地质雷达在堤坝渗漏隐患探测中的应用

华兴林，孟颂颂

(南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏 南京，211100)

地质雷达技术是指利用一定的电磁波信号对地下物质进行探测和成像的技术。随着科学技术的不断进步，地质雷达技术经历了从低频到高频、从浅层到深层、从单一应用到多领域应用的过程。20世纪60年代，地质雷达技术开始应用于矿产勘探领域，当时使用的雷达系统大多是低频段的，探测深度较浅，分辨率较低。20世纪70年代至80年代，地质雷达技术开始应用于地质灾害预测、环境勘探、建筑物检测等领域。此时的地质雷达系统已经普遍采用高频段信号，探测深度和分辨率都有明显的提高。21世纪以来，地质雷达技术不仅在矿产勘探、地质灾害预测等传统领域，还涉及到城市建设、文化遗址保护、农业生产等多个领域。现代地质雷达系统具有更高的探测深度和分辨率，也更加智能化和自动化，能大大提高勘探效率和准确性。地质雷达技术的应用范围和性能将会进一步提高和拓展。

1 地质雷达检测原理

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。电磁波在介质中传播遇存在电性差异地下介质或目标时，发生反射返回地面由接收天线接收。对接收的雷达波分析处理，依据波形、强度、几何形态等因素，确定地下目标体性质和状态(如图1)[1]。

图1 检测原理

雷达检测对象通常是多界面结构或地下特殊介质，雷达波向介质内传播时，被称为下行波，经反射回表面的波称为上形波。下行波每遇到一个界面就发生一次反射和折射，入射波能量被分成两部分，一部分经折射继续向下传播，另一部分经反射掉头向上，变成上行波。反射与折射能量的分配与反射、折射系数的平方成正比。上一界面的折射波就是下一界面的入射波，因而下行波的能量不断减少，同时每一界面都在产生反射的上行波。同理，每一界面反射形成的上行波，也会遇到介质的界面，形成二次的反射与折射[2]。介质中每一上行波和下行波都是独立运行的，当遇到界面时都会按照Snell定律，进行折射和反射。因而多层介质中，多次反射与折射波是无尽的，只是反射、折射的经历越多能量越小[3]

2 地质雷达检测实例

项目工区位于江苏南京市中山码头，场地长约400m，南北宽约25m。该区域为长江防汛堤坝，地表可见坝体人行步道、绿化带和民房等。在长江汛期发生过堤坝渗漏，长江水往城区渗流。通过雷达检测方法，查找坝体土体不均匀沉降、不密实和脱空渗漏隐患，为后期隐患治理提供物探依据。根据收集的勘察和测绘资料，坝体上部自然标高约8.5m～10.0m，坝体土体主要有杂填土和素填土构成。利用地质雷达探测方法，在K0+000至K0+400里程段，通过布置合理的探测测线，查明探测区域内与渗漏有关的土体不均匀沉降、不密实和脱空异常分布情况，最大探测深度不小于9m。

2.1 测线布置

根据工作目的任务要求，并结合场地作业条件，测线通过皮尺量距的方式进行布设，并最终利用RTK测量定位。测线位置见图2，其中测线L2、L3、L4和L5受到花坛障碍物的映像，无法延伸至K0+400里程段。地质雷达检测采用100MHz屏蔽天线，完成测线9条(编号L1-L9)，测线间距约4m，测点距均为10cm。累计完成测线总长2342m，有效覆盖面积约9000m2。在平面图上共圈定隐患异常4处，其中不密实隐患3处，不均匀沉降1处，未见明显的脱空异常。隐患里程段分别为K0+58～K0+80、K0+110～K0+130、K0+220～K0+290和K0+310～K0+360。

图2 测线布置图

2.2 数据处理

地质雷达数据处理主要流程如图3。针对项目实际情况，对数据滤波处理主要有三种[4]：

图3 地质雷达数据处理流程图

(1)巴特沃斯带通滤波：为去除处理中通讯信号频带干扰，对数据进行带通滤波处理，带通滤波参数20MHz～200MHz；

(2)二维水平滤波，消除图像中因为背景噪音产生的水平低频部分；

(3)F-K滤波：为去除数据剖面中电线、金属物等引起的有一定视速度的倾斜线性干扰，采用F-K滤波对其进行压制，滤波速度范围±0.12m/ms～±0.2m/ns。

2.3 数据解释

根据常见介质物性参数(表1)，以及探测区域已有资料及现场情况，并通过软件进行速度分析，确定本探测区域雷达波综合速度为65mm/ns。

表1 部分常见介质中电磁波传播参数

2.3.1 干扰异常

探测区陡坎、绿化植物、码头建构物以及地下管线较多，这些因素均对地质雷达电磁波信号具有一定干扰。在分析研究地质雷达剖面图像时，需要识别干扰异常，进而推断堤坝土体渗漏隐患异常。雷达剖面图中可识别的干扰异常主要有[5]：①管线异常；呈规则弧形、能量显著；②码头建构物干扰异常：能量强，形态呈规则矩形状，从上至下贯穿剖面(图4)。这些干扰异常特征明显。

图4 地质雷达剖面管线(左)和码头(右)干扰异常。

2.3.2 不均匀沉降异常

当土体发生不均匀沉降时，在雷达剖面图中异常特征明显，单剖面形状类似于“锅底状”，两侧一般会存在同相轴错断，影响深度往往接近地表(图5)。

图5 不均匀沉降异常(L9线)

2.3.3 不密实异常

当土体不密实时，电磁波发生散射或多次震荡，在雷达剖面图中异常特征明显，表现为波形杂乱、能量显著增强，同相轴连续性非常差(图6)。

图6 不密实异常(L3线)

2.3.4 异常综合解释

(1)Ⅰ-1不密实异常区：该不密实异常范围K0+58～K0+80，异常对应剖面L1～L6。异常呈不规则状，长约25m，宽约20m，面积约430m2，主要深度范围约1.0m～4.0m。推断该不密实异常与土体压实度不足有关。见表2。

表2 推断隐患异常情况统计表

(2)Ⅰ-2不密实异常区：该不密实异常范围K0+110～K0+130，异常对应剖面L2～L6、L9。异常呈不规则状，长约30m，宽约20m，面积约570m2，主要深度范围约1.0m～3.5m。该不密实异常位于管线附近，推断与管道周边土体松散或水土流失有关。见表2。

(3)Ⅰ-3不密实异常区：该不密实异常范围K0+220～K0+290，异常对应剖面L3～L5。异常呈长条状，长约70m，宽约14m，面积约1000m2，主要深度范围约1.0m～4.5m。该异常范围较大，呈长条状展布，推断该区域为较大规模的松散填土区。见表2。

(4)Ⅱ-1不均匀沉降异常区：该不密实异常范围K0+310～K0+360，异常对应剖面L7～L9。异常呈近似矩形状，约35m×35m，面积约1450m2，主要深度范围约0.0m～3.0m。该异常范围较大，位于两座浮码头连接桥之间，呈规则矩形状展布，推断该区域为土质不均匀导致的不均匀沉降。见表2。

3 结 论

根据探测资料，隐患里程段分别为K0+58～K0+80、K0+110～K0+130、K0+220～K0+290和K0+310～K0+360，隐患深度范围约0m～4.5m，与圈定的范围基本一致，地质雷达隐患探测具有一定的精准性，可以在相似的工程中加以应用[6]。