堤防中地质雷达和高密度电法隐患探测的应用

王文杰

邯郸市天河水利工程有限公司 河北 邯郸 056001

1 工程概况

漳河水系是海河流域南部防洪骨干水系，位于东经112°～118°，北纬35°～39°之间，漳河发源于太行山区，地跨晋、冀两省，流域面积19220km²，地势呈西高东低。漳河右堤属于3级1类堤防，堤防总长101.13km，堤身高度一般在3～5m，堤顶宽度为5～7m。本文基于采用地质雷达和高密度电法对漳河部分堤防进行隐患探测，分析漳河堤防的内部隐患类型，为了更好的了解和掌握大名县境内漳河右堤100+500—101+331段堤段范围内堤防的内部隐患特征。

1.1 探测目的和任务

本次对大名县境内漳河右堤100+500-101+331段堤防进行地质物探工作，项目工作区位于邯郸市大名县前崔庄村～周庄村之间，大名漳河右堤100+500—101+331段堤顶路面为土路面，物探的目的是要查明该段堤防是否存在隐患以及隐患的类型和分布范围，为漳河安全运行，防洪、减灾和抗灾治理设计提供科学依据。同时利用地质雷达和高密度电法数据进行对比分析，进一步细致的划分隐患的类型和分布范围。

1.2 隐患形成条件

本次探测区段属于漳河下游与卫河交汇处附近，地下水埋深较浅，一般为5～10m，地下水动态变化不大，且低于河水位，属孔隙潜水。受大气降水、地表河流补给，流动方向大体上由西南向东北方向流动，地下水水力梯度在1‰-2‰左右，地下水的排泄以蒸发、农田灌溉、居民用水等垂向排泄为主，侧向地下水径流为辅。地下水动态受大气降水影响，雨季水位抬升，枯水季节水位下降。

首先，地下水位埋深较浅地段，若上部为粘性土覆盖的饱和中砂、细砂、极细砂河段，地震时有发生震动液化的可能，形成管涌、流土等不良地质现象。由于粘土和壤土的力学强度低，内摩擦角10°以下，成软塑状态，会出现承载力低的现象，导致河堤滑坡。

其次，中砂、细砂、极细砂河段为透水层，当出现洪水时，河道水位高于堤外水位，在内外压力差的作用下会出现管涌，长期作用的结果会形成塌堤，最终形成决口。

第三，在近几年，采取了多种方法对堤防进行除险加固，在很大程度上消除了部分隐患，提高了堤防的防洪能力。但是由于形成堤身隐患的因素不能彻底消除，如动物洞穴、气候变化及内部水分变化形成的不均匀沉降、裂缝、抢险材料腐朽后形成的松散体、冻胀等，致使堤身内部仍存在部分隐患。

1.3 地质雷达和高密度电法探测的前提

不同岩石具有不同的导电性和电阻率，地质雷达探测就是通过测定地下不同地点、不同深度的电性差异（电导率和介电常数）来达到探查不均匀地质体的目的，高密度电法则通过测量两个电极之间的电压和电流来测得地下的岩石视电阻率。堤防构成以砂性土为主，也就是说构成河堤的各层土中除结合水外是不含地下水的，颗粒之间的孔隙或空洞为空气介质，形成高电阻值低电导率，同时地下空间内存在着不同岩性的介质，其不同介质的介电常数不同，为地质雷达和高密度电法的探测提供了必要条件，当堤防中出现隐患后，隐患区的土体性质将会发生根本变化，密实度降低、粘粒含量减少、孔隙增多，这样会在外界电场的激发下出现不同的次导电能力的差异，结合工程经验和分析次生场，就能推断出不同性质的岩土介质及其分布范围，从而达到隐患探测目的。

1.4 采用地质雷达和高密度电法探测的可行性

地质雷达的探测能够解决众多工程地质问题，其优越的特性主要体现在：(1) 地质雷达是一种非破坏性的探测技术，可以安全地用于工程现场。工作场地条件宽松，适应性强(对于轻便类的仪器)；(2) 抗电磁干扰能力强，可在各种噪声环境下工作，环境干扰影响小；(3) 具有工程上较满意的探测深度和分辨率，现场直接提供实时剖面记录图，图像清晰直观；(4) 便携微机控制数字采集、记录、存储和处理。轻便类仪器现场仅需3人或更少人员即可工作，工作效率高。当然，由于使用了高频率，电磁波能量在地下的衰减剧烈，因而在高导厚覆盖条件下，探测范围受到限制[1]。

高密度电法主要依据探测区的地层电阻率的差异（地层电参数）来进行测量，根据本区的地层岩性特征总结归纳工作区内主要地层电参数特征：

粘土：均呈现为低阻电性层，视电阻率在10～20Ω·m之间，同类地层之间电性差异较小

壤土：视电阻率在10～15Ω·m之间，同类地层之间电性差异较小。

砂壤土：视电阻率在15～30Ω·m之间，同类地层之间电性差异小。

细砂：视电阻率在20～40Ω·m之间，同类地层之间电性差异较小。

1.5 工程布置

本次探测区段位于邯郸市大名县邯郸市大名县崔庄村～周庄村之间（漳河右堤100+500-101+331段堤段），本段堤距831m。地质雷达观测线布置于堤防临河路面一侧。依据《堤防工程地质勘查规程》(SL 188-2005）规定，地质雷达探测在靠近河流一侧的堤顶进行，采用测线式布置方式，每条测线选择在地面平整、均匀地段进行。测线长度和实际测量长度一致。测线使用皮尺进行放线和高精度手持GPS进行定点，并用堤防上里程碑进行校核。同时测量数据应用地质雷达的滑轮测距功能，利用测轮控制测量长度。

依据《堤防工程地质勘查规程》(SL 188-2005）规定，高密度电法布线布置于漳河右堤100+300-101+000（700 m），在堤顶布置了一条测线，测线沿堤防延伸方向布设。为测定堤防深层情况，在漳河右堤100+557.5-100+712.5（155 m），在堤脚布置了一条测线，测线沿堤防延伸方向布设。

2 工程数据处理与解释

2.1 物探解释

2.1.1 地质雷达解释方法

地质雷达资料的地质解释是地质雷达测量的目的。然而地质雷达资料反映的是地下介质的电性分布，要把地下介质的电性分布转化为地质体的分布，必须把地质、钻探、地质雷达和其他相关的资料有机结合起来，建立测区的地质—地球物理模型，并以此获得地下地质模式[2]。

地质雷达图像剖面是地质雷达资料地质解释的基础图件，根据测量目的，对比雷达图像与钻探结果，建立测区地层的反射波组特征。根据地层反射波组特征与钻孔对应的位置划分反射波组后，就需要依据反射波组的同相性与相似性进行地层的追索与对比。在进行时间剖面的对比之前，要掌握区域地质资料，了解测区所处的构造背景。在此基础上，充分利用时间剖面的直观性和范围大的特点，统观整条测线，研究重要波组的特征及其相互关系，掌握重要波组的地质构造特征，其中特别要重点研究特征波的同相轴变化。特征波是指强振幅、能长距离连续追踪、波形稳定的反射波[3]。它们一般都是主要岩性分界面的有效波[4]。它们特征明显，易于识别。掌握了它们就能研究剖面的主要地质构造特点。

破裂带及大的风化裂隙、含水量变化大造成正常地层突变，两侧地层或土壤层性质发生变化，表现在地质雷达时间剖面上为反映地下地层界面上的雷达反射波同相轴明显错动，断层或土壤层性质发生变化较大，这一特征越明显。

2.1.2 地质雷达数据判别依据

（1）反射波同相轴特性

雷达记录资料中，同一连续界面的反射信号形成同相轴，依据同向轴的时间、形态、强弱、方向反正等进行解释判断是地质解释最重要的基础。同向轴的形态与埋藏的物界面的形态并非完全一致，特别是边缘的反射效应，使得边缘形态有较大的差异[5]。

（2）反射波的频谱特性

不同介质有不同的结构特征，内部反射波的高、低频率特征明显不同，这可以作为区分不同物质界面的依据[6]。

2.1.3 高密度电法解释方法

在地下岩石电性分布不均匀（同时赋存有两种或两种以上电差异性的岩体或矿石）或地表起伏不平的情况下，若按测定均匀水平大地电阻率的方法，得出的计算结果为视电阻率[7]。

视电阻率值与地下不同导电性岩体（或矿体）的分布状况有关，还与所采用的装置类型、装置大小、装置相对于电性不均匀体的位置以及地形有关。

本次实测高密度电法采用温纳装置进行数据采集，数据在处理前须进行预处理，如圆滑或二维反演程序中的坏数据点的剔除等预处理。而后采用视参数法、使用Surfer绘制成图、用二维反演程序或多种方法结合进行处理与反演解释。

本次资料解释采用反演电阻率断面法，通过与地质雷达数据处理结果进行对比来进行深度修正。对于堤体的填土层，由于表面土层较为干燥，为相对高电阻率反映，对于其它位置的覆盖层应为相对低电阻率反映，对于基岩中的岩溶发育或岩体破碎区域应为低电阻率反映，而较完整的岩体为高电阻率反映。

2.2 成果分析

2.2.1 地质雷达成果分析

基于野外探测的数据，在实验室内的工作站对野外采集的数据进行了各种数据处理后，得到了不同地段随着探测距离变化的时间剖面图。

（1）漳河右堤100+500-101+000堤段：在100+634之前的区域，地质雷达的时间值变化不是很均匀，地下各层介质的电导率和层位比较混乱，说明该段地下整体不均匀比较多；后半段区域内的地质雷达的时间值变化较均匀，地下各层介质的电导率和层位比较清晰，同时根据反射波的振幅与方向的特点以及瞬时相位特征，从地表自上而下可划分为3层结构，第一层为壤土压实夹杂部分小碎石，向下反射波的能源较小，部分地区不均匀，厚度大约为0.5～0.7m；向下大约在3.5～4m有一反射界面，根据振幅方向来看，明显区别于第一层，层位稳定，局部不均匀，可能存在着风化裂隙和由于地表的不均匀沉降造成的地面裂隙，深度较小，裂隙向地下延展较小，裂缝宽度不大；再向下大约3m左右又存在一层介质，层位稳定，均匀。在剖面的纵向上，在桩号为漳河右堤100+563-100+573、100+837-100+847、100+858-100+874、100+826-100+911段存在质地不均匀；100+634-100+647、100+855-100+863、100+884-100+892段由于路况，天线与路面存在耦合不良的情况。

（2）漳河右堤101+000-101+500堤段：该区域101+135-101+295整段区域为沙土路，在此范围内的地质雷达的时间值变化不是很均匀，地下各层介质的电导率和层位比较混乱，其余区域内的地质雷达的时间值变化较均匀，地下各层介质的电导率和层位比较清晰，同时根据反射波的振幅与方向的特点以及瞬时相位特征，从地表自上而下可划分为3层结构，第一层为壤土压实夹杂部分小碎石，向下反射波的能源较小，部分地区有不均地区，厚度大约为0.5～0.7m；向下大约在3.5～4m有一反射界面，根据振幅方向来看，明显区别于第一层，层位稳定，局部不均匀，可能存在着风化裂隙和由于地表的不均匀沉降造成的地面裂隙，深度较小，裂隙向地下延展较小，裂缝宽度不大；再向下大约3m左右又存在一层介质，层位稳定，均匀。在剖面的纵向上，在桩号为漳河右堤101+012-101+022段存在耦合不好；101+090-101+115段质地不均匀；101+135-101+295段路面为沙土路，石头多，天线与路面存在耦合不良的情况；101+392-101+396、101+425-101+430段推测有小型破碎。

2.2.2 高密度电法成果分析

本次高密度电法在堤顶布置了一条沿着堤坝方向的测线，在坝底布置了一条测线，以下针对测线具体分析：

（1）漳河右堤100+300～101+000段高密度：从反演电阻率断面图上看，该剖面视电阻率范围约为几Ω·m～100Ω·m。电阻值上高下低，其中在漳河右堤100+320-100+480、100+520-100+670、100+820-100+860、处，电阻值偏低，经实地考察，是由于该段曾经是河水缓慢渗出处。整体上土体比较均匀，有明确的地层划分，自上到下大致可划分为粘土层、砂壤土层、细砂层，其中砂壤土层夹杂了粉砂透镜体。整个地段没有明显电阻紊乱部分，整个堤体电阻均匀，没有异常点。

（2）漳河右堤100+557.5-100+712.5段高密度：从反演电阻率断面图上看，该剖面视电阻率范围约为几Ω·m～100Ω·m。电阻值上高下低，其中漳河右堤100+617.5-100+645.5处，电阻值偏低，经实地考察，是由于该段曾经被河水长时间淹没导致。整体上土体比较均匀，有明确的地层划分，自上到下大致可划分为粘土层、砂壤土层、细砂层，其中砂壤土层夹杂了粉砂透镜体。整个地段没有明显电阻紊乱部分，整个堤体电阻均匀，没有异常点。

2.3 地质解释

在整个测试过程中，堤防地段未见大规模水流，且堤身表面比较干燥。

根据地质雷达时间剖面、高密度电法剖面和实际的地质情况结合，得出本次探测成果图。物探成果得出如下解释：

测段内发现部分区域有渗漏通道、裂隙及软弱结构面。

在堤防物探范围内堤段存在密实度不均一现象。局部地段的地表浅层位存在着一定范围内的垂直裂隙带，裂隙沿滑坡面延伸；同时在局部堤防内部存在小型空洞地质现象。发现小型破碎2处，分别为漳河右堤101+392-101+396、漳河右堤101+425-101+430；质地不均匀5处，分别为漳河右堤100+563-100+573、漳河右堤100+837-100+847、漳河右堤100+858-100+874、漳河右堤100+826-100-911、漳河右堤101+090-101+115。其中漳河右堤101+135-101+295段堤防路面为沙土路，石头多，天线与路面存在耦合不良的情况。段堤堤整体密实度较差，其它段堤身整体密实度和均一性较好。

高密度测线剖面的地层与该段地质雷达测得数据具有很大的一致性，没有发现明显的异常点。

3 结论与建议

3.1 主要结论

根据地球物理勘探，得出如下结论：

（1）测段地层以粉土、粉砂层为主，上部干燥，下部含水。

（2）堤防堤顶宽度为5～7m，堤基面的起伏状态平稳，局部因夹地层透镜体、含水层深度变化而产生一定起伏，总体相对稳定。

（3）堤身整体完整性较好，查明物探范围内地下部分地段存在裂隙、空洞及软弱体等不良地质现象。发现小型破碎2处，质地不均匀5处。

（4）建议对密实度差的堤段进行强度测试，并做适当处理。

3.2 主要建议

对于物探推测的异常区域进行钻探验证，准确掌握不均匀土体的结构和空间特征，以确保结果的可靠性和为下一步堤防处理提供依据。同时为了堤防的安全运行，在汛期应加强堤防的检测工作，适当采取措施如注浆处理等手段增加堤防的强度和抗渗性，提高防洪能力。