探地雷达法在河道堤防隐患无损探测中的应用

赵相业陈 敏吕 进王林宗

（1.南京市秦淮河河道管理处，江苏南京 210012；2.邳州市水利局，江苏徐州 221300）

1 工程概况

秦淮河流域位于长江下游，江苏省西南部，长宽各约50 km，总面积2631 km2。地形四面环山，中间低平，成一完整的山间盆地。上游有溧水河、句容河两源，两源进入南京，在江宁区西北村汇合为干流，并有云台山河、牛首山河汇入，至东山分为两支。北支过通济门外与护城河会流，有响水河、运粮河、友谊河及南河汇入，绕城南、城西至三汊河入长江，长34 km，设计排洪能力600 m3/s。西支秦淮新河，1978年开挖的秦淮新河起于江宁河定桥上游新老河河口，经雨花台区的铁心桥、西善桥至金胜村入长江，全长16.8 km，设计泄洪流量800 m3/s。多年平均降雨量1027.5 mm，但降水量年际变化大，年内分布也不均匀。由于梅雨期长，雨量集中，面广量大，历次暴雨洪水多在此段时期发生。秦淮河流域源短流急，上中游调蓄能力小，洪水上涨快，洪峰次数多；下游汇入长江，洪水位受下游长江洪水顶托影响；河口已建有水利枢纽，在非汛期水位由人工调度控制。

秦淮河两岸第四系沉积层中的地下水主要为孔隙潜水。勘察期间钻孔地下水稳定水位：上游一般▽6.50 m～▽7.00 m，下游一般▽5.50 m～▽6.50 m。地下水水位变化主要受大气降水和秦淮河水的影响，另外，局部地段生活污水、工业废水的排放对地下水位影响也很大，地下水与秦淮河水有密切的水力联系。地基土的渗透性等级一般为弱透水～中等透水，粉质粘土层主要为微透水～极微透水，局部弱透水。河堤填土的透水性以微透水～极微透水为主，局部压实较差或由粉土构成的堤段渗透性等级可达弱透水。河道工程场地岩性主要为第四系全新统（Q4）沉积，局部有零星分布的新近沉积；凤台桥上游各段为秦淮河古河床漫滩相及高漫滩相沉积，上部第四系全新统地层厚度20 m左右，下部为第四系上更新统（Q3）硬塑状次生或原生粉质粘土、含砾粉质粘土；凤台桥下游至入江口段为长江河床漫滩相沉积，以巨厚的饱和状态淤泥质土、粉质粘土、粉土为主。基底为白垩系上统浦口组（K2p）地层，主要岩性为中粗粒砂岩、粉砂岩等。

本次采取地质雷达法进行隐患无损探测的为秦淮河干流东山桥下游标准堤防段和秦淮新河标准堤防段，总长15.1 km。

2 检测技术方案

2.1 技术标准

检测评估依据技术标准及文件资料如下：

（1）《水利水电工程物探规程》（SL326-2005）；

（2）《雷达法检测建设工程质量技术规程》（DGJ 32/TJ79-2009）；

（3）《钻孔法检测混凝土强度技术规程》（CECS03-2007）；

（4）《Geophysical Survey Systems Inc，inventor GSSI handbook for Radar Inspection of concrete》2006；

（5）《Geophysical Survey Systems Inc，inventor TerraSIRch SIR System-3000 User′s Manual》2005。

2.2 探地雷达工作原理及适用性

地质雷达技术具有探测速度快、采集数据量大、定位准确、操作灵活、可实现连续透视扫描以及二维彩色图像实时显示等独特的优点。我国对地质雷达的研究较早，但在工程中应用相对较迟。20世纪90年代初引进设备后，广泛应用于交通、水利、考古等领域，作为一种无损探测新技术迅速发展，主要应用于对几米到30 m左右深度的探测。

地质雷达是利用高频电磁波，以脉冲形式通过发射天线定向送入地下。雷达电磁波在介质中传播，当遇到存在电性差异的下介质或目标时，会发生反射，返回地面后由接收天线接收。对接收到的雷达波进行分析处理，依据波形、强度、几何形态等因素，来确定地下目标体的性质和状态，如图1所示。

探地雷达是利用电磁波在不同介质中的传播速度不相同的性质，来确定不同的地层结构。该方法适用于喀斯特探测，岩体风化带厚度和卸荷带深度探测，隧道施工超前预报，覆盖层探测，堤坝隐患探测，地下水探测。

图1 雷达工作原理图

探地雷达在江河堤坝检测中的运用，提高了判断堤坝管涌、脱空、裂缝、空洞、坝基结构疏松、含水程度变化等堤坝病害和缺陷的能力，为江河堤坝的质量检测提供了一种高效、便捷的手段。探地雷达检测技术分辨能力强、检测速度快、操作简便、结果直观，根据堤防工程的实际情况，合理选取雷达天线和有效的测量方法，可得到较好的检测效果。由于堤防工程条件的复杂性、隐蔽性及现场检测条件的局限性，选用单一探测方法检测堤防工程时，一般均只对一种物理特性进行描述解释，有时难以得到全面、正确和可靠的信息，因此，针对实际工程可采用多种方法进行检测对比验证，以便作出正确的评价。

2.3 探地雷达设备及技术参数

2.3.1 系统组成

本项目使用的探地雷达探测仪系美国地球物理测量系统公司生产的探地雷达系统（SIR3000）。该系统为便携式单通道探地雷达，探地雷达主机外部主要组件包括：键盘、彩色SVGA显示屏、连接面板、电池插槽、指示灯，可以在屏幕上实时地观测探测资料或者回放显示资料。试验时采用200 MHz或100 MHz天线，天线与主机通过可拆卸插头连接。

2.3.2 技术指标

系统主要技术指标如下：

（1）主机

双通道实时数字采集处理器，操作平台为Windows NT。

通道数：可同时记录2个通道的数据；

分辨率：5 ps；

量程增益：-20～100 dB，自动或用户可选，增益曲线分段可以从1～8进行选择；

扫描速率：2～800次/s扫描可选，具有DSP数据快速采集系统；

时基精度：0.02%；

信噪比：＞ 110 db；

动态范围：120 dB。

记录长度：自动或用户可选，0～8000 ns；

迭加：2～32768 个扫描。

（2）天线

天线类型：兼容屏蔽式或非屏蔽式、连续拖动或点测、地面直接耦合天线。

天线和主机之间用同轴电缆进行数据传输。

（3）软件

图像处理使用美国地球物理测绘公司开发的RADAN 6.5数据分析处理系统。主要进行目标位置修正、消除背景干扰、垂直堆栈等处理，使目标影像清晰，便于解释。

2.3.3 参数设置

为满足探测所达到的深度要求，结合探地雷达的工作目的与任务，本次探地雷达检测天线采用100 MHz天线（即RTA天线），扫描数、采样频率、记录长度等技术参数根据现场试验取得。本次探测数据采集时采样点为1024，增益设置为3点自动增益，记录长度200～250 ns，受堤防地质条件的影响，探测的有效深度约为6～8 m，观测方式采用沿堤防路面连续测量。

在探测不同的水库或堤防时，首先要进行介电常数标定工作。即：根据已知埋深的被测物，采用以上参数进行探测，根据雷达反射的双程旅行时间和深度，反算电磁波在该段堤防或大坝实体中的综合传播速度，进而计算出该地区的介电常数，代入仪器设置中。

2.4 现场工作方法与技术

2.4.1 探测步骤

在所检测的堤段顶部布置1～2条测线。探测时，探地雷达天线底面紧贴坝顶表面，人工拖动天线缓慢前进，接收天线接收反射的信号。外业工作结束后，进行内业数据分析。内业工作首先将外业采集的数据传输到计算机中，再通过探地雷达后处理软件对原始数据进行滤波、去噪、均衡等处理，打印时间剖面图。时间剖面图是用作判读、解释和计算的基本图件。根据处理过的图像，找出电阻明显异常高的区域，确定其位置、形状和大小。

探地雷达探测程序如下：

（1）布置测线。现场可用钢卷尺作为测线，它既是测线，又是位置标示。

（2）将雷达天线与主机连接。

（3）选择测量模式。

（4）进行相关参数设置。

（5）缓慢拖动天线，进行扫描测量。扫描过程中做好位置标记，注意观察采集的图像。

图2 雷达数据处理程序

2.4.2 测线布置

根据检测场地条件，在堤防顶部路面两侧位置布置探地雷达测线2条。检测时，探地雷达天线底面紧贴路面，每10 m打一个标，人工拖动天线缓慢前进。

2.4.3 外业探测与内业分析

本项目内业分析工作主要是对探地雷达数据进行处理与资料解释，数据处理结果直接反映雷达测试工作的成果。数据处理工作包括预处理和后处理两部分。预处理阶段主要采用频率域滤波和多道平滑等方法，目的是提高数据采集质量。后处理部分则是利用美国GSSI公司的RADAN数据处理软件包，首先将外业采集的数据传输到计算机中，再通过探地雷达后处理软件对原始数据进行滤波、去噪、均衡等处理，打印时间剖面图。时间剖面图是用作判读、解释和计算的基本图件，在成图前可能要反复进行滤波、去噪、均衡等处理。几乎每条测线都分为若干测段，每个测段横断面时间剖面图约有3000多个扫描，连续打印有3～4 m长，所以在打印前对经过技术处理的时间剖面图有时还要作抽道处理。通过外业打标和时间剖面图上的节段接缝等特征图象来确定图纸上位置与实际位置的对应关系。

本项目根据现场采集的资料特点，建立基本数据处理流程，即：预处理→数据回放→编辑处理→速度分析→滤波、反褶积→能量均衡→偏移→图形处理→成像显示。

3 探测成果

3.1 典型断面分析

秦淮新河堤防的大部分路段为交通路面，路面由面层、垫层和基层组成，基层及往下基本都由填土组成。堤防良好路段的填土密实性良好，堤防的各建筑结构层介质分布均匀，层位稳定，含水率不高，典型的探地雷达检测剖面如图3所示。

图3为秦淮新河标准堤段桩号12900～13000 m段探地雷达检测剖面。图中x方向坐标表示测线对应的桩号，y方向坐标表示该测线的探测深度，图中伪彩色分别代表不同幅值的电磁波叠加。该段堤防密实性良好，堤防填土的含水率低，土体的介质分布均匀，不存在局部土体富水高、脱空或者不密实等隐患存在。

探地雷达在检测过程中，受外界的干扰影响，会产生特定的异常。本次雷达探测的主要干扰信号是受到空中高压电线或地下通电电缆的影响，电力干扰影响如图4所示。

图4为秦淮新河标准堤段桩号13200～13300 m段探地雷达检测剖面。图中12240～12280 m段显示的弧形异常为电力线干扰所引起，实际该处堤防的填土密实性良好；里程桩号12200～12240 m段堤防填土的含水率相对周围介质比较高，形成局部高富水区，填土的密实性与均匀性相对周围介质较差，为本次堤防探测所发现的隐患区段。因此，电力干扰与隐患异常特征是有很大差异的，在资料的解释中此类异常特征应排除。

图5为秦淮新河标准堤段（左岸）桩号12800～12900 m段探地雷达检测剖面。图中显示的介质松散区异常特征与周围介质存在明显的差别。松散区异常特征的形成与介质的孔隙率和含水率有关，堤防填土在河水侵蚀和雨水入渗的作用下，土体中的细小颗粒物被水携带走，形成高孔隙率、高富水土体，经过时间的推移，松散区的范围将会进一步发展扩大。

唐门？闻听对方此言，青辰便是一愣。这两个字，他觉得非常熟悉，似乎从哪里见到过，他在脑中搜索，然而一时间却又想不起来。又听对方直呼“骨羽大师”之名，心中更是惊奇，师父在族中地位特殊，族人皆以“天师”敬称，是以极少有人知道姓名，面前这蜘蛛精，何以知晓？

图6是秦淮新河标准堤防段（左岸）桩号13500～13600 m段探地雷达检测剖面。图中白色虚线范围内的异常区为堤防存在的规模较大的松散区，长度约50 m，异常区土体的孔隙率高，松散，密室性较差。

图3 秦淮河标准堤段堤防良好段探地雷达探测剖面

图4 秦淮新河标准堤电力线干扰与隐患异常雷达异常特征对比图

图5 标准堤防段（左岸）异常特征图

图6 标准堤防段（左岸）异常特征图

图7是秦淮河北大桥至上坊门桥（左岸）桩号2200～2300 m段堤防探地雷达检测剖面。检测结果显示，堤防结构层相对稳定，但桩号2210～2270 m段堤防路面下方土体含水率相对于其它区段较高，土体富水。

图8是秦淮河上坊门桥至绕城公路桥（左岸）桩号4370～4470 m段堤防探地雷达检测剖面。检测结果显示，在桩号4370～4390 m段堤防下方存在松散异常，松散区与地面存在渗水通道，该处堤防土体孔隙率高，土体的密室性差。

图9是秦淮河上坊门桥至绕城公路桥（右岸）桩号5220～5270 m段堤防探地雷达检测剖面。检测结果显示，在桩号5230～5255 m段堤防下方存在松散异常，松散区雷达波同相轴紊乱，连续性较差，与周围介质稳定的雷达波形特征存在明显的差别。

图10是草场门桥～清凉门桥（左岸）里程桩号19300～19400 m段堤防探地雷达检测剖面。检测结果显示，桩号19350～19400 m段堤防路面下方土体含水率高，根据雷达波同相轴不一致和排列紊乱，推断该富水段堤防路面下方土体局部呈松散状，密实性相对于周围土体较差。

图7 秦淮河北大桥至上坊门桥（左岸）异常特征图

图9 上坊门桥至绕城公路桥（右岸）异常特征图

图10 草场门桥至清凉门大桥（左岸）异常特征图

3.2 堤防隐患分类

基于探测的结果分析，秦淮新河段堤防的主要隐患为：部分堤段堤防填土层出现松散区。松散区的形成原因是：水携带走了填土中的细颗粒介质，形成高孔隙率土体，当隐患区土体饱水时，形成相对于周围介质高介电性的富水带；当隐患区土体不含水时，形成相对于周围介质低介电性松散带，甚至是脱空。隐患的外在表现为：局部堤防段路面出现裂缝或者沉降。

秦淮河段堤防存在的隐患主要为：部分堤段堤防填土层出现松散区，堤防下方局部土体孔隙率高、富水，当隐患土体饱水时，形成相对于周围介质高介电性的富水带；当土体含水率低时，形成相对于周围介质低介电性松散带。

4 结论与思考

4.1 物探小结

秦淮河与秦淮新河堤防的大部分路段为交通路面，路面由面层、垫层和基层组成，基层及往下基本都由填土组成。堤防良好路段的填土密实性良好，堤防的各建筑结构层介质分布均匀，层位稳定，含水率不高。所检测区域主要隐患缺陷有：

（1）堤防填土层出现松散区，松散区的形成原因是：水携带走了填土中的细颗粒介质，形成高孔隙率土体，当隐患区土体饱水时，形成相对于周围介质高介电性的富水带；当隐患区土体不含水时，形成相对于周围介质低介电性松散带，甚至是脱空。

（2）堤防路面下方的填土层局部存在一些松散区，松散区的密实性较差，对堤防的稳定性有一定的影响；同时，堤防路面下方的填土层局部存在一些高富水区，高富水区的填土孔隙率高，水的流动性会导致填土层的水土流失，随着时间的推移，逐步发展成松散区，对堤防的稳定性有一定的影响。

4.2 工作展望与建议

目前，堤防隐患无损探测技术已取得了重大进展，在防洪工程管理、维修与加固工作中正发挥着重要作用，但现有技术尚不能完全满足工程需要，需进一步提高完善：

（1）从堤防出险情况看，除堤身出险外，很多是由不良堤基引起的。因此，隐患探测工作除针对堤身外还要兼顾堤防及坝岸基础，这就决定了隐患探测工作不可能采用单一的仪器及方法解决问题，其发展方向应该是基于电法、电磁法、弹性波法等联合诊断的综合物探技术。

（2）目前用于隐患无损探测的国内外仪器多为数据采集型仪器，探测工作的周期相对较长，而且对探测人员的专业技术水平要求较高，不利于在河道管理部门推广使用。新一代堤防隐患探测仪器要求操作非常简便，在进行数据采集时具备适时数据处理功能，可视化程度较高。随着研究工作的不断深入，可对专业技术人员的探测工作进行统计、总结，建立专家分析支持系统，以便及时、准确地判断隐患。

（3）对于堤防工程存在的隐患，可采用探测与监测相结合的方式，并逐步将隐患探测与监测资料录入“堤防管理地理信息系统”和“防洪决策支持系统”，更好地为防洪减灾服务。

（4）查明堤身隐患后，应针对隐患类型和范围提出加固措施。对于填土松散或表层脱空的区域，如：绕城公路桥～秦淮河大桥（左、右岸）部分桩号区域，可采用灌浆法充填堵塞各类脱空和松散体，在所灌浆液中掺入适量有毒药物还可起到毒杀有害兽蚁的功效，但要防止污染水源。对于填土富水的区域，如：上坊门桥至绕城公路大桥（左岸）部分桩号、秦淮河北大桥至上坊门桥（右岸）部分桩号区域，可在背水堤脚附近挖排渗沟或增打减压井，改善排水条件。属于隐患严重的堤段，如：东山桥至秦淮河北大桥（左岸），可结合堤防整治工程，翻修加固堤身，加大堤防断面，放缓堤坡，增设防渗截渗措施等。