物探技术在海塘隐患探测的应用探讨

杜晨程，邵阳英，胡勇峰，吴自成，陈 斌

(1.浙江水利水电学院 水利与环境工程学院，浙江 杭州 310018；2.浙江省钱塘江管理局杭州管理处，浙江 杭州 310052)

0 引 言

海塘是重要的防洪防潮生命线工程，钱塘江海塘杭州段是城市防御洪潮的重要屏障.长期以来，受洪、潮水及人类活动、生物侵蚀、雨水冲淘等因素的影响，海塘在运行过程中难免遭受一定的损坏.为了早期发现、诊断病害隐患，笔者采用地球物理探测技术开展海塘隐患探测工作，以查明其是否存在病害隐患，并对不同仪器、不同方法进行适用性、有效性比较，为大面积隐患探测积累经验，为海塘安全运行提供技术参考.

1 探测设备选择

海塘隐患探测是利用地球物理方法，通过检测堤坝的电学、声学、温度或其它指标，判断内部是否存在洞穴、裂缝、松散体、高含砂层、护坡脱空区、古河道、砂砾石层和渗漏、管涌等隐患的方法.常用的地球物理方法包括直流电阻率法、自然电场法、瞬变电磁法、探地雷达法、拟流场法、弹性波法、温度场法、同位素示踪法等.各种探测方法根据适用范围、应用条件和探测对象特点，单独或综合应用.

根据探测塘段的结构型式、工作条件，结合现场勘查情况，笔者采用大地电导率仪、探地雷达和高密度电阻率法仪进行隐患探测.其中，大地电导率仪分垂直激发(VD)和水平激发(HD)两种模式，分别探测深度15 m和7.5 m；探地雷达采用40 M、100 M和200 M三种天线，预计有效探测深度分别为15 m、10 m和5 m；高密度电阻率法仪采用8条布线共64根电极串联探测，有效探测深度预计为10～15m.测线布置：两段海塘分别在堤坝表层迎水坡侧、中线和背水坡侧布置三条测线，同时，在可疑塘段增加横断面测线，使用探地雷达进行探测.

2 探测原理与方法技术

2.1 大地电导率仪

大地电导率仪测量属于一种低频电磁法，其工作频率介于音频(n×10～n×104Hz)范围内.它是以地下介质的电导率差异为基础，通过研究电磁场的空间和时间分布特征从而解决实际问题的物探方法[1].图1绘出了大地电导率仪的探测原理图.发射线圈Tx放在地面上，由交流音频电流激发.接受线圈Rx放在距发射线圈距离为s处.发射线圈内的交流电流产生的随时间变化的一次磁场Hp在地层内感应很小的电流.该感应电流衰变时产生二次磁场Hs.Hp和Hs均被接收线圈接收.

图1 大地电导率仪探测原理

一般来说，二次磁场Hs是两线圈间距s、工作频率f和大地电导率σ的复杂函数.然而，在低感应数工作条件下，二次磁场是这些变量的简单函数：

(1)

式中：Hs—接收线圈处的二次磁场；

Hp—接收线圈处的一次磁场；

ω=2πf，f—工作频率；

μ0—自由空间的导磁率；

σ—大地电导率；

(2)

电导率的SI单位为S/m或mS/m(西门子/m或豪西门子/m).

由于介质的电导率与介质类型及其结构、空隙度、含水量、密实程度及温度等一系列因素有关，当堤坝产生隐患(如软弱层、洞穴、水流通道、物质松散)时，必然导致地下介质的导电性结构发生变化.同样，电导率的变化也能反映堤坝体内的非均质性.如此，通过研究电导率的空间和实践分布特征，可初步发现异常并探查堤坝的各种隐患.

采用加拿大产EM34-3型大地电导率仪，10 m电缆，分水平和垂直两种激发方式，分别对两塘段进行探测.根据《堤防隐患探测规程》(SL436-2008)，本次探测堤顶宽度大于4 m，沿迎水面和背水面堤肩纵向各布置一条测线，并沿堤顶中线增加一条测线.测点桩号与海塘桩号相对应，每100 m校对一次测点位置，并以海塘桩号为准.

2.2 探地雷达

探地雷达(GPR)是利用频率106～109Hz的无线电波来确定地下介质分布的一种地球物理探测仪器.探地雷达的基本原理(见图2).

图2 控地雷达基本原理

由激发天线发射高频脉冲电磁波，电磁波在地下介质中向下传播，遇到界面后产生反射和透射，反射波向上传播到达地面被接收天线所接收.整个过程由主机控制，接收天线所接收到的时变信号由主机进行记录.分析雷达记录中有无反射信号便可知地下有无电磁界面或异常体，根据反射信号的旅行时间可以计算电磁界面或异常体的深度.

(3)

式中：

ηt—发射天线的效率；

ηr—接收天线的效率；

Gt和Gr—入射波和回波的方向增益；

r、λ和β—异常体到天线的距离、信号波长和介质的吸收系数.

探地雷达经过实地探测，成果由主机记录并反馈到微机上，形成雷达探测图谱.典型雷达图谱(见图3).

图3 探地雷达200 M天线横断面图

在海塘隐患探测中，主要判断依据为[2]：

(1)当电磁波由空气进入到堤坝表层时，会在图像的上方产生一组水平状的振幅较强、信号均匀、同相轴连续的波形.

(2)当填土密实度较好时，散射信号较弱，振幅较小，没有多次波.如果填压欠密实或出现松散体时，强散射信号的同相轴会产生较大的形变，且不连续、无规则、较分散.

(3)出现脱空或裂隙时，会在脱空表面产生一组与堤坝表层信号极性相反、振幅较大的强散射信号，三振相特征明显易形成多次波.

(4)当堤坝内部出现含水带时，会导致散射信号增强，电磁波在进入含水带时会形成极性与表面散射信号相同的散射波.

本次探地雷达探测分别采用40 M、100 M、200 M天线，预计其有效探深分别为15 m、10 m和5 m.其中，40 M、200 M天线采用意大利产IDS主机与天线，100 M采用瑞典产Mala主机与天线.测线布置与大地电导率仪相同.

在乔司三号大堤延伸段52K+210断面，因大地电导率仪VD模式探测异常，故增加横断面测线，使用40 M和100 M雷达天线进行探测.

2.3 高密度电阻率法仪

高密度电阻率法仪采用阵列勘探方法，野外测量时将几十至上百根金属电极均匀分布在区段各探测点，借助外力将电极插入土层，利用程控电极转换开关和微机工程电测仪实现数据的连续和自动采集.当测量结果送入微机后，高密度电阻率法仪对数据进行处理并给出关于地电断面分布的各种物理解释的结果.

高密度电阻率法仪以岩土导电性差异为物质基础，通过向堤坝施加稳定的人工电场，利用测量仪器系统观测、记录电场分布情况，研究电场分布规律.高密度电阻率法仪是电剖面法和电测深法的组合，可同时探测电阻率沿水平方向和垂直方向的变化情况.在堤坝隐患探测中，理想条件下堤坝可视为均质体，电场分布均匀，其电阻率变化不大.海塘填土若有疏松层，其电阻率与地下水位直接相关.处于地下水位以下的疏松层，充满液态水，表现为低阻区；而处于地下水位以上的疏松层为干燥状态，表现为高阻区.当堤坝存在隐患时，均质体遭到破坏，隐患体部位与周围土体产生电性差异，致使电场发生畸变，引起电阻率异常，反映在电阻率剖面图上.高密度电阻率法仪图谱(见图4).根据观测到的视电阻率异常的形态和高低阻特征，结合地质情况以及水文、水位资料，综合判别堤坝隐患的性质、范围和埋深[3].

图4 高密度电阻率法仪图谱

由于插入电极数量较多，各电极之间均采集电阻率数据，因此高密度电阻率法仪的数据采集量较为丰富.在海塘隐患探测中，主要判断依据为[4]：

(1)当堤坝土质均匀无隐患分布时，视电阻率剖面图呈近水平层状分布，从坝顶到坝基视电阻率呈渐变趋势.

(2)堤坝中存在裂缝时，图像中层状特征遭到破坏，出现条带状或椭圆形高阻色块，使得某些层位发生畸变，被错开或拉伸.

(3)堤坝存在洞穴时，图像中层状特征也遭破坏，出现近似圆形或椭圆形高阻或低阻色块，视电阻率梯度变化较大.

(4)堤坝存在松散土层等不均匀体时，在干燥状态下，也表现为高阻色块，只是范围较大，形态不规则.

采用国产E60B型高密度电阻率法仪进行海塘隐患探测，以海塘初始桩号为基准，64根电极沿堤顶分布式布线，电极间距1.5～2 m，形成长约100 m的电极带.因本次探测塘段表层为混凝土或沥青路面，介质坚硬，无法插入电极，原预设三条测线修正为在内坡顶设一条测线.测量过程中发现，江边围堤30K+210～30K+352段内坡已砌条石，30K+607～30K+663段绿化过于茂密；乔司延伸段52K+000～52K+165段内坡与地面平齐并已硬化.上述塘段无法布置电极，未能实施探测.

3 探测结果

3.1 大地电导率仪

从江边围堤(29K+977～31K+000)检测结果看，在30K+000～30K+397段，垂直激发(VD)和水平激发(HD)两种模式下堤顶中线的电导率均剧烈升高；其余塘段的VD模式电导率也相对较高，判断与其下埋有照明、监控等各类电缆有关.30K+257～30K+297段，电导率极高，最高值超过500mS/s，经现场勘察发现该处设有华数电视无线发射基站，其电流对探测结果影响较大.此外，30K+227～30K+237段，堤顶中线电导率值与前后段相比相对较低，为异常现象.

从乔司三号大堤延伸段(52K+000～52K+877)探测结果看，VD模式下迎水侧、堤顶中线的电导率值均保持稳定，但在背水侧52K+170～52K+260段，电导率值急剧升高.经现场外观检查发现：该塘段附近有一大一小两块液晶显示屏，其下埋有电缆及其它导电体，对探测结果有一定影响.

3.2 探地雷达

本次探测结果显示，200 M雷达天线在江边围堤30K+232桩号内侧发现雷达波异常，且大地电导率仪测得电导率较前后段为低，结合现场勘查及海塘管理人员核实，该处沥青混凝土面层与海塘填土间有脱空，内坡凹进.

100 M雷达天线未发现明显异常.

40 M天线受周围环境干扰较大，探测图谱中多处出现抛物线形波纹，此类波纹反射波同相轴基本连续，波速拟合结果及现场勘查表明为孤立体(可能为电线杆，树或架空电线等)的干扰所致.

乔司三号大堤延伸段52K+800～52K+900段的内、中、外侧40 M雷达图均有条状细抛物线出现，经核实52K+877断面为省管海塘与市管海塘交接塘段，地面构筑物较多造成的雷达波放射所致.

3.3 高密度电阻率法仪

本次海塘隐患探测的江边围堤塘段及乔司三号大堤延伸段均为钱塘江杭州段海塘，探测时段处于钱塘江高潮期.如乔司延伸段，潮水每天均可达到7 m以上的高程，部分塘段甚至越过堤坝防浪墙冲刷堤顶.因此判断海塘地下水位较高，底层电阻率低，表层电阻率高.

探测结果表明：江边围堤的电阻率剖面图总体分层结构较为明显，显示海塘填土质量较为稳定.桩号30K+029处，深约2 m，电阻率较高，结合实地勘察其下埋有混凝土排水管；桩号30K+458处，深4～8 m，电阻率较高，判断堆石较多、土体结构紧密或有其它异常高阻体；桩号30K+163处、桩号30K+792处，深4—6 m，电阻率较低，判断土体较为疏松，含水率较大.

乔司三号大堤延伸段桩号52K+203处和52K+229处、52K+696处，以及52K+756至52K+882塘段，深度4～8 m，电阻率相对较低，判断为土层疏松区；52K+400至52K+492段，塘顶以下6.3 m范围以内有多处电阻率高值区，判断为堤顶塌空及裂缝发育区.

3.4 不同探测方法的综合分析

对比三种方法的探测结果，海塘总体质量较好，仅在江边围堤30K+029处，高密度电阻率法仪显示电阻率异常高，核实为下埋排水管；30K+232桩号内侧探地雷达显示雷达波较弱，同时在该处发现大地电导率仪数值与前后段相比显著降低，结合实地外观勘察沥青混凝土面层下有脱空层.在乔司三号大堤延伸段52K+170～52K+260段，电导率值急剧升高，且该段底层电阻率较低，判断为隐患发育段，但不排除受地下电缆的影响所致.

从江边围堤(29K+977～31K+000)大地电导率仪检测结果看，在30K+000～30K+397段，两种模式下堤顶中线的电导率均剧烈升高，其余塘段的VD模式电导率也相对较高，判断与其下埋有照明、监控等各类电缆有关.经用探地雷达200 M天线横断面复测，清楚地表明了纵向电缆管的存在.30K+257～30K+297段，电导率极高，经现场勘察发现该处设有华数电视无线发射基站，其电流对探测结果影响较大.

从乔司三号大堤延伸段(52K+000～52K+877)大地电导率仪探测结果看，VD模式下迎水侧、堤顶中线的电导率均保持稳定，但在背水侧52K+170～52K+260段，电导率急剧升高.经现场外观检察，采用探地雷达多次在纵、横方向平行布置测线复测，并与高密度电阻率法仪探测结果对比，发现该塘段附近有一大一小两块液晶显示屏；探地雷达探测发现52K+165处附近地下有井管；高密度电阻率法仪探测结果该段4.0 m以下电阻率较低.据此判断与两个因素有关：一是其下埋有电缆或其它导电体；二是底层土体含水量较大.

其余部位大地电导率仪、探地雷达、高密度电阻率法仪探测有若干异常，但未得到其它方法的验证.具体探测结果(见表1、表2)

表1 海塘隐患控测江边围堤塘段探测结果汇总表

表2 海塘隐患探测乔司三号大堤延伸段探测结果汇总表

4 结 语

比较三种设备在海塘隐患探测中的应用，结果显示：探地雷达的探测速度最快，对地下管道的敏感度较高；大地电导率仪的探测速度次之，操作简易，携带方便；高密度电阻率法仪探测速度稍慢，但探测成果的直观性、可辨识性最佳.当然，和其它地球物理探测技术一样，本次探测所采用的三种方法均属于电(磁)法，受附近建(构)筑物，特别是带电体影响较大.且探测的两塘段均位于杭州市区，海塘上附属建筑物较多，路灯、电缆、电子显示屏等用电设备对地球物理探测方法影响较大，给探测工作带来一定困难.如探地雷达的雷达波在不同介质下，受到的干扰差异较大，在土中尤其是含水量较大的土中雷达波衰减较快，导致探测深度急剧降低，另外，雷达图谱的解释是一项经验性很强的工作，同样的图谱，可能对应完全不同的实际情况，即有“一对多”的现象；大地电导率仪的探测结果无法给出剖面图，成果不够直观；高密度电阻率法仪在堤顶硬化区域无法实施操作，塘段表层为混凝土或沥青路面时电极无法插入表层，只能在内侧土坡上进行，导致成果代表性、可解释性较差.以上设备在探测过程中，需结合外观勘察、历史资料，综合做出判断.

地球物理探测技术应用于海塘隐患探测，因影响因素较多，判断主观性、经验性较强，需要综合海塘设计、运行情况，实地环境勘查分析.

探测设备在具体应用中，需要根据具体目的，选择或结合使用.在探测过程中，若发现某塘段异常，应利用几种设备同时进行多次探测，形成交叉数据，确保更有效的探测结果.

海塘隐患探测应不定期进行，汇总每次探测结果，建立数据电子档案，一旦探测数据出现异常，即可重点观察，及时排除隐患.

参考文献：

[1] 吴其斌，任 理.大地电导率仪探查堤坝隐患[J].水利水电技术，1999(2)：26-28.

[2] 杨 磊,周 杨,郭志生.基于雷达散射特征的堤防隐患诊断技术研究[J].水利水电技术，2011(12)：97-100.

[3] 高亚成，冷元宝.高密度电阻率法在堤坝隐患探测中的应用[J].水利水电科技进展，2005(21)：110-111,128.

[4] 汪海滨.高密度电阻率法在堤防隐患探测中的应用[J].浙江水利水电专科学校学报，2010(2)：31-34.

信息启示

2014年度浙江省水利先进适用技术(产品)推介会暨第六届水科技推广论坛在我校顺利举行

10月10日，2014年度浙江省水利先进适用技术(产品)推介会暨第六届水科技推广论坛在我校顺利举行.

陈川厅长一行参观了水利先进适用技术(产品)展览.水利部科技推广中心副主任许平、省水利厅副厅长徐国平、省水利厅总工程师李锐、水院校长叶舟等出席了开幕式.来自水利部、省水利厅、全省70多个县(市、区)的相关领导同志以及省内外参展单位工作人员400余人参加了会议.

叶舟校长致辞.他首先代表水院全体师生员工向大家的到来表示热烈的欢迎，向论坛的召开表示热烈的祝贺.接着，叶校长指出，“五水共治”不仅是对学校办学水平、创新能力的一次大检阅，更是学校长远发展的新契机，学校非常期待通过本次会议加强与来自全省乃至全国水利行业的每个单位、所有与会专家沟通、交流、研讨与合作.

徐国平副厅长讲话指出，举行本次推介会是水利厅深入贯彻省委省政府创新驱动发展战略和“五水共治”重大部署，推进“五水共治”、水利改革的一项重要成果，并从三个方面对本次推介会的召开作出指示，首先要肯定全省水利科技工作取得的显著成效，其次我们要认清形势，提高认识，增强做好水利科技工作的责任感，同时强调，我们要抢抓机遇，乘势而上，推进水利科技工作再上新台阶.

会上，省水利厅总工程师李锐宣读了《第六批农村水利技术(产品)推广目录》，并作题为“促进水利科技进步 服务‘五水共治’大局”的专题报告.

论坛期间，省水利河口研究院总工曾剑、省水利勘测设计院生态水利院马以超院长、清华大学水利水电工程系黄绵松博士等5位专家分别介绍了“水利科技创新服务平台”“水环境综合治理”“堆石混凝土技术”等方面的最新研究成果.4家参展单位作典型技术介绍并与专家互动.

本次推介会得到各水利先进适用技术(产品)拥有单位和生产制造厂商的积极响应，共有75家单位的81个项目参展，涵盖水资源管理、农田水利、防洪减灾、水利信息化等领域.我校在科技处的积极组织和认真筛选下，共有来自水利与环境工程学院、建筑工程学院、机械与汽车工程学院的10个项目获得参展资格.

摘自浙江水利水电学院网