上海海塘安全隱患地球物理快速探測與識別

王 遠(yuǎn)

（上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072）

對于低海拔的沿海城市，海塘的安全直接關(guān)系城市的安全[1-2]。所謂“千里之堤，潰于蟻穴”，海塘安全的致命威脅又往往來自于那些外觀無法發(fā)現(xiàn)的海塘內(nèi)部隱患。上海的一線海塘約523 km，大多為充泥管袋加吹填土的復(fù)式斷面結(jié)構(gòu)，目前海塘管理部門對海塘的安全管理主要采取定時定點的外觀巡查和沉降監(jiān)測[3-4]。它們一般揭示海塘的外觀破壞和區(qū)域沉降情況。對于海塘壩體內(nèi)部易生的空洞、疏松、土體擾動等局部隱患，則沒有進(jìn)行過系統(tǒng)的探測，對隱患探測手段及其相應(yīng)特征也沒有較為清晰的認(rèn)識。

本文結(jié)合海塘隱患探測工作的現(xiàn)實特點，利用兩種相對快速的地球物理方法，對多個上海一線海塘區(qū)段進(jìn)行了隱患探測。探討了相應(yīng)物探方法的應(yīng)用效果，分析了可識別的各類典型隱患及其地球物理特征，總結(jié)了相關(guān)經(jīng)驗認(rèn)識，為上海一線海塘的科學(xué)管理、保障城市安全提供數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)儲備。

1 海塘安全隱患快速探測原則與方法

1.1 方法選取原則

海塘內(nèi)部隱患是海塘堤身內(nèi)部地層擾動、疏松、空洞等影響海塘安全的各種不穩(wěn)定潛在地質(zhì)隱患。對這類隱患的檢測一般要求不對海塘本體造成破壞，即無損性；同時，由于海塘延展較長，從管理的角度出發(fā)，需要一種快速的檢測方法，即高效性。此外，海塘堤頂路面一般為可行車的道路，較為平整，適宜布設(shè)規(guī)則的地球物理排列裝置，具有場地優(yōu)勢[5-9]。

基于以上考慮，我們主要采取地質(zhì)雷達(dá)法和淺層地震法，并且選擇在堤頂路面布設(shè)測線，以做到探測目標(biāo)的深淺互補(bǔ)，又具有相對比較高的探測效率。

1.2 地質(zhì)雷達(dá)法原理及布置

地質(zhì)雷達(dá)法是在地面通過天線向地下發(fā)射高頻電磁波脈沖，電磁波經(jīng)過地下地層或目標(biāo)體反射后返回地面，被另一天線在地面接收。當(dāng)?shù)貙又心繕?biāo)體與周圍介質(zhì)有一定電磁物性差異時，便能在地質(zhì)雷達(dá)剖面上表現(xiàn)出波形差異，通過分析雷達(dá)剖面上波組的相位、頻譜、振幅等特性的橫向變化規(guī)律，便能判斷地下介質(zhì)的異常（介質(zhì)擾動等）位置及深度。

地質(zhì)雷達(dá)法的布置是在堤頂路面中央，沿海塘走向布設(shè)連續(xù)測線。采取等時采集的方式，天線頻率：400 MHz，采樣點數(shù)：1024，記錄長度：100 ns，掃描數(shù)：50 scans/s，mark距離：1 m，帶通濾波：高通100 MHz，低通800 MHz，以約1 m/s的速度進(jìn)行人工拖曳連續(xù)探測。

1.3 淺層地震法原理及布置

淺層地震法是通過規(guī)則的檢波器排列接收人工敲擊震源產(chǎn)生的彈性波來推斷地下地層結(jié)構(gòu)的方法。是用于探測淺部介質(zhì)中縱、橫向不均勻體（洞穴、障礙物、管道、空洞、地裂縫與疏松帶、滑坡體等）的有效方法。這里主要利用其中的地震映像法和瞬態(tài)面波法。

地震映像法是基于反射波法中的最佳偏移距技術(shù)發(fā)展起來的一種淺地層勘探方法，采用人工激發(fā)方式，在相距震源一定距離擺設(shè)單道檢波器接收由地下散射回來的地震波，檢波器通過人工控制的形式等距的與激發(fā)點同步移動，來獲得地下豐富的波動場特征資料，通過對波動場資料在時間域和頻率域進(jìn)行處理分析，可以推斷地下地層（物質(zhì)）結(jié)構(gòu)。

瞬態(tài)面波法是利用人工瞬時沖擊力作震源激發(fā)面波，地表在脈沖荷載作用下，產(chǎn)生波動。在離震源一定距離處，布置多道檢波器來記錄面波的垂直分量。對記錄的面波信號作頻譜分析和處理，計算并繪制VR-λ頻散曲線，根據(jù)頻散曲線特征分析解決地質(zhì)問題。

在海塘隱患探測中，兩種淺層地震方法的采集布置是同步的，即在堤頂路面中央，沿海塘走向布設(shè)連續(xù)測線，在測線上布設(shè)一條全排列（24道）檢波器，采用人工錘擊震源，最小偏移距4 m，炮間距1 m，道間距1 m，檢波器主頻4.5 Hz，每道記錄長度1 s，采樣間隔0.125 ms。采集時，所有檢波器置于同一條拖帶上，每敲擊一炮即獲得一個排列的單炮記錄，然后整個排列向前拖曳一個炮間距，進(jìn)行下一炮的采集，以此滾動獲得整個測線的單炮記錄。每一單炮記錄可進(jìn)行瞬態(tài)面波分析，而整條測線中可抽取共偏移距剖面，即獲得多偏移距的地震映像剖面，選擇異常最明顯的偏移距剖面作為地震映像成果解釋的標(biāo)準(zhǔn)剖面。

2 隱患類型快速識別與探測效果分析

近年來，我們對上海多個復(fù)式斷面結(jié)構(gòu)的一線海塘進(jìn)行了共計約50 km的隱患探測，涉及到崇明三島、浦東新區(qū)、奉賢區(qū)等。結(jié)果顯示，兩種方法在不同的探測深度范圍內(nèi)能有效探測到壩體內(nèi)的典型異常，主要包括淺部路基地層擾動、壩體內(nèi)部地層褶曲、錯斷、疏松、脫空等局部性擾動、穿堤管涵、局部埋藏異常體等。

2.1 可識別的隱患類型及特征

（1）路基結(jié)構(gòu)擾動

地質(zhì)雷達(dá)法可以精細(xì)刻畫出海塘堤頂路面的路基結(jié)構(gòu)（約2m以淺，圖1a），一般可識別出4個有效界面，界面1為柏油路面，界面2為柏油層與混凝土層的分界面，界面3為混凝土層與雜填層的分界面，界面4為雜填層與吹填管袋土層的分界面。

雷達(dá)剖面中各個界面的擾動反映了路基結(jié)構(gòu)的擾動。路基穩(wěn)定的雷達(dá)剖面具有層位連續(xù)性好、同相軸無明顯起伏、層間各波組橫向發(fā)育穩(wěn)定、能量均勻等特征（圖1a）。路基結(jié)構(gòu)擾動經(jīng)常發(fā)生在界面2和界面3，表現(xiàn)為界面同相軸大傾角起伏、交叉或消失、能量突變等特征（圖1b）。

圖1 奉賢某海塘路基結(jié)構(gòu)(a)與擾動(b)地質(zhì)雷達(dá)典型剖面Fig.1 Typical radar profile of subgrade structure (a) and disturbance(b) of a seawall in Fengxian

（2）壩體整體穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)分層

路基以下較深部的壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性主要由地震映像方法反映。地震映像采集的主要是面波數(shù)據(jù)，剖面中面波波組的擾動情況反映了壩體地層的擾動情況。典型的地震映像剖面（圖2a），橫坐標(biāo)為偏移距和測線里程（單位m），縱坐標(biāo)為雙程走時（單位ms），圖中各頻率波組橫向發(fā)育穩(wěn)定，波形沒有出現(xiàn)局部劇烈變化，整體連續(xù)性好，能量均勻，說明此處壩體地層速度均勻，整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可作為壩體隱患探測判斷的對比剖面。

壩體的結(jié)構(gòu)分層主要由瞬態(tài)面波法反映。通過對多個連續(xù)單炮記錄數(shù)據(jù)的面波頻散分析可以得到海塘壩體的面波速度剖面，速度的界面分層反映了壩體的主要結(jié)構(gòu)分層。圖2b為典型的海塘瞬態(tài)面波速度剖面，橫坐標(biāo)為測線里程（單位m），縱坐標(biāo)為深度（單位m），在堤頂路面以下2m左右有一組明顯的速度分層，為堤頂路基的底界面，此界面以下為充泥管袋加吹填土筑成的壩體。若壩體內(nèi)部存在局部擾動，則可見如圖所示的擾動界面。在堤頂路面以下約9 m位置，存在一處速度分層，為壩體結(jié)構(gòu)底界面，其下為反濾層及軟土地基。

圖2 浦東某海塘地震映像(a)與瞬態(tài)面波速度(b)典型剖面Fig.2 Typical section of seismic image (a) and transient surface wave velocity (b) of a seawall in Pudong

（3）壩體地層起伏擾動與褶曲或錯斷

壩體地層起伏擾動，一般是局部基底地層沉降或工后局部沉降引起的壩體土層的整體起伏，是土體整體的形變，這種隱患可以被地震映像方法有效識別。在地震映像剖面上往往表現(xiàn)為主要波組同相軸連續(xù)性好、具有相對緩和的起伏形態(tài)、波組上下未伴生雜亂波形（圖3a）。這種隱患往往代表著海塘地層發(fā)生了輕微起伏擾動，但地層的整體連續(xù)性沒有發(fā)生嚴(yán)重破壞。

壩體地層褶曲或錯斷隱患類似于地層起伏擾動，但地層起伏變化更加劇烈，導(dǎo)致地層的連續(xù)性已經(jīng)遭到破壞，這種隱患可以被地震映像法有效識別。在地震映像剖面中表現(xiàn)為同相軸突然發(fā)生交叉或錯斷，且附近波組伴生有相位增多、頻率變低特征（圖3b）。

圖3 橫沙島某海塘壩體地層起伏擾動剖面(a)與褶曲錯斷剖面(b)Fig.3 Stratigraphic profile of undulation disturbance (a) and folding fault (b) of a seawall in Hengsha Island

（4）壩體地層紊亂擾動與地層疏松

壩體地層紊亂，一般是由于局部沉降或人工修補(bǔ)使壩體原有的地層結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，但沒有發(fā)生明顯疏松脫空情況，多發(fā)生在局部修補(bǔ)的區(qū)段，反映了修補(bǔ)痕跡，這種隱患可以由地震映像法有效識別。在地震映像剖面上通常表現(xiàn)為面波同相軸主要波組連續(xù)性突然變差，波組整體出現(xiàn)紊亂，但紊亂波組下部未見明顯掛面條現(xiàn)象（圖4a）。

壩體地層疏松是海塘的重要隱患之一，往往會導(dǎo)致壩體滲漏、坍塌潰堤等重要災(zāi)害，這種隱患可以由地震映像方法有效識別。在地震映像剖面中，表現(xiàn)為主要波組同相軸整體下拉、繞射特征較弱、波形雜亂或出現(xiàn)掛面條現(xiàn)象、主要波組能量減弱甚至消失等特征（圖4b）。一般來說，壩體局部疏松異常最后往往發(fā)育成空洞，所以疏松異常頂部能看到隱約的繞射形態(tài)，說明其已經(jīng)具有一定的空洞形態(tài)。

圖4 浦東臨港某海塘壩體紊亂擾動(a)與地層疏松(b)剖面Fig.4 Stratigraphic profile of disturbance (a) and strata looseness(b) of a seawall in Pudong Lingang

（5）壩體地層空洞或脫空

壩體地層空洞或脫空是海塘另一重要隱患，進(jìn)一步發(fā)育會直接導(dǎo)致壩體坍塌、潰堤等，這種隱患一般是壩體內(nèi)部滲流作用造成的下部土層流失或工后垂向不均勻沉降產(chǎn)生的空隙導(dǎo)致[10-12]，可以由地震映像方法有效識別。在地震映像剖面中，地層空洞表現(xiàn)為主要波組同相軸有明顯雙曲線繞射形態(tài)，同時下部伴有掛面條波形發(fā)育（圖5a）。地層脫空表現(xiàn)為主要波組上部形態(tài)正常，下部波組能量減弱至消失并伴有雜亂短同相軸發(fā)育（圖5b）。一般來說，相對于穿堤管涵，壩體內(nèi)部的空洞與周圍土層之間的界面相對不規(guī)則，這就造成空洞在地震剖面中具有不太規(guī)則的繞射弧形態(tài)，同時空洞內(nèi)部是不規(guī)則土層，造成繞射弧下部伴有掛面條波形現(xiàn)象。

圖5 浦東臨港某海塘地層空洞(a)與脫空(b)剖面Fig.5 Hollow section (a) and void section (b) of a seawall in Pudong Lingang

（6）穿堤管涵

由于工程建設(shè)需要，海塘中往往分布各種穿堤管涵，其與壩體的接觸區(qū)域可能造成壩體地層的擾動，發(fā)展成附近壩體地層的疏松、脫空、滲流通道等。其中，2m以淺的穿堤管道可以由地質(zhì)雷達(dá)法反映，較深部的穿堤管涵可以由地震映像法反映。

較淺的穿堤管道在地質(zhì)雷達(dá)剖面上表現(xiàn)為典型的雙曲線繞射波形（圖6a）；較深部的穿堤管道在地震映像剖面上表現(xiàn)為雙曲線亮點及繞射波形，且繞射弧下部無明顯掛面條形態(tài)（圖6b），部分穿堤聯(lián)通渠涵洞則在地震映像剖面上表現(xiàn)為亮點及具有一定涵洞形態(tài)的繞射波形，且下部也無明顯掛面條形態(tài)（圖6c），這是由于管道或涵洞與周圍壩體之間界面物性差異明顯，界面形態(tài)規(guī)則，往往會造成地震剖面中規(guī)則的繞射波形態(tài)特征。

圖6 各類穿堤管道的地質(zhì)雷達(dá)(a)與地震映像剖面(b/c)Fig.6 Geological radar (a) and seismic image profile (b/c) for various types of dike penetrating pipelines

（7）壩體淺埋異物

海塘隱患探測中，除了明顯的局部疏松等地層隱患和穿堤管涵外，還發(fā)現(xiàn)一種局部異常，其主要由地震映像法識別，在剖面中表現(xiàn)為淺部主要波組較為穩(wěn)定，下部波組出現(xiàn)一組或兩組局部亮點波形，其周圍的伴生雜波較少，且無明顯繞射形態(tài)，推斷此類隱患是淺埋的不明異常體或局部地層物性突變（圖7），可能是施工階段的殘留物或施工時局部不均勻吹填土造成。

圖7 浦東某海塘壩體淺埋異常體剖面Fig.7 Shallow buried abnormal body profile of a seawall dam in Pudong

2.2 可探測深度分析

（1）地質(zhì)雷達(dá)

地質(zhì)雷達(dá)法的探測深度，主要跟天線頻率、場地環(huán)境、介電常數(shù)等有關(guān)[13-14]。海塘隱患探測中為保證較高的分辨率，選用的是400 MHz頻率的天線，介電常數(shù)選取為7，由此得到的有效探測深度為2 m左右。對于2m以下的地層，地質(zhì)雷達(dá)法無法獲取有效信息，這跟海塘特殊的地質(zhì)環(huán)境有關(guān)。主要是由于上海地區(qū)地下潛水面較高，海塘又受海水潮汐影響，這都對電磁波的向下傳播產(chǎn)生較強(qiáng)的屏蔽，制約著地質(zhì)雷達(dá)法的探測深度。

（2）淺層地震

淺層地震法的探測深度跟排列布置、檢波器頻率、震源能量等有關(guān)，本次海塘隱患探測觀測系統(tǒng)采集的波型以面波為主，通過面波頻散分析得知有效探測深度在15 m左右。

對于具體隱患的埋深判斷，可利用面波頻散分析確定，但此法數(shù)據(jù)分析量大效率底，不適合隱患的快速識別和大面積普查。因此，為提高探測效率，采用地震映像剖面快速識別方法，通過對比所有偏移距剖面，選擇對隱患異常反映最明顯的偏移距剖面作為解釋剖面，根據(jù)面波傳播原理，所選擇的剖面偏移距值大體等于對此隱患最敏感的某頻率面波的波長，則隱患的埋深為1/2個波長值，即隱患的深度為所選偏移距值的一半。此法誤差在1~2個道間距范圍內(nèi)，在海塘地震映像探測中也得到實際驗證。

3 驗證案例

3.1 異常識別的驗證案例

長興島某處海塘識別出來地層疏松隱患后，發(fā)生了海塘結(jié)構(gòu)塌陷。

2021年9 月，海塘維養(yǎng)人員在長興島海塘巡查時發(fā)現(xiàn)某海塘外坡發(fā)生了嚴(yán)重塌陷，塌陷位于消浪平臺下坡，堤身內(nèi)管袋破裂、水土流失、堤身內(nèi)坡掏空，上層砌石結(jié)構(gòu)斷裂塌陷，柵欄板層斷裂，見圖8。圖9為2018年12月長興島海塘地震映像探測成果剖面，當(dāng)時圖中紅色線圈位置解釋為地層疏松擾動。將解釋成果與塌陷情況對比發(fā)現(xiàn)，二者位置高度一致，這很好地驗證了探測結(jié)果的準(zhǔn)確性，并體現(xiàn)了一定的預(yù)警性。

圖8 長興島海塘塌陷情況Fig.8 Collapse of seawall in Changxing Island

圖9 長興島某海塘地震映像探測波形變面積顯示(a)與變密度顯示(b)成果剖面Fig.9 Results display of variable wave (a) and variable density (b) of seismic image detection of a seawall in Changxing Island

3.2 深度判斷的驗證案例

浦東臨港某處海塘穿堤燃?xì)夤艿奶綔y分析結(jié)果與已知管道標(biāo)識信息一致。

圖10為浦東臨港某處海塘地震映像剖面，其中存在一處繞射異常，為一根管徑0.95 m，埋深6.3 m的穿堤燃?xì)夤艿溃〒?jù)現(xiàn)場標(biāo)示牌）。地震映像所有偏移距剖面中對此異常反映最明顯的是偏移距為12 m的剖面（圖10a），按地震映像快速識別方法判斷異常埋深在6 m左右，這與實際情況基本一致。此外，對此處進(jìn)行面波頻散分析獲得面波速度剖面（圖10b），同樣顯示燃?xì)夤墚惓Ｔ? m左右?？梢姡傻卣鹩诚窨焖僮R別方法判斷隱患深度是有效的。

圖10 浦東臨港某燃?xì)夤艿卣鹩诚?a)與面波速度(b)剖面Fig.10 Seismic image (a) and surface wave velocity (b) profile of a gas pipe in Pudong Lingang

4 認(rèn)識與結(jié)論

4.1 方法的有效性和高效性

（1）地質(zhì)雷達(dá)法可以精細(xì)刻畫海塘路基結(jié)構(gòu)，通過路基結(jié)構(gòu)形態(tài)特征能有效識別相應(yīng)的擾動隱患，方法分辨率高，但探測深度較淺（約2 m以淺），比較適合淺部路基的精細(xì)化探測和淺部管道探測。

（2）淺層地震法可以識別海塘路基以下至壩體基礎(chǔ)底部范圍內(nèi)（約2~15 m左右）的壩體結(jié)構(gòu)隱患，對局部結(jié)構(gòu)異常反應(yīng)靈敏，方法探測深度較深，但分辨率相對于地質(zhì)雷達(dá)較低，比較適合壩體結(jié)構(gòu)擾動的快速識別、重要異常點的精細(xì)化探測以及大管徑穿堤管涵的探測。

（3）地質(zhì)雷達(dá)法利用人拉或車載拖曳方式連續(xù)行進(jìn)，探測速度快效率高。本文淺層地震法采用拖帶式的固定排列方式，相對于傳統(tǒng)的地震采集方法速度較快，其中地震映像法能快速識別異常位置和深度，整體效率相對較高，而瞬態(tài)面波法需后期處理的工作量大，整體效率相對較低。

（4）此外，其他常用物探方法中的高密度電法也能取得一定的探測效果，但效率較低不適宜快速探測，而近年新興的三維地質(zhì)雷達(dá)和小線圈瞬變電磁法則具有更高的探測速度，有望在淺部快速探測中取得較好應(yīng)用，但二者均基于電磁特性，其探測深度和精度仍有一定局限性，有待進(jìn)一步研究。

4.2 隱患特征識別

（1）地質(zhì)雷達(dá)剖面中，隱患識別時以主要界面形態(tài)擾動和能量變化特征為主，一般主要界面發(fā)生劇烈擾動時，則表征路基結(jié)構(gòu)存在一定擾動隱患。

（2）地震映像剖面中，壩體地層的整體起伏擾動會造成主要波組的同相軸起伏，但仍保持較好的連續(xù)性；壩體地層的褶曲、錯斷、紊亂等擾動，會造成同相軸的連續(xù)性中斷，表現(xiàn)出交叉、錯斷、雜亂狀等形態(tài)；壩體地層的疏松，會造成地層橫向速度變化，表現(xiàn)出同相軸主要波組整體下拉、連續(xù)性中斷、局部波型雜亂并伴有掛面條形態(tài)等；壩體地層脫空主要表現(xiàn)為同相軸的能量減弱甚至消失并伴有雜亂短同相軸發(fā)育，地層空洞主要表現(xiàn)為波組同相軸有雙曲線繞射形態(tài)，同時下部伴有掛面條波形發(fā)育；穿堤管涵在地震映像剖面上表現(xiàn)為雙曲線亮點及繞射波形，且繞射弧下部無明顯掛面條形態(tài)；壩體淺埋異常體則表現(xiàn)為淺部主要波組較為穩(wěn)定，下部出現(xiàn)一組或兩組局部亮點波形，且周圍的伴生雜波較少。

（3）在大面積海塘隱患普查中，可采用地震映像剖面快速識別方法確定隱患類型、位置和深度，再根據(jù)需要利用瞬態(tài)面波和其他物探方法進(jìn)行隱患的精細(xì)探測。

（4）從探測的效果上看，兩種物探方法能夠在海塘上快速有效的反映出異常，這對于海塘運(yùn)維過程中的大面積快速安全評估具有較好的應(yīng)用前景，同時也應(yīng)認(rèn)識到，由于物探資料反演的多解性，對于隱患的識別解釋仍然會存在認(rèn)識誤區(qū)，可以綜合周圍環(huán)境、結(jié)構(gòu)資料、觀測資料等多種信息共同解釋。