综合物探法在城市堤防渗漏隐患探测中的应用*

(1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210024；2.河海大学力学与材料学院，江苏 南京 211100)

近些年来，我国的城市建设得到了空前的发展，完成了大批的基础建设项目。城市的地位愈发重要，对城市防洪能力的要求也越来越高。堤防作为一种长期的防洪措施是防洪体系的重要组成部分，城市防洪主要依靠城市内河道两岸的堤防，堤防对城市防洪的重要性不言而喻。

我国许多重要城市，尤其是其老城区内的堤防建设年代久远，大多数为早期人工填筑或在老堤防基础上除险加高而成，堤身密实度低，加之服役时间长，堤身存在洞穴、裂缝、软弱松散体等病害，严重破坏了堤防结构。近些年我国遭受的洪涝灾害明显增多，当堤防高水位运行时，在其薄弱环节极易产生渗漏、管涌、滑坡等险情，对城市的防洪安全构成了极大的威胁，对这些堤防进行全线隐患检测和排查是一项急迫重要的任务。

堤防隐患探测采用的主要方法有高密度电法、瞬变电磁法、探地雷达法、瞬态面波法、浅层地震法、自然电场法、示踪法等，经过许多研究者的实际应用，认为效果较好的是高密度电法、探地雷达法、瞬变电磁法、瞬态面波法[1-2]，这些方法各具优势，适用于不同的隐患类型和场地条件[3]。

对于城市堤防，其主要的病害类型是渗漏[4]，渗漏会导致土体含水率升高，进而使土体电阻率降低[5]，利用高密度电法，通过探测堤防土体电阻率值的分布差异来检测堤防渗漏具有良好的物理基础。很多城市堤防处于人口、建筑密集的区域，场地内干扰物较多，地下结构和管线分布较复杂，这会影响到物探测线的布置和探测的准确度，而探地雷达具有操作灵活、速度快、精度高的特点，适用于城市堤防隐患探测，考虑到城市堤防所处环境的复杂性，采用单一的物探方法可能会产生较大的误差，本文采用高密度电法和探地雷达法结合的综合物探法对城市堤防隐患进行探测，两种方法相互补充、相互参照，为城市内堤防隐患探测的研究提供新思路。

城市堤防所处的物探环境较为复杂，目前对于城市内堤防隐患探测的研究文献极少，但在非城市堤防隐患探测方面，我国学者开展了一系列理论和试验研究。底青云等[6]将高密度直流电阻率法用于珠海堤坝隐患探测，曾提等[7]对利用地质雷达探测堤坝隐患的有效性进行了研究，冷元宝[8]进行了大量的堤防探测工作与开挖验证对比，总结出一系列宝贵的经验公式。陈勇[9]采用综合物探法对堤坝的渗漏通道进行了探测，取得了良好的效果。陆俊等[10]利用综合物探法对大泉水库堤坝白蚁隐患进行了探测，成功探明了白蚁巢穴的位置和埋深。葛双成[11]等利用高密度电法和探地雷达法对水库的渗漏隐患进行了成功探测。

1 工作原理

高密度电法是人工向地下施加稳定直流电场，研究地下介质电阻率在空间上的分布特点和变化规律的一种物理勘探方法，可达到探明地下构造和地下电性不均匀体的目的。

如图1所示，A、B为供电电极，M、N为测量电极，供电电极输入电流I，根据两个异性点电流源的电流场分布特征，由叠加原理可得到M、N两点的电势，进而求出两点的电位差:

(1)

由此可求得电阻率：

(2)

图1 高密度电法工作原理

高密度电法集剖面和测深于一体，在断面以一定极距布置多个电极，利用电缆将电极与程控式多路电极转换开关连接，之后可自动记录采集数据，通过微机工程电测仪将数据信息导入计算机，通过数据和正反演处理，得出断面视电阻率剖面图、等值线图等结果，可以直观地反映除地下岩土体不同电性的分布特征。

探地雷达法是由发射天线向地下发射高频电磁波，利用地下介质对电磁波的不同反应来分辨地下介质特征的一种探测技术。当电磁波在地下传播时，介质的属性、电性、形状变化会导致电磁波的频率、振幅、相位等频谱参数产生变化并产生反射，由接收天线接收，通过识别雷达波所产生的波形参数变化，达到对地下目标体探测的目的。

当堤防土体较密实均匀时，雷达反射波同相轴连续，波形稳定，频率均一，振幅一致性较好。当堤身存在异常缺陷，如渗漏时，缺陷位置的雷达波将和周围产生明显差异，如同相轴不连续，出现散射和绕射等杂波，波形杂乱无序，振幅变强，频率变低，多次反射等。

2 现场试验

南河右岸堤防为土质堤防，因建设年代久远，数据资料匮乏，堤顶高程约11.0m，堤后小区进出路面高程8.4～10.5m，堤顶被办公用房和围墙分割为块状区域，迎水面为混凝土护坡，背水坡被削坡处理，坡面改造成直立挡墙，堤防断面极不规整。堤防附近地下市政雨污管路、电缆信号线路密集，复杂的地形使得物探测线难以合理布置，干扰源多加大了对探测结果的解读难度。堤防平面布置见图2。

图2 测线平面布置

通过地质勘查知，堤防所在场地地层由上至下分为：ⓐ素填土，主要由黏性土组成，层厚2.4～7.2m；ⓑ淤泥质土，主要为淤泥质重粉质壤土，层厚14.60～18.50m；ⓒ含细粒土砂，夹粉土、淤泥质土薄层。该层未揭穿，最大可见厚度26.60m。

在详细查勘现场地形和熟知物探方法的基础上，利用高密度电法对渗漏低阻的高敏感性和探地雷达法操作灵活、精度高的优点，通过综合物探技术对该段堤防进行渗漏隐患探测，两种方法相互补充，以提高探测结果的准确性，重点探测堤段为K0+000～K0+100。

3 探 测

3.1 测线布置

3.1.1 高密度电法

在堤防背水侧直立挡墙与小区进出道路之间的狭长人行道上布置一条测线(0号测线)，平行堤轴线。测线起始桩号为K0+000～K0+160，电极阵列方式为温纳排列，电极距为2.0m。

3.1.2 探地雷达法

因堤顶办公区内围墙间隔，此次雷达测线布置分为两个区段：办公管理区段(南区)和篮球场段(北区)。分别在南、北区堤顶布置纵向测线，共4条测线，编号为1～4号，测线布置特性见下表，平面布置见图2，现场仪器布设情况见图3。

综合物探法测线布置特性表

图3 仪器布置

3.2 探测结果

高密度电法选择温纳装置，采用RES2DINV反演软件进行数据分析，反演方法采用标准高斯-牛顿最小二乘法，对最小二乘法的模型修改矢量进行圆滑约束，并减小数据噪声敏感性，以提高堤防视电阻率的计算精度，得出堤防土体视电阻率分布的反演二维剖面图(见图4)，横轴为桩号，纵轴为高程，南河水位约为7.0m。

由图4可看出，探测范围内土体电阻率整体成层性较差，视电阻率等值线梯度变化较大，可见堤身及堤基土体整体均匀性差。地面下1.5m范围内整体呈现为高阻带，存在小范围高阻闭合圈，未见明显低阻，主要因该层为道路和路基，介质压实度较高，含水量小。经验证，地表K0+088～K0+100段的两处小范围的高阻闭合圈为地下管道。

在堤防浸润线以下，高程0～7.0m，主要为少量素填土和淤泥质土，共存在三处较为明显的低阻异常区：ⓐK0+022～K0+042，高程1.0～6.1m；ⓑK0+050～K0+062，高程2.0～5.5m；ⓒK0+068～K0+081，高程0.0～5.5m。

其中K0+022～K0+042段土体视电阻率值在5～9Ω·m之间，视电阻率值较低，说明该区域土体含水量较高。K0+050～K0+060段土体视电阻率值在2～5Ω·m之间，视电阻率值低，土体含水量高，可能存在渗漏。K0+070～K0+081段土体视电阻率值相对最低，1～5Ω·m之间，形成规则的低阻闭合圈，现场查勘路面冒水位置处于K0+074，故推断该处存在渗漏。

图4 0号测线反演视电阻率剖面

对1～4号堤顶雷达测线数据进行处理分析，得出雷达典型特征波形图(见图5～图8)。由1号和3号测线雷达图像可看出，堤身素填土和堤基淤泥质土的分界反射面较为明晰，K0+034～K0+044段堤顶向下2.0～6.0m范围内雷达反射波强度增大，波形紊乱，振幅增强，与其他区段形成明显的电性差异，推断该区域土体富水。图7中，2号测线表明在桩号K0+022～K0+029段深度6.0～12.5m、桩号K0+034～K0+044段深度6.0～13.5m范围内，雷达反射波强度增大，波形紊乱，振幅增强，形成明显差异，推断该处土体富水。三条测线结果一致性较好，与0号测线K0+022～K0+042段的低阻异常区水平位置基本吻合。

图5 1号测线雷达波形

图6 3号测线雷达波形

图7 2号测线反演视电阻率剖面

图8 4号测线反演视电阻率剖面

由图8可知，4号测线表明在桩号K0+056～K0+060段深度5.0～11.0m以及桩号K0+065～K0+068深度6.0～12.5m范围内，雷达反射波增强，振幅增大，推断该处土体含水率相对偏高，与0号测线桩号K0+050～K0+060处的低阻异常区水平位置基本吻合。

通过对0～4号测线探测结果的综合分析，推断堤防渗漏隐患位置为：ⓐK0+022～K0+044，高程-2～9.6m；ⓑK0+050～K0+060，高程0.5～6.5m；ⓒK0+070～K0+081，高程0.0～5.5m。在之后的防渗处理中，采用钻孔的方式对渗漏区域进行了验证，结果和探测结论基本一致。

4 结 论

采用高密度电法和探地雷达法的综合物探技术对处于复杂物探环境下的城市堤防进行了渗流隐患探测，结合地勘资料和现场险情的表现特征，基本查明了渗漏隐患的位置、范围和埋深，为堤防的防渗处理提供了重要依据。

a.高密度电法可以较好地反映堤防水平和垂直方向的电性分布，对低电阻率异常具有高敏感性，对探测土堤渗漏隐患具有较好的效果，探测数据丰富、抗干扰能力强，结果直观，便于资料解读，但仪器布设易受场地的限制。

b.探地雷达法具有探测速度快、操作灵活、探测精度高的特点，可采用不同类型的天线对不同埋深的目标体进行有效识别，适用于复杂地质和地形条件下的城市堤防隐患探测。

c.对于复杂环境下的城市堤防，根据各物探方法的原理和试用条件，采用综合物探技术可以相互补充、相互参照，克服单一方法的局限性，较大消除资料解读的多解性，结合地质资料，必要时钻孔验证，可大大提高隐患探测的准确性，是城市堤防渗漏隐患探测的一种有效方法。