地質(zhì)雷達探測水下拋石的試驗研究

陳功翔

(江西省建洪工程監(jiān)理咨詢有限公司，南昌 330000)

1 工程背景

南昌市瓜洲聯(lián)圩位于南昌經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)白水湖管理處中聯(lián)村、瓜洲村、南坊村及黃堂村，現(xiàn)保護面積26km2、耕地800余hm2、人口1萬余人，是贛江支流的重要外洪圩堤。該聯(lián)圩連接中聯(lián)堤、瓜洲堤、汝羅湖堤而成，從雙西路堤至汝羅湖電排站，總長7083m。現(xiàn)狀中聯(lián)堤、瓜洲堤、汝羅湖堤的防洪能力約為5-8a一遇。長期以來，受水土流失及非法河道采砂影響，堤段滲漏嚴重，圩堤基礎單薄，不能滿足現(xiàn)有防洪要求，必須進行加固處理。

瓜洲聯(lián)圩加固工程水下拋石工程量為6180.11m3，選用200t甲板駁船3艘，運輸能力完全能夠保證施工需要。拋石施工受水位、流量、流速、流向、沖距、航運等因素的影響，為了保證拋投塊石的進度和質(zhì)量，擬采用1艘500t定位船分區(qū)分段進行網(wǎng)格拋投，根據(jù)施工現(xiàn)場的條件，將塊石用駁船運至施工現(xiàn)場拋投水域范圍后采用人工拋投，由專職施工人員進行拋投指揮，同時加強安全施工。

2 試驗基本情況

2.1 拋投網(wǎng)格布置

采用GPS全球定位測量系統(tǒng)及海洋成圖軟件對拋石區(qū)水下地形測量后，繪制出水下原始地形圖，其水下斷面測量的比例為1∶200，沿地軸線方面20m測量一橫斷面，測點的水平間距控制在5m內(nèi)。根據(jù)測量成果對拋投區(qū)進行劃檔分格，繪制測區(qū)拋投網(wǎng)絡圖，拋石網(wǎng)絡擬采用10m×10m的小網(wǎng)格比較合適。且能夠滿足一次性拋投到位的要求。局部岸線不順直的地方采用變網(wǎng)格，但其網(wǎng)格大小不能超過20m×10m，各網(wǎng)格的拋投量根據(jù)圖紙按網(wǎng)格上下斷面方向的平均值求得按拋投斷面計算出每個拋投測區(qū)的拋石數(shù)量，并對測區(qū)進行統(tǒng)一編號。

2.2 數(shù)據(jù)采集設備

為進行不同類型地質(zhì)雷達探測能力的比較，本試驗采用美國SIR-2型和加拿大EKKO-110型兩種地質(zhì)雷達在相同試驗剖面和測試區(qū)域進行對比試驗，并保證天線頻率范圍與采集參數(shù)一致。上述兩種地質(zhì)雷達天線中心頻率均為100MHz，脈沖寬度為20ns，脈沖幅度150V，其在巖土內(nèi)分辨深度最小值可達厘米級，穿透深度最大達20m，動態(tài)范圍達145dB。

此外還需配備的測量儀器包括經(jīng)緯儀、GPS、全站儀、回聲儀、流速儀、測繩、皮尺、標旗等；定位器材；500t定位駁船1艘、200t駁船3艘、200t拖船1艘、鐵錨、鋼絲繩、鉸車等；安全設備；救生圈、救生衣、導航標、燈、擴音喇叭等和其他一些必需設施。

2.3 探測方法

本試驗采用等間距點測與連續(xù)測量剖面法，點測間距0.2m，64次疊加；連續(xù)測量剖面水平向采樣密度50點/m[1]。將地質(zhì)雷達探測天線絕緣處理并與水體直接耦合，在施測小船的拖動下實施水上采集。根據(jù)施測深度，采樣長度設定為200ns、400ns、600ns、800ns、1000ns。

3 試驗過程及結(jié)果

3.1 試驗數(shù)據(jù)處理

考慮到地質(zhì)雷達通常通過反射剖面法進行數(shù)據(jù)采集，雷達波在傳播過程中會受到多種因素干擾，為增強有用信號、抑制異常干擾信號，必須通過數(shù)據(jù)處理過程進行數(shù)字濾波及增益調(diào)整。濾波處理包括時間域濾波、空間域濾波、二位濾波等方式。因雷達檢測信號隨時間的延長而減弱，必須對較弱信號施加增益函數(shù)以增強信號強度，除常規(guī)的AGC自動增益、SEC線性指數(shù)增益、固定增益等操作外，本試驗還增加了擬地震數(shù)據(jù)增益處理，以增強試驗效果。

雷達數(shù)據(jù)分析以常見介質(zhì)物性參數(shù)為基礎，詳見表1，根據(jù)雷達波傳播速度及所觀測到的傳播時間等進行水下介質(zhì)深度、厚度等的測算，公式如下：

h=vt

(1)

式中：h為水下介質(zhì)厚度，m；v為雷達波在水下介質(zhì)中的傳播速度，m/ns；t為雷達波在水下介質(zhì)中的傳播時間，s。

表1 常見介質(zhì)物性參數(shù)統(tǒng)計

地質(zhì)雷達測量以電磁波在不同介質(zhì)中的傳播速度為基本參量，傳播速度取值的準確程度決定著測距、水下介質(zhì)厚度等參數(shù)的準確性。本試驗區(qū)上層為江水，對于此類低損耗地層，雷達波傳播速度可表示為：

(2)

式中：c為光傳播速度，cm/ns，取30cm/ns；ε′為介質(zhì)復雜電常數(shù)純數(shù)，江水取80，水中拋石堆取70。則可得出本試驗區(qū)江水介質(zhì)中雷達波傳播速度為3.3cm/ns；水中拋石堆介質(zhì)中雷達波傳播速度為4.0cm/ns。

3.2 試驗結(jié)果及評價

1#測區(qū)測線長25m，與測岸相距4.0m，探測水深2.8-6.5m，SIR-2地質(zhì)雷達和EKKO-110型地質(zhì)雷達采集結(jié)果均顯示，水底界面清晰，拋石上層存在薄層淤泥，且拋石厚度1.8-2.2m，與周圍介質(zhì)相比，拋石堆反射波頻率較高，且陡峭邊坡拋石體繞射波存在雜亂反射，厚度均勻，河床中部拋石脫節(jié)，拋石堆繞射波與河床頂面探測波存在明顯分界，水下拋石形態(tài)及數(shù)量與設計技術(shù)要求基本相符。2#測區(qū)測線長100m，與測岸相距4.0m，探測水深1.5-5.5m，拋石堆厚度0.5-2.0m，雷達波探測結(jié)果顯示拋石堆頂面存在較大起伏，且局部淤泥層厚度較大，分布不均，部分區(qū)域存在淤泥分層。3#測區(qū)測線長100m，與測岸距離6.0m，探測水深3.0-5.7m，拋石堆厚度0.5-2.5m，拋石堆頂面起伏較大，且局部覆蓋淤泥，存在不均勻拋石間斷區(qū)域。

本次均勻水體介質(zhì)試驗結(jié)果顯示，雷達波波形穩(wěn)定、振幅均勻，頻譜范圍窄，有較高的分辨率，穿透力逐漸減弱；而雷達波在水下拋石堆介質(zhì)中的傳播波形存在明顯繞射，振幅不均，穿透能力強，相位連續(xù)；在水下拋石較少的淤泥區(qū)，雷達波波形頂部繞射減少，頻譜成分分化，相位吸收強；淤泥覆蓋充填拋石區(qū)域，雷達波波形振幅大，頻率低，相位連續(xù)且密度低。以上地質(zhì)雷達時間剖面特征并非獨立出現(xiàn)，而是幾種特征同時存在，需要試驗人員根據(jù)區(qū)域地質(zhì)條件及豐富的實踐經(jīng)驗，去偽存真，獲取更為準確的試驗信息。

本次試驗結(jié)果表明，地質(zhì)雷達在水下拋石方面的探測切實可行，且較少受季節(jié)的影響，但必須確保雷達天線防水與絕緣。頻率100MHz的探測天線所探測水深可達6.0m，探測結(jié)果所顯示的水下淤泥、拋石、河床等界面、形態(tài)分辨清晰且定量解釋科學合理；若水深超過6.0m，則SIR-2和EKKO-110型地質(zhì)雷達頻率100MHz的探測天線均僅能反映出水下拋石堆頂面形態(tài)，底界面模糊無法分辨。在實際探測過程中，必須權(quán)衡考慮并處理好分辨率與探測深度的關(guān)系，并通過探測設備下潛等方式突破探測深度局限。隨著介質(zhì)介電常數(shù)的增大，雷達波在介質(zhì)中的傳播速度越低，所以探測目標的分辨能力主要受介質(zhì)界面兩側(cè)介電常數(shù)差異的影響，不同介質(zhì)介電常數(shù)存在較大差別，雷達波傳播速度與頻率也不盡相同，差異越大，則界面越容易分辨，所以，通過繞射波形態(tài)及傳播速度的變化進行水下拋石堆厚度的雷達探測及定性定量解釋切實可行。

4 結(jié) 論

本試驗所采用的等間距點測與連續(xù)測量剖面法工作強度大，對數(shù)據(jù)處理要求較高，但探測速度快，結(jié)論準確度高，成果圖界面分層清晰；SIR-2和EKKO-110型地質(zhì)雷達對測試環(huán)境無較高要求，測試過程受外界干擾不大，是當前江河堤防工程中較為理想的水下拋石探測方法，本次試驗基本達到了水下拋石地質(zhì)雷達探測試驗目的，試驗過程和結(jié)果可為南昌市瓜洲聯(lián)圩圩堤加固水下拋石施工提供借鑒指導。