多學(xué)科聯(lián)合檢測大壩滲漏方法的探討

聶澤棟

摘要：根據(jù)防汛抗洪要求，需要對巢湖大壩某處滲漏點(diǎn)進(jìn)行檢測，結(jié)合工作中積累的經(jīng)驗以及對現(xiàn)場情況的預(yù)判，嘗試采用了“地質(zhì)雷達(dá)+微動測量+無人機(jī)”的空中、地面、地下立體作業(yè)方式，通過對各種數(shù)據(jù)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(guān)鍵詞：地質(zhì)雷達(dá)；微動測量；無人機(jī)；航測與遙感；暗浜

引言

因巢湖環(huán)湖北路濕地公園入口東側(cè)路基底部出現(xiàn)一處滲水點(diǎn)，根據(jù)巢湖防汛要求，需對滲水點(diǎn)附近的路基進(jìn)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(dá)掃面、微動測量以及無人機(jī)航拍多種手段進(jìn)行探測，旨在分析滲漏原因及影響范圍，為后期堤壩的修復(fù)治理提供依據(jù)。

1.現(xiàn)場踏勘

根據(jù)現(xiàn)場防汛抗洪工作人員介紹以及查閱相關(guān)施工資料，大壩北側(cè)是環(huán)湖公路，公園入口東側(cè)有一處滲漏點(diǎn)，水流速約0.3升/秒，“千里之堤毀于蟻穴”是古訓(xùn)，本著對生命財產(chǎn)負(fù)責(zé)和大壩安全考慮，防汛指揮部要求我院找出滲漏點(diǎn)和滲漏原因。

2.技術(shù)依據(jù)和作業(yè)原理

2.1地質(zhì)雷達(dá)

2.1.1基本原理

地質(zhì)雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，簡稱GPR）是利用超高頻短脈沖電磁波在介質(zhì)中傳播時其路徑、電磁場強(qiáng)度與波形隨通過介質(zhì)的電性質(zhì)和幾何形態(tài)的不同而變化的特點(diǎn)，根據(jù)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(dāng)雷達(dá)系統(tǒng)利用天線向地下發(fā)射寬頻帶高頻電磁波，電磁波信號在介質(zhì)內(nèi)部傳播時遇到介電差異較大的介質(zhì)界面時，就會發(fā)生反射、透射和折射。兩種介質(zhì)的介電常數(shù)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(fā)射天線同步移動的接收天線接收后，由雷達(dá)主機(jī)精確記錄下反射回的電磁波的運(yùn)動特征，再通過信號技術(shù)處理，形成全斷面的掃描圖，工程技術(shù)人員通過對雷達(dá)圖像的判讀，判斷出地下目標(biāo)物的實際結(jié)構(gòu)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(zhì)的電性，介質(zhì)的電性主要有電導(dǎo)率μ和介電常數(shù)ε，前者主要影響電磁波的穿透（探測）深度，在電導(dǎo)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(zhì)體（物體）具有不同的電性，因此，在不同電性的地質(zhì)體的分界面上，都會產(chǎn)生回波。基本目標(biāo)體探測原理見圖2-2。

2.1.2儀器設(shè)備及資料處理及異常判別標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)本次地質(zhì)雷達(dá)探測任務(wù)，主機(jī)選用瑞典MALA ProEx型雙硬通道（四個數(shù)據(jù)通道）探地雷達(dá)主機(jī)，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(shù)為：時窗460ns，采樣頻率1700MHz。

對于地質(zhì)雷達(dá)探測數(shù)據(jù)的處理，主要為去直流漂移、零點(diǎn)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(jìn)一步解釋提供清晰可辨的圖像，識別現(xiàn)場探測中遇到的有限目標(biāo)體引起的異?，F(xiàn)象，對各類圖像進(jìn)行解釋提供依據(jù)。缺陷判別標(biāo)準(zhǔn)及依據(jù)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(qiáng)反射信號，同相軸雜亂、不連續(xù)，較分散；

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

④空洞（脫空）：界面反射信號強(qiáng)，三振相明顯，反射波首波為負(fù)波，在其下部仍有強(qiáng)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(shù)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(zhì)的S波速度結(jié)構(gòu)，以探查地質(zhì)構(gòu)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(jìn)行介質(zhì)分層及構(gòu)造識別。自然運(yùn)動和人類活動產(chǎn)生的振動都是微動信號的來源，所以該方法具有很強(qiáng)的抗干擾能力，適用于人口密集區(qū)。同時，因其兼有高頻、低頻的信號，故而既能進(jìn)行深部構(gòu)造探測，也能識別淺部的目標(biāo)體。

2.2.2儀器設(shè)備及資料解釋

儀器設(shè)備詳見圖2-3。采用直線型（圖2-4）布陣方式進(jìn)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(diǎn)距1m，L3線點(diǎn)距2m。

微動測量工作的物性基礎(chǔ)是地下介質(zhì)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(zhì)，微動成果剖面上表現(xiàn)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(zhì)，微動成果剖面上表現(xiàn)為相對高速異常；存在斷層、裂隙的位置在微動剖面上表現(xiàn)為低速異常；軟弱土層等目標(biāo)體在微動成果剖面上表現(xiàn)為相對低速異常。

2.3無人機(jī)傾斜攝影測量

2.3.1工作原理

傾斜攝影測量技術(shù)是國際攝影測量領(lǐng)域近十幾年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，該技術(shù)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(gòu)筑物頂面及側(cè)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(jìn)的定位、融合、建模等技術(shù)，生成真實的三維城市模型。該技術(shù)在歐美等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)廣泛應(yīng)用于應(yīng)急指揮、國土安全、城市管理等行業(yè)。

2.3.2儀器設(shè)備及資料解釋

本工程采用飛馬D2000無人機(jī)傾斜模塊（整體相機(jī)1.2億像素；傾斜相機(jī)鏡頭5個；鏡頭焦距下視25mm；斜視35mm；相機(jī)曝光速度：0.8s）按照2cm的分辨率進(jìn)行航拍。D2000搭配網(wǎng)絡(luò)RTK、PPK及其融合解算功能，支持高精度POS輔助空三，實現(xiàn)免像控應(yīng)用。配備“無人機(jī)管家專業(yè)版”軟件，具備各種應(yīng)用需求的航線模式，能夠進(jìn)行精準(zhǔn)三維航線規(guī)劃、三維實時飛行監(jiān)控、GPS融合解算、控制點(diǎn)量測、空三解算、一鍵成圖、一鍵導(dǎo)出立體圖形，提供DOM、DEM、DSM、TDOM等多種數(shù)據(jù)成果處理及瀏覽。本次航拍目的是輸出真三維模型，旨在準(zhǔn)確識別滲漏點(diǎn)周邊的情況，同時結(jié)合大壩施工期間的影像圖進(jìn)行疊加分析，另外還給以后的治理和施工設(shè)計提供基礎(chǔ)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(zhì)雷達(dá)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(diǎn)為圓心，按照300m的半徑航拍了現(xiàn)場真三維模型。

3.1以往衛(wèi)星影像及現(xiàn)場航拍資料對比分析

從圖3-2中可見，環(huán)巢湖北路濕地公園段是在填埋水塘基礎(chǔ)上修建的，存在暗浜，本次滲漏部位正好位于暗浜的北側(cè)。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(yīng)是修路期間魚塘清淤或回填土壓實等問題造成，導(dǎo)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(qiáng)增大后，水沿裂隙流動，形成滲漏。

3.2探測結(jié)果的推斷解譯

3.2.1 L1線結(jié)果分析

（1）工作位置

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

（2）結(jié)果分析

從圖3-5可見，主滲水點(diǎn)位于微動測量剖面34m～36m低速異常處，該處地質(zhì)雷達(dá)有較強(qiáng)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(jié)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(fā)現(xiàn)多個低速異常區(qū)，8m～12m處、18m～22m處及30m處。三處異常部位無滲水現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)。

3.2.2 L3線結(jié)果分析

（1）工作位置

L3位于環(huán)湖北路南側(cè)。具體點(diǎn)位見圖3-6。

（2）結(jié)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(guī)模較大，且向下收窄，該異常在地質(zhì)雷達(dá)影像上（地質(zhì)雷達(dá)14m～21m處）有反射能量較強(qiáng)（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(zhì)雷達(dá)影像對微動6m～12m處低速異常也有顯示（雷達(dá)影像2-4處較明顯）。

4.結(jié)論

如圖4-1，依據(jù)以往的衛(wèi)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(qū)。通過對各種數(shù)據(jù)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(huán)湖路段產(chǎn)生擾動，形成了環(huán)湖壩體出現(xiàn)不密實，暗浜中的水向不密實體滲入，進(jìn)而壩體北側(cè)出現(xiàn)了滲漏點(diǎn)。（2）L1-L3線地質(zhì)雷達(dá)影像均出現(xiàn)微弱的弧形同相軸，但強(qiáng)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(qū)域內(nèi)存在多個暗浜，是壩體的安全隱患，建議擇時對環(huán)湖大壩進(jìn)行多手段全面檢測。

參考文獻(xiàn)：

[1]CH/Z 3004-2010低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范.北京：測繪出版社， 2010.

[2]CH/Z 3003-2010低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范.北京：測繪出版社， 2010.

[3]袁世英，李增順，劉勇，郝震寰，劉乙淼，等；無人機(jī)遙感在測量工作中的實際應(yīng)用研究[J].科技風(fēng). 2017（15） .

[4]曾昭發(fā).探地雷達(dá)原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社， 2010.

[5]劉新彤.探地雷達(dá)多尺度波形反演方法研究（D）.長春：吉林大學(xué)， 2019.

[6]胡啟華，王紅根，桂磊峰，等；探地雷達(dá)對地下管線探測的應(yīng)用研究[J].江西測繪. 2019（03）.