杭州市西險大塘安全隱患探測與分析

翁俊誠 ，蘇 全， 陳光耀

（浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

1 工程概況

西險大塘位于東苕溪的右岸大堤，是杭州市北部一道重要的防洪屏障，歷來是重要的一項水利工程，因位于杭州之西，堤塘險要，故稱西險大塘。西險大塘是杭州市城市防洪和杭嘉湖平原的安全屏障。作為歷史悠久的土堤，且經(jīng)逐年加高，堤身內還埋有墓葬、瓦窯，夾有樹根殘葉或砂層，并有嚴重的堤身蟻患，在長期的運行中曾發(fā)現(xiàn)較多的滲漏甚至毀損現(xiàn)象。1996 — 2007年，曾對全線進行過以套井回填黏土為主的防滲處理，但仍存在（不均勻）沉降過大、滲漏等險工險段。究其本質原因，主要是堤身堤基內部存在介質異常、白蟻活動和交叉建筑物連接等問題。

在經(jīng)濟飛速發(fā)展的當今社會，鉆孔檢測等方法對建筑本身破壞性大，無損檢測越來越為人們所接受。探地雷達作為無損檢測中的一種重要手段，具有速度快、精度高、可以獲得連續(xù)結果，探測效率高，對探測場地和目標無破壞性，探測資料具有較高的分辨率和較強的抗干擾能力等特點，在無損探測中具有獨特的優(yōu)勢，近些年越來越多地被運用在水利工程隱患探測方面。瑞雷波法也是一種快速、無損、經(jīng)濟的原位檢測方法，與鉆孔取樣法相比具有檢測量大、面廣、檢測成果具有較強的代表性的優(yōu)點。在多層介質中，瑞雷波具有明顯的頻散特性，瑞雷波沿地面表層傳播，影響表層的深度約一個波長，不同波長的瑞雷波的傳播特性反映看不同深度的地質情況。

在K17+700 ～ K18+000 m（羊山）堤段的堤頂展開探地雷達法、瑞雷波法探測及鉆空取樣驗證，主要就堤頂下約10 m深度范圍內的介質結構及均勻性情況進行分析。

2 探測原理與方法技術

2.1 探測原理

2.1.1 探地雷達法

探地雷達是利用高頻電磁波（主頻10 ～ 103 MHz）以寬頻帶短脈沖形式，由地面通過發(fā)射天線T送入地下，經(jīng)地下地層或目標體反射后返回地面，為接收天線R所接收。當?shù)叵陆橘|的波速V（m/ns）已知時，可根據(jù)測得的脈沖波旅行時t（ns），求出反射體的深度h（m）。電磁波在介質中傳播時，其電磁波強度與波形將隨所通過介質的電性及幾何形態(tài)而變化。因此，根據(jù)接收到波的旅行時間（亦稱雙程走時）、幅度及波形資料，可推斷介質性質及分布結構。電磁波傳播的速度可由近似算出（當介質的導電率很低時），其中C為光速（C = 0.3 m/ns），εr為地下介質的相對介電常數(shù)值。后者可利用已知值或測量獲得。在實際探測中，一般可利用已知目標體的反射時間求取，或根據(jù)鉆孔揭示層位進行標定，也可以結合其它探測方法綜合確定。

2.1.2 瑞雷波法

瑞雷波是由彈性波的干涉而產(chǎn)生于分界面處，并沿界面?zhèn)鞑サ囊环N彈性波。它具有以下特性:①波在自由表面附近傳播時，質點在波傳播方向的垂直面內振動，振幅隨深度呈指數(shù)函數(shù)急劇衰減，質點的振動軌跡在波的傳播方向的鉛垂面內作順時針或逆時針的橢圓運動；②波的水平和垂直振幅從彈性介質的表面向內部呈指數(shù)函數(shù)急劇衰減，大部分能量損失在1/2波長的深度范圍內，說明某一波長的波速主要與深度小于1/2波長的地層物性有關；③在多層介質中，瑞雷波具有明顯的頻散特性，它沿地面表層傳播，影響表層的深度約一個波長，不同波長瑞雷波的傳播特性反映不同深度的地質情況。其速度值的大小與介質的物理特性有關，由此可對巖土的物理性質做出評價。在實際工作中，利用瑞雷波處理軟件對現(xiàn)場所記錄的多道瞬態(tài)瑞雷波信號在時間域開窗提取和F - K域進行瑞雷波提取，把各個頻率的瑞雷波分離出來，從而獲得瑞雷波波速隨深度變化曲線即瑞雷波頻散曲線。通過分析每個測點的頻散曲線便可了解不同位置的介質均勻性和密實度等情況。

根據(jù)探測結果的特征點和異常點，在大壩壩頂布置驗證鉆孔1個，在背水面布置鉆孔1個。同時結合原有地質資料對探測結果進行分析，得出探測結論。

2.2 工作方法

2.2.1 測線（點）設置

本次探地雷達法探測為樁號K17+700 ～ K18+000 m（羊山）堤段。 瑞雷波法探測3個測點分別設置于探地雷達法測線上（見表1）。

表 1 測線（點）設置一覽表

2.2.2 參數(shù)選擇

（1）探地雷達法參數(shù)選擇。本次數(shù)據(jù)采集采用探地雷達法的主要采集參數(shù)如下:

記錄長度:T = 300.0 ns和600.0 ns；采樣間隔:dt = 0.8 ns和1.6 ns；道間距:dx = 0. 25 m；天線間距:L = 2.0 m和1.0 m；天線頻率:f = 50 MHz和100 MHz；脈沖電壓:1 000 V；疊加次數(shù):N = 64次。

（2）瑞雷波法參數(shù)選擇。在本次探測過程中，采用的道間距為1.0 m，偏移距為5.0，10.0 m。在實測工作中，把檢波器對稱埋置在探測點兩側，震源點和檢波器排列在一條直線上，排列方向為順堤頂中心線方向。儀器參數(shù)選擇:采集道數(shù)24道，全通濾波方式，采樣間隔為0.50 ms，采樣點數(shù)為2 048個，震源采用24磅大鐵錘加鐵墊板激震，檢波器頻率為4 Hz。

3 探測資料分析及綜合解釋

3.1 探測資料分析

3.1.1 羊山堤段雷達探測資料分析

根據(jù)羊山堤段（樁號K17+700 ～ K18+000 m）雷達探測的反射波特征可見:雷達剖面見圖1 ～ 4。由圖1 ～ 4可見，在背水和迎水面剖面上均存在2處相對應的異常（即異常Ⅰ和Ⅱ），不管是50 MHz還是100 MHz均有顯示，異常Ⅰ背水和迎水面剖面樁號范圍分別為K17+705 ～ K17+745 m和K17+702 ～ K17+735 m，深度范圍為3.0 ～ 6.0 m，推斷為堤壩內部松散體；異常Ⅱ背水和迎水面剖面樁號范圍分別為K17+830 ～ K17+900 m 和 K17+835 ～ K17+895 m，深度范圍為3.0 ～ 5.0 m，推斷堤壩內部松散體。在背水面剖面上存在1處局部異常（即異常Ⅲ），不管是50 MHz還是100 MHz均有顯示，樁號范圍為K17+945 ～ K17+965 m，深度范圍為2.0 ～ 4.0 m，推斷為堤壩內部松散和脫空體。

圖 1 羊山 K17+700 ～ K18+000 m 段背水面 50 MHz 剖面圖

圖 2 羊山 K17+700 ～ K18+000 m 段背水面 100 MHz 剖面圖

圖 3 羊山 K17+700 ～ K18+000 m 段迎水面 50 MHz 剖面圖

圖 4 羊山 K17+700 ～ K18+000 m 段迎水面 100 MHz 剖面圖

3.1.2 羊山堤段瑞雷波探測資料分析

羊山K17+700 ～ K18+000 m段各測點瑞雷波頻散曲線見圖 5 ～ 7。

（1）K17+720 m背水面測點。由圖5可見，埋深1.6 ～ 2.0 m異常，介質軟弱、松散、密實性差，剪切波速度為129.49 m/s。埋深3.0 ～ 3.4 m異常，介質軟弱、松散、密實性差，剪切波速度為142.05 m/s。埋深4.1 ～ 4.8 m異常，介質軟弱、松散、密實性差，剪切波速度為146.78 m/s。埋深5.8 ～ 6.6 m異常，介質軟弱、松散、密實性差，剪切波速度為128.21 m/s。埋深7.6 ～ 8.6 m異常，介質軟弱、松散、密實性差，剪切波速度為91.02 m/s。

（2） K17+808 m背水面測點。由圖6可見，各層介質未見明顯異常，剪切波速度正常。

（3） K17+885 m背水面測點。由圖7可見，埋深2.8 ～3.3 m異常，介質不均勻、偏軟、密實性稍差，剪切波速度為154.91 m/s。埋深4.2 ～ 4.9 m異常，介質不均勻、偏軟、密實性稍差，剪切波速度為169.27 m/s。

圖 5 羊山段 K17+720 m 背水面測圖

圖 6 羊山段 K17+808 m 背水面測圖

圖 7 羊山段 K17+885 m 背水面測圖

3.2 綜合解釋結果

羊山堤段綜合雷達和瑞雷波探測資料分析認為:①背水和迎水面剖面樁號K17+705 ～ K17+745 m和K17+702 ～K17+735 m，深度范圍為3.0 ～ 6.0 m內介質松散。背水和迎水面剖面樁號K17+830 ～ K17+900 m和K17+835 ～ K17+895 m，深度范圍為3.0 ～ 5.0 m內介質松散。背水面剖面樁號K17+945 ～ K17+965 m，深度范圍為2.0 ～ 4.0 m內介質松散和脫空體。在探地雷達圖像上，深度7.0 ～ 10.0 m處等間隔出現(xiàn)的異常是路燈所引起的反映。②K17+720 m背水面測點埋深1.6 ～ 8.6 m異常，介質軟弱、松散、密實性差。K17+808 m背水面測點各層介質未見明顯異常。K17+885 m背水面測點埋深2.8 ～ 4.9 m異常，介質不均勻、偏軟、密實性稍差。

4 羊山鉆孔驗證結果與分析

羊山物探異常區(qū)鉆孔驗證結果見表2。由表2可見:①在樁號K17+720 m處的5個深度分別取樣，其中7號試樣所在層位碎石較多，無法完成取樣。剩余的4個深度，每個深度分別取2個試樣，進行土的密度試驗和滲透試驗，干密度大小在1.57 ～ 1.61 g/cm3，滲透系數(shù)除6號試樣外，其余3組試樣滲透系數(shù)都在10-4以下，相對較低，透水性較差，而6號試樣在3.2 ～ 3.4 m，這剛好落在雷達剖面中所反映的異常3.0 ～ 6.0 m的范圍內。②4個試件所在層位的剪切波速度大小與它們的平均干密度大小呈正相關，即介質干密度值隨著剪切波速度增大而增大。

表 2 羊山物探異常區(qū)鉆孔驗證結果

5 結論與建議

通過應用探地雷達法技術對西險大塘羊山典型路段可能存在的隱患進行排查，初步發(fā)現(xiàn)一些影響堤防安全的隱患異常，瑞雷波法檢測結果與探地雷達檢測結果基本一致，說明采用探地雷達法進行堤防隱患探查具有較高的可靠性。

在各測試段范圍內，局部存在有相對松散不均勻土體，反應在探地雷達測試剖面上的反射波組的對應位置同相軸變化復雜，呈現(xiàn)錯位、缺失、不連續(xù)等現(xiàn)象。

探地雷達法探測具有靈活、快捷、準確、分辨率高、受場地條件約束小等特點，能滿足對堤防進行定期安全檢測的要求，可在我國水利工程中推廣應用。

鉆孔驗證的結果也與探地雷達法與瑞雷波法的探測結果基本一致，再次證明探地雷達法與瑞雷波法的技術與經(jīng)濟優(yōu)勢十分明顯，這2種方法在工程隱患探測中具有快速、方便、無損、經(jīng)濟、準確等特點，具有廣泛的應用前景。