地质雷达探测水下抛石的试验研究

陈功翔

(江西省建洪工程监理咨询有限公司，南昌 330000)

1 工程背景

南昌市瓜洲联圩位于南昌经济技术开发区白水湖管理处中联村、瓜洲村、南坊村及黄堂村，现保护面积26km2、耕地800余hm2、人口1万余人，是赣江支流的重要外洪圩堤。该联圩连接中联堤、瓜洲堤、汝罗湖堤而成，从双西路堤至汝罗湖电排站，总长7083m。现状中联堤、瓜洲堤、汝罗湖堤的防洪能力约为5-8a一遇。长期以来，受水土流失及非法河道采砂影响，堤段渗漏严重，圩堤基础单薄，不能满足现有防洪要求，必须进行加固处理。

瓜洲联圩加固工程水下抛石工程量为6180.11m3，选用200t甲板驳船3艘，运输能力完全能够保证施工需要。抛石施工受水位、流量、流速、流向、冲距、航运等因素的影响，为了保证抛投块石的进度和质量，拟采用1艘500t定位船分区分段进行网格抛投，根据施工现场的条件，将块石用驳船运至施工现场抛投水域范围后采用人工抛投，由专职施工人员进行抛投指挥，同时加强安全施工。

2 试验基本情况

2.1 抛投网格布置

采用GPS全球定位测量系统及海洋成图软件对抛石区水下地形测量后，绘制出水下原始地形图，其水下断面测量的比例为1∶200，沿地轴线方面20m测量一横断面，测点的水平间距控制在5m内。根据测量成果对抛投区进行划档分格，绘制测区抛投网络图，抛石网络拟采用10m×10m的小网格比较合适。且能够满足一次性抛投到位的要求。局部岸线不顺直的地方采用变网格，但其网格大小不能超过20m×10m，各网格的抛投量根据图纸按网格上下断面方向的平均值求得按抛投断面计算出每个抛投测区的抛石数量，并对测区进行统一编号。

2.2 数据采集设备

为进行不同类型地质雷达探测能力的比较，本试验采用美国SIR-2型和加拿大EKKO-110型两种地质雷达在相同试验剖面和测试区域进行对比试验，并保证天线频率范围与采集参数一致。上述两种地质雷达天线中心频率均为100MHz，脉冲宽度为20ns，脉冲幅度150V，其在岩土内分辨深度最小值可达厘米级，穿透深度最大达20m，动态范围达145dB。

此外还需配备的测量仪器包括经纬仪、GPS、全站仪、回声仪、流速仪、测绳、皮尺、标旗等；定位器材；500t定位驳船1艘、200t驳船3艘、200t拖船1艘、铁锚、钢丝绳、铰车等；安全设备；救生圈、救生衣、导航标、灯、扩音喇叭等和其他一些必需设施。

2.3 探测方法

本试验采用等间距点测与连续测量剖面法，点测间距0.2m，64次叠加；连续测量剖面水平向采样密度50点/m[1]。将地质雷达探测天线绝缘处理并与水体直接耦合，在施测小船的拖动下实施水上采集。根据施测深度，采样长度设定为200ns、400ns、600ns、800ns、1000ns。

3 试验过程及结果

3.1 试验数据处理

考虑到地质雷达通常通过反射剖面法进行数据采集，雷达波在传播过程中会受到多种因素干扰，为增强有用信号、抑制异常干扰信号，必须通过数据处理过程进行数字滤波及增益调整。滤波处理包括时间域滤波、空间域滤波、二位滤波等方式。因雷达检测信号随时间的延长而减弱，必须对较弱信号施加增益函数以增强信号强度，除常规的AGC自动增益、SEC线性指数增益、固定增益等操作外，本试验还增加了拟地震数据增益处理，以增强试验效果。

雷达数据分析以常见介质物性参数为基础，详见表1，根据雷达波传播速度及所观测到的传播时间等进行水下介质深度、厚度等的测算，公式如下：

h=vt

(1)

式中：h为水下介质厚度，m；v为雷达波在水下介质中的传播速度，m/ns；t为雷达波在水下介质中的传播时间，s。

表1 常见介质物性参数统计

地质雷达测量以电磁波在不同介质中的传播速度为基本参量，传播速度取值的准确程度决定着测距、水下介质厚度等参数的准确性。本试验区上层为江水，对于此类低损耗地层，雷达波传播速度可表示为：

(2)

式中：c为光传播速度，cm/ns，取30cm/ns；ε′为介质复杂电常数纯数，江水取80，水中抛石堆取70。则可得出本试验区江水介质中雷达波传播速度为3.3cm/ns；水中抛石堆介质中雷达波传播速度为4.0cm/ns。

3.2 试验结果及评价

1#测区测线长25m，与测岸相距4.0m，探测水深2.8-6.5m，SIR-2地质雷达和EKKO-110型地质雷达采集结果均显示，水底界面清晰，抛石上层存在薄层淤泥，且抛石厚度1.8-2.2m，与周围介质相比，抛石堆反射波频率较高，且陡峭边坡抛石体绕射波存在杂乱反射，厚度均匀，河床中部抛石脱节，抛石堆绕射波与河床顶面探测波存在明显分界，水下抛石形态及数量与设计技术要求基本相符。2#测区测线长100m，与测岸相距4.0m，探测水深1.5-5.5m，抛石堆厚度0.5-2.0m，雷达波探测结果显示抛石堆顶面存在较大起伏，且局部淤泥层厚度较大，分布不均，部分区域存在淤泥分层。3#测区测线长100m，与测岸距离6.0m，探测水深3.0-5.7m，抛石堆厚度0.5-2.5m，抛石堆顶面起伏较大，且局部覆盖淤泥，存在不均匀抛石间断区域。

本次均匀水体介质试验结果显示，雷达波波形稳定、振幅均匀，频谱范围窄，有较高的分辨率，穿透力逐渐减弱；而雷达波在水下抛石堆介质中的传播波形存在明显绕射，振幅不均，穿透能力强，相位连续；在水下抛石较少的淤泥区，雷达波波形顶部绕射减少，频谱成分分化，相位吸收强；淤泥覆盖充填抛石区域，雷达波波形振幅大，频率低，相位连续且密度低。以上地质雷达时间剖面特征并非独立出现，而是几种特征同时存在，需要试验人员根据区域地质条件及丰富的实践经验，去伪存真，获取更为准确的试验信息。

本次试验结果表明，地质雷达在水下抛石方面的探测切实可行，且较少受季节的影响，但必须确保雷达天线防水与绝缘。频率100MHz的探测天线所探测水深可达6.0m，探测结果所显示的水下淤泥、抛石、河床等界面、形态分辨清晰且定量解释科学合理；若水深超过6.0m，则SIR-2和EKKO-110型地质雷达频率100MHz的探测天线均仅能反映出水下抛石堆顶面形态，底界面模糊无法分辨。在实际探测过程中，必须权衡考虑并处理好分辨率与探测深度的关系，并通过探测设备下潜等方式突破探测深度局限。随着介质介电常数的增大，雷达波在介质中的传播速度越低，所以探测目标的分辨能力主要受介质界面两侧介电常数差异的影响，不同介质介电常数存在较大差别，雷达波传播速度与频率也不尽相同，差异越大，则界面越容易分辨，所以，通过绕射波形态及传播速度的变化进行水下抛石堆厚度的雷达探测及定性定量解释切实可行。

4 结 论

本试验所采用的等间距点测与连续测量剖面法工作强度大，对数据处理要求较高，但探测速度快，结论准确度高，成果图界面分层清晰；SIR-2和EKKO-110型地质雷达对测试环境无较高要求，测试过程受外界干扰不大，是当前江河堤防工程中较为理想的水下抛石探测方法，本次试验基本达到了水下抛石地质雷达探测试验目的，试验过程和结果可为南昌市瓜洲联圩圩堤加固水下抛石施工提供借鉴指导。