堤防浸潤線地質雷達檢測模擬試驗研究

秦暢

摘要：堤防浸潤線的監測和檢測對于堤防安全具有重要意義。本文以地質雷達檢測技術為基礎，設計了堤防浸潤線地質雷達檢測試驗模型，深入研究了堤防浸潤線地質雷達檢測方法，通過試驗測定了堤防模型干砂土介電常數，采用單點探測方法，開展了堤防浸潤線的地質雷達檢測試驗，試驗成果表明，地質雷達能夠較準確地定位出含毛細管水影響的浸潤線位置，與實際浸潤線相比，檢測結果偏高。

關鍵詞：堤防工程，浸潤線，地質雷達檢測，模型試驗

1 地質雷達工作原理

地質雷達，是一種用來探測地下物體分布情況的電磁技術。它的工作原理是地質雷達通過發射天線向地下發送寬頻帶短脈沖形式的電磁波，經過目標體或地層的界面反射后，被接收天線所接收。按照波的合成原理，任何形式的脈沖電磁波都能夠被分解成為不同頻率的正弦電磁波，這就是正弦電磁波的傳播特征，也是地質雷達的理論基礎。在地質雷達主機的控制下，電磁波通過發射天線T向地下發送，其在傳播過程中遇到介電特性差異的界面或目標體時發生反射，反射的電磁波被接收天線R所接收。脈沖波行程需時：

（1-1）

（1-2）

當電磁波在地下介質中傳播的速度已知時，由于式中X（m）值在剖面探測中是固定的，所以可依據測得的時間t（ns），由上述公式求出反射體的深度Z（m）；其中（m/ns）可以根據式（1-2）近似求出，是電磁波在空氣中的傳播速度，其值為3.0×108m/s，為傳播介質的介電常數。

電磁波反射波的振幅和發射系數呈正比，在以位移電流為主的低損耗介質中，反射系數可依據公式計算出：

（1-3）

式中，R為反射系數；，為反射界面上、下層介質的相對介電常數，它們決定了反射信號的強度，兩者差異越大，反射信號就越強烈，反之反射信號就越弱。同時電磁波相位的正負關系也由地下媒介相對介電常數的差異性所決定。

影響地質雷達工作的主要因素有地下媒介的介電特性、含水情況及電磁波的頻率，它們決定了探地雷達的探測深度。

2 堤防浸潤線地質雷達檢測試驗

2.1介電常數進行測定

本次試驗選用美國GSSI公司生產的地質雷達探測系統，其包括SIR-20主機、15MHz～1600MHz各種不同頻率的天線及地面控制系統三部分。為了進行檢測試驗，首先需要對模型材料砂土的介電常數進行測定。

由公式1-1和公式1-2知，要計算地層的深度，需已知介質的介電常數。確定介質的介電常數的簡單方法有兩種，一種是經驗值法，即查閱常見媒介的介電常數表，并依據工程經驗賦值，此方法有一定的誤差；另一種是鉆孔法，即利用其鉆孔深度來修正介電常數，即通過已知深度反推介電常數。

依據上述鉆孔法原理，為測出試驗模型原始干砂土的介電常數，本文在一透明的方形塑料盒子中填裝兩層砂土：上部為干砂土層，厚16cm；下

部為濕砂土，厚18cm。 可知： ，即地質雷達的電磁波均從介電常數小的進入介電常數大的介質中，所以兩個分界面均出現在正波尖。根據實驗數據，可以得出試驗模型干砂土的介電常數取為6是合理的。

2.2 堤防浸潤線地質雷達檢測模擬試驗

地質雷達電磁波遇水衰減很快，干濕分界面會產生明顯的界面反射信號，因此可以用地質雷達檢測堤防由于滲流產生的干濕分界面。為了提高檢測效果，在制作堤防模型時，先對模型砂土材料進行晾曬或風干以減少砂土的含水量。在室內進行地質雷達試驗，受到試驗場地、試驗模型尺寸等因素的影響，本次試驗采用單點測量的探測方式。具體試驗步驟如下：

（1）在堤防模型試驗段頂部鋪設長方形塑料薄膜，在薄膜上均勻布置五個測點，它們分別距進水口的水平距離為0.39m、0.74m、1.09m、1.44m、1.79m。

（2）將天線放置到第一個測點處，連接到SIR-20主機上并設置參數。

（3）為便于測出干濕分界面，向水槽進水室快速注水至15cm，保持水位不變。

（4）當五個測點正下方均出現干濕砂分界面時，移動地質雷達天線分別采集各測點處的檢測數據，每個測點采集數據30秒。

2.3 地質雷達檢測試驗成果分析

根據實驗結果可看出，0.39m測點線性掃描和波形能辨別出空氣與干砂分界面，但干砂與濕砂分界面不明顯，0.74m測點、1.09m測點、1.44m測點和1.79m測點可以清晰的分辨出空氣與干砂、干砂與濕砂的分界面。這是由 900MHz天線的垂直分辨率為4cm及“模糊區”為10cm造成的。試驗中，測點離進水段越近，干砂與濕砂的分界面埋深越小，地質雷達分辨分界面就越模糊；反之，測點離進水段越遠，干砂與濕砂的分界面埋深越大，地質雷達分辨分界面就越清晰。

由上述內容知，空氣、干砂、濕砂三者的介電常數關系為

，故空氣與干砂，干砂與濕砂分界面均出現在正波尖處。可以得出，地質雷達檢測深度與實際埋深基本接近，誤差均在5%之內。試驗中的干濕砂分界面其實是浸潤線加該時刻毛細管作用高度所形成的分界面，因此扣除該時刻毛細管作用高度即可得到該時刻浸潤線的位置。在實際堤防工程應用中，可先利用地質雷達檢測出浸潤線加毛細管作用高度的分界線，然后通過現場試驗或查閱資料求出堤防填筑材料的毛細管作用高度，前者減后者便可得到浸潤線的大致位置。

分界面地質雷達檢測結果與實測值對比圖

3小結

本文在深入分析地質雷達檢測技術特點基礎上，開展堤防浸潤線地質雷達檢測試驗研究，主要內容和研究成果如下：

（1）分析了地質雷達檢測的工作原理和不同介質分界面的確定方法，建立堤防浸潤線檢測試驗模型，測定出模型材料干砂土的介電常數。在此基礎之上，開展了堤防滲流的地質雷達檢測試驗。試驗成果表明，地質雷達能夠較準確地定位出含毛細管水影響的浸潤線位置。與實際浸潤線相比，地質雷達檢測結果偏高。

（2）試驗模型有待改善。利用地質雷達技術對堤防滲流進行定量監測和檢測分析時，由于試驗在室內進行，所做的堤防模型尺寸只有2.00m×0.50m×0.45m（長×寬×高），因此未考慮模型尺寸效應。此外，水槽為有機玻璃材料，隨著長時間的使用，水槽壁與砂土之間逐漸形成一些小縫隙，這對試驗的觀測帶來不利影響。在以后的研究過程中，應盡量進行原形試驗，減小空氣及周圍環境對試驗的不利影響。

（3）在堤防浸潤線地質雷達檢測試驗中，砂土毛細管上升高度對地質雷達檢測浸潤線深度的影響目前還不存在相應的理論說明與技術指導文獻，可在以后的地質雷達浸潤線檢測工作中考慮毛細管上升高度的影響。