員會(huì) 233001)