多學科聯合檢測大壩滲漏方法的探討

聶澤棟

摘要：根據防汛抗洪要求，需要對巢湖大壩某處滲漏點進行檢測，結合工作中積累的經驗以及對現場情況的預判，嘗試采用了“地質雷達+微動測量+無人機”的空中、地面、地下立體作業方式，通過對各種數據的采集、疊加、分析與反演，找出了路基下的暗浜，為地方政府防汛抗洪提供科技支撐。

關鍵詞：地質雷達；微動測量；無人機；航測與遙感；暗浜

引言

因巢湖環湖北路濕地公園入口東側路基底部出現一處滲水點，根據巢湖防汛要求，需對滲水點附近的路基進行探測，探明是否存在管涌或滲漏通道。我院受地方政府之托，圍繞滲水部位，采用雷達掃面、微動測量以及無人機航拍多種手段進行探測，旨在分析滲漏原因及影響范圍，為后期堤壩的修復治理提供依據。

1.現場踏勘

根據現場防汛抗洪工作人員介紹以及查閱相關施工資料，大壩北側是環湖公路，公園入口東側有一處滲漏點，水流速約0.3升/秒，“千里之堤毀于蟻穴”是古訓，本著對生命財產負責和大壩安全考慮，防汛指揮部要求我院找出滲漏點和滲漏原因。

2.技術依據和作業原理

2.1地質雷達

2.1.1基本原理

地質雷達（Ground Penetrating Radar，簡稱GPR）是利用超高頻短脈沖電磁波在介質中傳播時其路徑、電磁場強度與波形隨通過介質的電性質和幾何形態的不同而變化的特點，根據接收到波的旅行時間（亦稱雙程走時）、幅度與波形資料來判斷探測物的深度、位置等。具體工作原理是：當雷達系統利用天線向地下發射寬頻帶高頻電磁波，電磁波信號在介質內部傳播時遇到介電差異較大的介質界面時，就會發生反射、透射和折射。兩種介質的介電常數差異越大，反射的電磁波能量也越大；反射回的電磁波被與發射天線同步移動的接收天線接收后，由雷達主機精確記錄下反射回的電磁波的運動特征，再通過信號技術處理，形成全斷面的掃描圖，工程技術人員通過對雷達圖像的判讀，判斷出地下目標物的實際結構情況水平距離，其工作原理見圖2-1。

電磁波的傳播取決于介質的電性，介質的電性主要有電導率μ和介電常數ε，前者主要影響電磁波的穿透（探測）深度，在電導率適中的情況下，后者決定電磁波在該物體中的傳播速度，因此，所謂電性介面也就是電磁波傳播的速度介面。不同的地質體（物體）具有不同的電性，因此，在不同電性的地質體的分界面上，都會產生回波?；灸繕梭w探測原理見圖2-2。

2.1.2儀器設備及資料處理及異常判別標準

根據本次地質雷達探測任務，主機選用瑞典MALA ProEx型雙硬通道（四個數據通道）探地雷達主機，不同頻率天線的測深能力不同，頻率越低，天線尺寸越大，探測深度越大，但是分辨率會降低；頻率越高，天線尺寸越小，探測深度越淺，分辨率會提高。本次選用的天線頻率為100MHz屏蔽式一體天線，選取的工作參數為：時窗460ns，采樣頻率1700MHz。

對于地質雷達探測數據的處理，主要為去直流漂移、零點切除、自動增益控制、刪除平均、帶通濾波、滑動平均等。目的是為了改善資料的信噪比，為進一步解釋提供清晰可辨的圖像，識別現場探測中遇到的有限目標體引起的異常現象，對各類圖像進行解釋提供依據。缺陷判別標準及依據如下：

①密實：反射信號幅度較弱，甚至沒有界面反射信號；

②裂隙：強反射信號，同相軸雜亂、不連續，較分散；

③軟弱層（充水）：界面反射信號較強，反射波首波為正波，在其下部仍有較強反射界面信號，回波為負波；

④空洞（脫空）：界面反射信號強，三振相明顯，反射波首波為負波，在其下部仍有強正波反射界面信號，兩組信號時程差較大。

2.2微動測量

2.2.1工作原理

微動測量技術就是從微動信號中提取面波（瑞雷波）頻散曲線，通過對頻散曲線反演獲得地下介質的S波速度結構，以探查地質構造的物探方法。通過S波速度在不同深度層次的高低變化，進行介質分層及構造識別。自然運動和人類活動產生的振動都是微動信號的來源，所以該方法具有很強的抗干擾能力，適用于人口密集區。同時，因其兼有高頻、低頻的信號，故而既能進行深部構造探測，也能識別淺部的目標體。

2.2.2儀器設備及資料解釋

儀器設備詳見圖2-3。采用直線型（圖2-4）布陣方式進行測量，臺陣半徑0～1m～2m～4m，采樣頻率250Hz，測量時間10分鐘，L1線點距1m，L3線點距2m。

微動測量工作的物性基礎是地下介質的波阻抗差異。如土壤、碎石、腐殖土等波阻抗相對較小的介質，微動成果剖面上表現為相對低速異常；如密實的巖石、混凝土等波阻抗相對較大的介質，微動成果剖面上表現為相對高速異常；存在斷層、裂隙的位置在微動剖面上表現為低速異常；軟弱土層等目標體在微動成果剖面上表現為相對低速異常。

2.3無人機傾斜攝影測量

2.3.1工作原理

傾斜攝影測量技術是國際攝影測量領域近十幾年發展起來的一項高新技術，該技術通過從“1+4”的方式（一個垂直、四個傾斜），從5個不同的視角同步采集影像，獲取到豐富的構筑物頂面及側視的高分辨率紋理。它不僅能夠真實地反映地物情況，高精度地獲取物方紋理信息，還可通過先進的定位、融合、建模等技術，生成真實的三維城市模型。該技術在歐美等發達國家已經廣泛應用于應急指揮、國土安全、城市管理等行業。

2.3.2儀器設備及資料解釋

本工程采用飛馬D2000無人機傾斜模塊（整體相機1.2億像素；傾斜相機鏡頭5個；鏡頭焦距下視25mm；斜視35mm；相機曝光速度：0.8s）按照2cm的分辨率進行航拍。D2000搭配網絡RTK、PPK及其融合解算功能，支持高精度POS輔助空三，實現免像控應用。配備“無人機管家專業版”軟件，具備各種應用需求的航線模式，能夠進行精準三維航線規劃、三維實時飛行監控、GPS融合解算、控制點量測、空三解算、一鍵成圖、一鍵導出立體圖形，提供DOM、DEM、DSM、TDOM等多種數據成果處理及瀏覽。本次航拍目的是輸出真三維模型，旨在準確識別滲漏點周邊的情況，同時結合大壩施工期間的影像圖進行疊加分析，另外還給以后的治理和施工設計提供基礎圖件。

3.工作完成情況

如圖3-1所示，本次工作共計布置地質雷達測線5條，累計剖面長度193m；微動測量剖面2條（L1和L3），累計長度95m；以滲漏點為圓心，按照300m的半徑航拍了現場真三維模型。

3.1以往衛星影像及現場航拍資料對比分析

從圖3-2中可見，環巢湖北路濕地公園段是在填埋水塘基礎上修建的，存在暗浜，本次滲漏部位正好位于暗浜的北側。從圖3-3中可見，在暗浜部位，公路上形成了較多的裂隙，主要原因應是修路期間魚塘清淤或回填土壓實等問題造成，導致地面存在不均勻沉降。由于暗浜填埋物與周邊土體存在一定差異，受不均勻沉降的影響，造成壩體擾動、土體不密實繼而形成裂隙，在巢湖水位上升且壓強增大后，水沿裂隙流動，形成滲漏。

3.2探測結果的推斷解譯

3.2.1 L1線結果分析

（1）工作位置

L1線主要圍繞滲水點開展的工作，其中滲水點位于地質雷達剖面7m～11m的位置，位于微動探測剖面33m～37m的部位。具體點位見圖3-4。

（2）結果分析

從圖3-5可見，主滲水點位于微動測量剖面34m～36m低速異常處，該處地質雷達有較強的反射信號（高亮度），且在埋深1m左右同相軸呈弱弧形。不排除地下有管道存在的可能。但從微動結果看，該滲漏在這條剖面上的影響半徑在2m左右。

同時在該剖面上，微動發現多個低速異常區，8m～12m處、18m～22m處及30m處。三處異常部位無滲水現象發現。

3.2.2 L3線結果分析

（1）工作位置

L3位于環湖北路南側。具體點位見圖3-6。

（2）結果分析

從圖3-7中可見，微動在6m～12m處，20m～30m處均存在一低速異常，其中20m～30m處異常規模較大，且向下收窄，該異常在地質雷達影像上（地質雷達14m～21m處）有反射能量較強（高亮度），且17m處在埋深4m～5m左右有反射同相軸呈弱弧形。

地質雷達影像對微動6m～12m處低速異常也有顯示（雷達影像2-4處較明顯）。

4.結論

如圖4-1，依據以往的衛星影像資料（圖3-2），初步圈定了暗浜的邊界。L3線微動低速異常正好位于該邊界上，L4線穿過暗浜區。通過對各種數據的采集、疊加、分析與反演，做出以下判斷：

（1）由于道路的不均勻沉降，帶動環湖路段產生擾動，形成了環湖壩體出現不密實，暗浜中的水向不密實體滲入，進而壩體北側出現了滲漏點。（2）L1-L3線地質雷達影像均出現微弱的弧形同相軸，但強度不大，可以判定不是管道滲漏。（3）暗浜是造成本次滲漏的主要原因。（4）探測區域內存在多個暗浜，是壩體的安全隱患，建議擇時對環湖大壩進行多手段全面檢測。

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