杭州市西险大塘安全隐患探测与分析

2019-07-27 02:41翁俊诚陈光耀
浙江水利科技 2019年4期
关键词:雷波探地剖面

翁俊诚 ,苏 全, 陈光耀

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 工程概况

西险大塘位于东苕溪的右岸大堤,是杭州市北部一道重要的防洪屏障,历来是重要的一项水利工程,因位于杭州之西,堤塘险要,故称西险大塘。西险大塘是杭州市城市防洪和杭嘉湖平原的安全屏障。作为历史悠久的土堤,且经逐年加高,堤身内还埋有墓葬、瓦窑,夹有树根残叶或砂层,并有严重的堤身蚁患,在长期的运行中曾发现较多的渗漏甚至毁损现象。1996 — 2007年,曾对全线进行过以套井回填黏土为主的防渗处理,但仍存在(不均匀)沉降过大、渗漏等险工险段。究其本质原因,主要是堤身堤基内部存在介质异常、白蚁活动和交叉建筑物连接等问题。

在经济飞速发展的当今社会,钻孔检测等方法对建筑本身破坏性大,无损检测越来越为人们所接受。探地雷达作为无损检测中的一种重要手段,具有速度快、精度高、可以获得连续结果,探测效率高,对探测场地和目标无破坏性,探测资料具有较高的分辨率和较强的抗干扰能力等特点,在无损探测中具有独特的优势,近些年越来越多地被运用在水利工程隐患探测方面。瑞雷波法也是一种快速、无损、经济的原位检测方法,与钻孔取样法相比具有检测量大、面广、检测成果具有较强的代表性的优点。在多层介质中,瑞雷波具有明显的频散特性,瑞雷波沿地面表层传播,影响表层的深度约一个波长,不同波长的瑞雷波的传播特性反映看不同深度的地质情况。

在K17+700 ~ K18+000 m(羊山)堤段的堤顶展开探地雷达法、瑞雷波法探测及钻空取样验证,主要就堤顶下约10 m深度范围内的介质结构及均匀性情况进行分析。

2 探测原理与方法技术

2.1 探测原理

2.1.1 探地雷达法

探地雷达是利用高频电磁波(主频10 ~ 103 MHz)以宽频带短脉冲形式,由地面通过发射天线T送入地下,经地下地层或目标体反射后返回地面,为接收天线R所接收。当地下介质的波速V(m/ns)已知时,可根据测得的脉冲波旅行时t(ns),求出反射体的深度h(m)。电磁波在介质中传播时,其电磁波强度与波形将随所通过介质的电性及几何形态而变化。因此,根据接收到波的旅行时间(亦称双程走时)、幅度及波形资料,可推断介质性质及分布结构。电磁波传播的速度可由近似算出(当介质的导电率很低时),其中C为光速(C = 0.3 m/ns),εr为地下介质的相对介电常数值。后者可利用已知值或测量获得。在实际探测中,一般可利用已知目标体的反射时间求取,或根据钻孔揭示层位进行标定,也可以结合其它探测方法综合确定。

2.1.2 瑞雷波法

瑞雷波是由弹性波的干涉而产生于分界面处,并沿界面传播的一种弹性波。它具有以下特性:①波在自由表面附近传播时,质点在波传播方向的垂直面内振动,振幅随深度呈指数函数急剧衰减,质点的振动轨迹在波的传播方向的铅垂面内作顺时针或逆时针的椭圆运动;②波的水平和垂直振幅从弹性介质的表面向内部呈指数函数急剧衰减,大部分能量损失在1/2波长的深度范围内,说明某一波长的波速主要与深度小于1/2波长的地层物性有关;③在多层介质中,瑞雷波具有明显的频散特性,它沿地面表层传播,影响表层的深度约一个波长,不同波长瑞雷波的传播特性反映不同深度的地质情况。其速度值的大小与介质的物理特性有关,由此可对岩土的物理性质做出评价。在实际工作中,利用瑞雷波处理软件对现场所记录的多道瞬态瑞雷波信号在时间域开窗提取和F - K域进行瑞雷波提取,把各个频率的瑞雷波分离出来,从而获得瑞雷波波速随深度变化曲线即瑞雷波频散曲线。通过分析每个测点的频散曲线便可了解不同位置的介质均匀性和密实度等情况。

根据探测结果的特征点和异常点,在大坝坝顶布置验证钻孔1个,在背水面布置钻孔1个。同时结合原有地质资料对探测结果进行分析,得出探测结论。

2.2 工作方法

2.2.1 测线(点)设置

本次探地雷达法探测为桩号K17+700 ~ K18+000 m(羊山)堤段。 瑞雷波法探测3个测点分别设置于探地雷达法测线上(见表1)。

表 1 测线(点)设置一览表

2.2.2 参数选择

(1)探地雷达法参数选择。本次数据采集采用探地雷达法的主要采集参数如下:

记录长度:T = 300.0 ns和600.0 ns;采样间隔:dt = 0.8 ns和1.6 ns;道间距:dx = 0. 25 m;天线间距:L = 2.0 m和1.0 m;天线频率:f = 50 MHz和100 MHz;脉冲电压:1 000 V;叠加次数:N = 64次。

(2)瑞雷波法参数选择。在本次探测过程中,采用的道间距为1.0 m,偏移距为5.0,10.0 m。在实测工作中,把检波器对称埋置在探测点两侧,震源点和检波器排列在一条直线上,排列方向为顺堤顶中心线方向。仪器参数选择:采集道数24道,全通滤波方式,采样间隔为0.50 ms,采样点数为2 048个,震源采用24磅大铁锤加铁垫板激震,检波器频率为4 Hz。

3 探测资料分析及综合解释

3.1 探测资料分析

3.1.1 羊山堤段雷达探测资料分析

根据羊山堤段(桩号K17+700 ~ K18+000 m)雷达探测的反射波特征可见:雷达剖面见图1 ~ 4。由图1 ~ 4可见,在背水和迎水面剖面上均存在2处相对应的异常(即异常Ⅰ和Ⅱ),不管是50 MHz还是100 MHz均有显示,异常Ⅰ背水和迎水面剖面桩号范围分别为K17+705 ~ K17+745 m和K17+702 ~ K17+735 m,深度范围为3.0 ~ 6.0 m,推断为堤坝内部松散体;异常Ⅱ背水和迎水面剖面桩号范围分别为K17+830 ~ K17+900 m 和 K17+835 ~ K17+895 m,深度范围为3.0 ~ 5.0 m,推断堤坝内部松散体。在背水面剖面上存在1处局部异常(即异常Ⅲ),不管是50 MHz还是100 MHz均有显示,桩号范围为K17+945 ~ K17+965 m,深度范围为2.0 ~ 4.0 m,推断为堤坝内部松散和脱空体。

图 1 羊山 K17+700 ~ K18+000 m 段背水面 50 MHz 剖面图

图 2 羊山 K17+700 ~ K18+000 m 段背水面 100 MHz 剖面图

图 3 羊山 K17+700 ~ K18+000 m 段迎水面 50 MHz 剖面图

图 4 羊山 K17+700 ~ K18+000 m 段迎水面 100 MHz 剖面图

3.1.2 羊山堤段瑞雷波探测资料分析

羊山K17+700 ~ K18+000 m段各测点瑞雷波频散曲线见图 5 ~ 7。

(1)K17+720 m背水面测点。由图5可见,埋深1.6 ~ 2.0 m异常,介质软弱、松散、密实性差,剪切波速度为129.49 m/s。埋深3.0 ~ 3.4 m异常,介质软弱、松散、密实性差,剪切波速度为142.05 m/s。埋深4.1 ~ 4.8 m异常,介质软弱、松散、密实性差,剪切波速度为146.78 m/s。埋深5.8 ~ 6.6 m异常,介质软弱、松散、密实性差,剪切波速度为128.21 m/s。埋深7.6 ~ 8.6 m异常,介质软弱、松散、密实性差,剪切波速度为91.02 m/s。

(2) K17+808 m背水面测点。由图6可见,各层介质未见明显异常,剪切波速度正常。

(3) K17+885 m背水面测点。由图7可见,埋深2.8 ~3.3 m异常,介质不均匀、偏软、密实性稍差,剪切波速度为154.91 m/s。埋深4.2 ~ 4.9 m异常,介质不均匀、偏软、密实性稍差,剪切波速度为169.27 m/s。

图 5 羊山段 K17+720 m 背水面测图

图 6 羊山段 K17+808 m 背水面测图

图 7 羊山段 K17+885 m 背水面测图

3.2 综合解释结果

羊山堤段综合雷达和瑞雷波探测资料分析认为:①背水和迎水面剖面桩号K17+705 ~ K17+745 m和K17+702 ~K17+735 m,深度范围为3.0 ~ 6.0 m内介质松散。背水和迎水面剖面桩号K17+830 ~ K17+900 m和K17+835 ~ K17+895 m,深度范围为3.0 ~ 5.0 m内介质松散。背水面剖面桩号K17+945 ~ K17+965 m,深度范围为2.0 ~ 4.0 m内介质松散和脱空体。在探地雷达图像上,深度7.0 ~ 10.0 m处等间隔出现的异常是路灯所引起的反映。②K17+720 m背水面测点埋深1.6 ~ 8.6 m异常,介质软弱、松散、密实性差。K17+808 m背水面测点各层介质未见明显异常。K17+885 m背水面测点埋深2.8 ~ 4.9 m异常,介质不均匀、偏软、密实性稍差。

4 羊山钻孔验证结果与分析

羊山物探异常区钻孔验证结果见表2。由表2可见:①在桩号K17+720 m处的5个深度分别取样,其中7号试样所在层位碎石较多,无法完成取样。剩余的4个深度,每个深度分别取2个试样,进行土的密度试验和渗透试验,干密度大小在1.57 ~ 1.61 g/cm3,渗透系数除6号试样外,其余3组试样渗透系数都在10-4以下,相对较低,透水性较差,而6号试样在3.2 ~ 3.4 m,这刚好落在雷达剖面中所反映的异常3.0 ~ 6.0 m的范围内。②4个试件所在层位的剪切波速度大小与它们的平均干密度大小呈正相关,即介质干密度值随着剪切波速度增大而增大。

表 2 羊山物探异常区钻孔验证结果

5 结论与建议

通过应用探地雷达法技术对西险大塘羊山典型路段可能存在的隐患进行排查,初步发现一些影响堤防安全的隐患异常,瑞雷波法检测结果与探地雷达检测结果基本一致,说明采用探地雷达法进行堤防隐患探查具有较高的可靠性。

在各测试段范围内,局部存在有相对松散不均匀土体,反应在探地雷达测试剖面上的反射波组的对应位置同相轴变化复杂,呈现错位、缺失、不连续等现象。

探地雷达法探测具有灵活、快捷、准确、分辨率高、受场地条件约束小等特点,能满足对堤防进行定期安全检测的要求,可在我国水利工程中推广应用。

钻孔验证的结果也与探地雷达法与瑞雷波法的探测结果基本一致,再次证明探地雷达法与瑞雷波法的技术与经济优势十分明显,这2种方法在工程隐患探测中具有快速、方便、无损、经济、准确等特点,具有广泛的应用前景。

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