综合物探方法在钱塘江海塘根石探测中的应用

胡振华，沈 捷，王 军，黄立勇

(1.浙江省钱塘江流域中心，浙江 杭州 310005；2.浙江省工程物探勘察设计院有限公司，浙江 杭州 310005)

海塘工程是钱塘江河口地区防洪御潮的重要屏障之一，至今已有400年历史。古海塘在钱塘江南北两岸均有分布，主要位于海宁市、海盐县以及杭州市萧山区境内。古海塘自建立以来，长期受到风雨、潮涌以及浪激的冲刷，虽历经多次抢修维护，大部分古海塘仍屹立抗洪防潮汐一线，但也有少量岸段已损毁坍失。近年来，随着“钱塘江嘉兴段省管海塘及近岸地形变化情况分析”项目的开展，对海塘沉降、位移、近岸滩地冲淤、丁坝地形等进行周期性观测，获取了大量的基础性数据，为海塘安全维护、设计及加固施工提供了科学依据，但由于时间久远缺乏可靠资料，目前海宁段海塘安全运行监测尚未涉及海塘塘脚根石探测及评价。为进一步摸清钱塘江古海塘塘脚根石、多级护坦结构及其分布情况，评估古海塘安全情况，采用综合物探方法对钱塘江古海塘(海宁段)塘脚根石进行探测，能够为后续的安全评估、海塘安全维护方案设计提供依据。历史设计资料表明，钱塘江护坦由灌砌条石和木柱组成，这类结构分为多级，按照距离塘口远近分为头坦、二坦，局部甚至存在三坦、四坦。头坦距离塘口大约2 m，二坦已位于江底覆盖层之下，宽度不详。护坦条石多为竖砌，用于抵御洪水冲刷，两级护坦接缝处由双排松木桩固定，木桩长约4 m，其分布形式有多种(图1)。

图1 钱塘江古海塘断面结构示意图

所指的“根石”指的就是灌砌条石，相当于“抛石”，其本质是海塘堤坝的护根石。本次工作采用地质雷达法、高密度电阻率法对钱塘江海塘根石进行了探索。

1 国内研究情况

传统根石探测多采用人工锥探、摸探方式，即按照一定间隔选取探测断面，测量根石的埋深位置，用以评价稳定性，为汛期加固维护提供依据[1]。黄河水利委员会为了提高根石探测准确性及工作效率，于1997年引进了美国EdgeTech公司的X-STAR浅地层剖面仪。相比于传统人工探测，该剖面仪有效提高了水下探测精度和效率[2]；董学刚等[3]在高含沙量流域采用浅地层剖面法进行根石探测，探测结果表明该方法具有探测效率高、图谱连贯、工作便捷等优势；李文勇等[4]应用地震SH横波方法查明了根石分布及埋深情况，该方法可以较准确地划分堤坝结构分层，但横波收敛速度拾取精度不高对层厚计算存在影响；吕鑫方等[5]采用五极纵轴测深法对黄河根石分布情况进行探测，该方法施工便利，数据解释简便，但工作效率较低，M、N测量电极易受到浅部电性不均匀介质以及极化电位差的干扰。

鉴于“根石”与“抛石”概念及物理性质的相似性，部分抛石探测的成果也可以借鉴。[6]尚向阳等人采用地质雷达法对黄河枣树沟段进行试验，雷达剖面中能够清楚分辨出淤泥层、抛石层等，但采用100 MHz天线探测深度较小，最大有效探测深度约3.5 m[8]；魏永强等[9]采用综合物探方法(地质雷达法、高密度电阻率法)在某围垦堤坝探测抛石，圈定了分布范围和埋深，经钻孔验证，结果基本准确；余金煌等[10]利用高密度电阻率法对安徽某水库水下抛石层厚度进行探测，电阻率剖面能够反映出抛石体的顶、底界面，间接可以推断出抛石体范围及其厚度大小；陈平等[11]结合侧扫声纳和浅地层剖面法对南京五桥南塔基础水下抛石清理情况进行评价，能够有效查明水下抛石清理情况。从国内以往相关研究成果分析，地质雷达法、高密度电阻率是根石(抛石)探测的常用方法。

2 主要地质体物性特征分析

物理性质差异是有效开展物探工作的理论前提，目标体与周围介质的物性差异越大，探测效果越好。地质雷达法通过电磁波传播特征和不同介质间介电常数差异进行探测。根据断面结构特征，工作区域主要涉及水、粉砂、条石、木桩等介质，工作区常见介质物性参数见表1。由表1可见：主要探测对象具有一定的物性差异，具备开展综合物探工作的物性前提。

表1 主要地质体物性参数表

3 根石探测工作方法及原理

3.1 地质雷达法

地质雷达法(ground penetrating radar，GPR)即利用高频电磁波信号对地下目标体进行扫描，获得探测影像。电磁波信号遇到物性差异界面就会形成反射，且界面间物性差异越大波阻抗差异也越大，反射信号越强。与发射天线同步移动的接收天线接收到反射回波信号，通过数字信号处理，形成探测剖面图，通过专业人员对雷达图像的分析、判断可推断出地下介质分布特征(图2)。

图2 地质雷达工作原理图

本次工作采用瑞典MALA公司生产的RAMAC/GPR型地质雷达及配套专用的高精度屏蔽探测天线。根据勘探深度要求，结合本地区以往工作经验，选择了主频为250 MHz的天线进行数据采集，采样频率2 500 MHz，时间采集方式，采样间隔0.1 s。

从野外采集回的数据采用国际通用REFLEXW处理软件进行处理，其主要处理流程：数据解编—剔除直流漂移—静校正—增益控制(突出深部信号)—抽取平均道—一维带通滤波—滑动平均—输出时间剖面图—根据速度分析进行时深转换，得到解释需要的剖面图。

3.2 高密电阻率法

高密度电阻率法是日本地质计测株式会社提出并发展起来的一种电阻率层析方法。该方法集电剖面和电测深于一体(图3)，采用高密度布点，进行二维地电断面测量。高密度电阻率法改变了传统电法勘探方式，能够实现快速采集和实时处理，是区分物性界面最为高效直观的物探方法之一。

图3 高密度电阻率法原理示意图

采用重庆奔腾数控技术研究所研制的高密度电阻率法测量系统，硬件主要由WDJD-4多功能数字直流激电仪和WDZJ-4多路电极转换器构成。为保证勘探深度，同时兼顾分辨率及信噪比，采用1 m道间距，同时采集温纳和施伦贝谢两种装置数据，进行联合反演。数据处理在RES2DINV反演软件中进行，经过坏点剔除、地形校正、格式转换及反演计算等步骤后，绘制电阻率等值线图。相关剖面可结合钻探、地质调查资料进行综合解释。

3.3 剖面布置及数据采集

根石探测工作主要布置在里程分别对应83 K+200、102 K+500的两个区。里程83 K+200附近水域较为平缓，布置了垂直江道方向10条纵测线，每条测线长在30～60 m不等，地质雷达与高密度电阻率法测线同线位。里程102 K+500近岸约30 m范围原先有河床出露，后受江水持续冲刷影响，该处已没入水下，改为在木船上进行探测，该处布置了垂直钱塘江水流方向的3条纵测线，每条测线长也在30～60 m不等，平行江道方向的1条横测线，测线长120 m。本阶段完成地质雷达测线14条，共832 m，高密度电阻率法测线14条，共510 m。

4 典型异常特征及验证结果

4.1 典型异常特征及推断

5线位于丁坝上游，水深较浅，高密度电阻率法和地质雷达法分开采集数据，综合剖面如图4所示。在高密度电阻率法(中)剖面上，里程0～2 m范围的高阻异常，为头坦根石引起，2 m位置处浅表部低阻异常为木桩引起；里程2～7.5 m电阻率表现为高阻特征，为二坦根石引起，7.5～8.5 m梯级带处为木桩引起的低阻异常。8.5 m向大里程方向均为低阻异常，无根石异常反应。

图4 5线综合剖面图

在地质雷达探测剖面上，里程0～5 m，埋深1.2～1.5 m有同相轴扭曲、错断特征，其分界点与高密度电阻率法剖面图中的根石基本一致，为二坦根石的反应。里程5 m向大里程方向，同相轴基本连续，无明显错断，该区域覆盖层下方无根石异常。

高密度电阻率法与地质雷达剖面对于护坦结构的反应比较一致。

7线位于丁坝上游，近岸0～30段水深较浅，约0.5 m,其探测剖面如图5中所示。图5中测线里程13 m位置存在明显分界，其中里程4～5.5 m和8～11 m范围表现为相对低阻异常特征，为木桩及零散条石引起，里程0～13 m其他区域均有高阻特征，为根石分布的反应；里程13 m向大里程方向，电阻率梯度带变化平缓，无明显孤立高阻异常，无根石异常。

图5中在里程6～8 m、埋深0.7～1.5 m区域有弧状绕射现象，推测为木桩及竖砌条石引起的异常，其分界点与图5基本一致。里程15 m向大里程方向同相轴基本连续，无明显错断，表明该区域粉砂层下方没有根石。

图5 7线探测剖面

高密度电阻率法与地质雷达剖面对于护坦结构的反应也比较一致。

4.2 验证情况

在解释推断的基础上，采用摸探、钎探等方法对异常位置进行了验证，结果表明：

1) 验证了头坦木桩位置，地质雷达法同相轴扭曲异常和高密度电阻率法低阻异常位置基本对应。二坦受江底覆盖层过厚影响，在验证点处无法开展验证工作，需投入其他手段进行验证。

2) 7线的9/L7～11/L7处的低阻异常应为此前遗留的残桩引起，由于残桩中存在钢筋等低阻介质，使得高密度电阻率法剖面中反映为低阻特征。

5 结 论

1) 通过探测、推断和实验验证，认为高密度电阻率法和地质雷达法均能有效探测海塘脚根石。从异常表现效果上看，高密度电阻率法要优于地质雷达法，但从工作效率上地质雷达法高于高密度电阻率法，可采用以高密度电阻率法为主，地质雷达法为辅的探测方案。

2) 木桩在高密度电阻率法中多表现为条带状低阻或呈横向梯级带变化，在地质雷达法断面上表现为倒悬双曲线形态，绕射波发育明显。根石在高密度电阻率法中表现为呈高阻异常，在地质雷达法中表现为局部呈连续强振幅特征。

3) 针对钱塘江古海塘根石的探测，建议地质雷达法采用250 MHz高精度屏蔽天线，按照0.1 ns采样间隔进行时间采集。高密度电阻率法建议1 m点距，采用温纳、施伦贝谢两种装置同时观测，并将数据进行融合后再作反常处理，以提高探测分辨能力。