梁 國

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)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(yùn)行的重要因素。洪澇災(zāi)害、長(zhǎng)時(shí)間水流沖刷、堤身填土不均勻、發(fā)生滲漏未及時(shí)處理等都是堤壩滲漏甚至潰壩的原因[1]。對(duì)于堤壩滲漏和穩(wěn)固性的探查主要有人工巡查、地質(zhì)鉆探、物探等手段。人工巡查耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，難以發(fā)現(xiàn)隱患；地質(zhì)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(zhǔn)確性強(qiáng)、效率高，是堤壩檢測(cè)的重要手段[2-3]。

北江大堤捍衛(wèi)廣州、佛山、清遠(yuǎn)3市14個(gè)縣(區(qū))2700多萬人口，3.76萬億元工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值，以及白云機(jī)場(chǎng)、京廣鐵路等重要基礎(chǔ)設(shè)施，屬于全國七大流域重點(diǎn)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(xiǎn)情頻發(fā)，堤壩前期施工填土不均，堤身不密實(shí)，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(xiǎn)情。因此堤壩安全檢測(cè)是堤壩工程管理中尤為重要的一項(xiàng)工作。

目前堤壩檢測(cè)的物探方法中主要有高密度電法[2-4]、地質(zhì)雷達(dá)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(zhì)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(zhì)雷達(dá)法主要利用了介質(zhì)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(xiàng)目聯(lián)合采用高密度電法和地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)北江大堤部分堤圍進(jìn)行探測(cè)，分析兩種方法的情況及各自的優(yōu)點(diǎn)，為建立堤防隱患排查機(jī)制提供科學(xué)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(jí)堤圍[7]。北江大堤保護(hù)區(qū)是洪水經(jīng)常泛濫的區(qū)域，1954年12月進(jìn)行筑閘聯(lián)圍和全面整修加固。1970—1971進(jìn)行了第二次群眾性大培修，但是防洪標(biāo)準(zhǔn)只達(dá)到20年一遇。1983—1987年按照100年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了第三次加固，并成功經(jīng)受住了1994年50年一遇洪水的考驗(yàn)。2003年至2007年對(duì)北江大堤按照I級(jí)堤防、100年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行達(dá)標(biāo)加固。北江大堤的險(xiǎn)情絕大部分是由大堤滲漏造成的，因此檢測(cè)堤身的穩(wěn)固性和滲漏情況，是堤壩工程安全管理的基礎(chǔ)。

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(zhì)電阻率差異為物性基礎(chǔ)，通過施加外部穩(wěn)定電場(chǎng)，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(jié)構(gòu)[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(chǎng)，測(cè)量電極MN即可得到電位差，MN中點(diǎn)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(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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(cè)深為一體，具有電極一次布設(shè)、數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化、可進(jìn)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(diǎn)[4]。數(shù)據(jù)采集由電法儀器自動(dòng)控制電極位置和電極距的變化，逐測(cè)點(diǎn)移動(dòng)得到視電阻率，從而得到該測(cè)線的視電阻率斷面。將測(cè)得數(shù)據(jù)反演處理，即可研究對(duì)應(yīng)范圍地下介質(zhì)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(guān)，堤壩內(nèi)存在裂縫、空洞時(shí)，孔隙度變大，干燥時(shí)填充物為空氣相應(yīng)電阻率變大，孔隙被水填充后電阻率變小，與周圍介質(zhì)的電阻率存在差異，是高密度電法在堤壩監(jiān)測(cè)中的物性前提[8]。目前，高密度電法已應(yīng)用于堤壩滲漏隱患探測(cè)[8，10]、水庫的溶洞探測(cè)[8，10，12]、堤壩浸潤(rùn)線探測(cè)等[11]。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)法原理

地質(zhì)雷達(dá)利用超高頻電磁波，通過發(fā)射天線將電磁波信號(hào)傳入地下，經(jīng)過地下目標(biāo)介質(zhì)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(hào)的走時(shí)、形態(tài)等特征，推斷地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)等特征[14-15]。地質(zhì)雷達(dá)可探測(cè)地下的金屬和非金屬目標(biāo)，亦可探測(cè)地下斷層、脫空、水囊、滲漏等地質(zhì)隱患情況。

由于地下介質(zhì)具有不同的物性差異，如介電性、導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性等。不同介質(zhì)中的電磁波傳播速率不同，穿過地下介質(zhì)返回地表的走時(shí)有差異。同時(shí)受地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)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(zhì)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(zhì)中的電磁波傳播速度，m/s；εr—介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

地質(zhì)雷達(dá)的工作原理圖如圖3所示。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)法工作原理圖

地質(zhì)雷達(dá)以其無損、高效、高分辨率、結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于工程中，在水利工程中已廣泛應(yīng)用于檢測(cè)堤壩裂縫、滲漏、邊坡塌陷等[15-17]。

3 北江大堤探測(cè)成果與分析

3.1 高密度電法測(cè)線布設(shè)

高密度電法的排列方式和電極距需要根據(jù)探測(cè)目標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)確定，本次對(duì)比試驗(yàn)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(cè)線的探測(cè)成果進(jìn)行說明，這兩條測(cè)線位置如圖4所示。

圖4 高密度電法測(cè)線布設(shè)示意圖

對(duì)于所采集數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理時(shí)選擇阻尼最小二乘法進(jìn)行反演計(jì)算。阻尼最小二乘法作為一種全局尋優(yōu)算法，經(jīng)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(jìn)行處理和分析，得到視電阻率剖面圖。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新排列、剔除異常值、數(shù)據(jù)平滑處理，根據(jù)測(cè)區(qū)內(nèi)干擾情況設(shè)定阻尼系數(shù)，本次室內(nèi)數(shù)據(jù)處理選用阻尼系數(shù)為0.15[12]。對(duì)于同一條測(cè)線分段測(cè)量數(shù)據(jù)，在軟件中進(jìn)行重組合并；對(duì)于分?jǐn)?shù)據(jù)間初始電極位置不同，進(jìn)行初始電極位置重新設(shè)定。反演的結(jié)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(cè)線1高密度電法電阻率成果剖面圖，圖6為測(cè)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(cè)線1和測(cè)線2的高密度電法電阻率成果圖一致，淺部為較密實(shí)的高阻介質(zhì)，深部為視電阻率較低的介質(zhì)，有明顯的分層。

影響介質(zhì)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(duì)于非飽和土層：含水率越高、密實(shí)度越高、粒徑越小，電阻率值越低；當(dāng)含水率和粒徑不變時(shí)，電阻率值大小基本反映了填充土體的密實(shí)度變化。當(dāng)非飽和土層中有裂縫發(fā)育時(shí)，被空氣填充，密實(shí)度會(huì)相對(duì)降低，在視電阻率剖面圖上反映為高阻異常；當(dāng)裂隙被水填充，在反演結(jié)果上表現(xiàn)為低阻異常。從圖5可以看出：左側(cè)為高阻，推斷大堤堤身填土均勻，相對(duì)較密實(shí)；在測(cè)線33～40m和53～55m兩處，淺部存在低阻異常反應(yīng)，推斷有局部松散的情況；從圖6可以看出：淺部為較密實(shí)的高阻反應(yīng)，深部為視電阻率值較低的反應(yīng)。在15～20m處，有較明顯的低阻反應(yīng)，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(cè)線成果圖中電阻層位分層較為明顯，具有較高的探測(cè)精度值。

圖5 高密度電法測(cè)線1視電阻率成果剖面圖

圖6 高密度電法測(cè)線2視電阻率成果剖面圖

由圖5和圖6的探測(cè)結(jié)果可知：高密度電法在本次探測(cè)中，清楚的反映了堤壩的地下結(jié)構(gòu)情況，滿足了本次工作的需要。

3.2 地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)及應(yīng)用

在堤壩的地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)中，測(cè)線以平行堤軸線方向?yàn)橹鳒y(cè)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(cè)線。在探測(cè)前，初步了解大堤的地質(zhì)環(huán)境及構(gòu)造情況，根據(jù)探測(cè)的深度、分辨率等進(jìn)行試驗(yàn)，選擇滿足條件的雷達(dá)天線。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在壩頂布設(shè)測(cè)線，選用100MHz天線的馬拉雷達(dá)，以連續(xù)工作模式進(jìn)行探測(cè)。大堤形成的側(cè)面反射和多次回波會(huì)嚴(yán)重干擾雷達(dá)數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)分析解釋時(shí)加以識(shí)別和消除。選取其中一段雷達(dá)測(cè)線布設(shè)示意圖，如圖7所示。

此次雷達(dá)探測(cè)，共完成測(cè)線總長(zhǎng)度72146m，將所測(cè)數(shù)據(jù)通過專業(yè)處理軟件Reflexw2D進(jìn)行處理和分析后得到雷達(dá)檢測(cè)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(zhì)均勻，大堤碾壓密實(shí)的位置，雷達(dá)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(dāng)大堤存在滲漏、疏松等異常時(shí)，在水的影響下，滲漏、疏松部位材料吸收水分，會(huì)相對(duì)的飽和，介電常數(shù)和電導(dǎo)率會(huì)增大，與正常填充部位形成明顯的電性差異界面，在雷達(dá)剖面區(qū)域形成強(qiáng)反射區(qū)。此時(shí)，雷達(dá)剖面上反射波強(qiáng)度加大，反射波同相軸不連續(xù)，反射波會(huì)“變胖”[15]。根據(jù)處理后的雷達(dá)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(zhì)雷檢測(cè)成果圖如圖8所示，該圖地質(zhì)雷達(dá)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(zhì)雷達(dá)圖像發(fā)生了變化，但不易確定產(chǎn)生該分界面的原因。在0～12m，地質(zhì)雷達(dá)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(dá)數(shù)據(jù)分析處理的成果來看，在瞬時(shí)相位譜中，時(shí)距30～65ns同樣存在一個(gè)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(qiáng)的散射、繞射等。結(jié)合工程實(shí)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(zhì)雷達(dá)測(cè)線布設(shè)示意圖

圖8 地質(zhì)雷達(dá)大堤檢測(cè)成果圖

4 結(jié)語

高密度電法探測(cè)深度取決于電極距，可以探測(cè)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(zhì)雷達(dá)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(yàn)證。聯(lián)合采用高密度電法和地質(zhì)雷達(dá)法，相對(duì)傳統(tǒng)的電法探測(cè)和普通探地雷達(dá)法效率更高，探測(cè)深度更深，結(jié)果更準(zhǔn)確可靠。結(jié)合北江大堤應(yīng)用實(shí)例，采用現(xiàn)代物探技術(shù)和專業(yè)數(shù)據(jù)處理分析的關(guān)鍵技術(shù)，探測(cè)結(jié)果相互驗(yàn)證，證明了該堤段無明顯的病害發(fā)生，為建立風(fēng)險(xiǎn)隱患排查機(jī)制提供可靠依據(jù)，具有廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)水利工程堤防科學(xué)管理及隱患排查、預(yù)防具有重要的參考意義。