探地雷達在塔里木河岸堤監測中的應用

才登巴

(塔里木河干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

探地雷達是一種地球物理技術，用于探測和識別地表下的自然或人造結構[1-3]。探地雷達技術已經使用了約一個世紀。其發展的最初動機是軍事性質的，用于探測隧道和埋藏的地雷[4-6]。如今，探地雷達作為一種非侵入性的方法被廣泛應用于各種工程測量中，用于探測地下的空間特征。

近年來，水工建筑物地下空洞的探測和表征是需要解決的主要問題之一[7-8]。空洞問題可能威脅到結構本身的完整性和穩定性。防洪堤監測包括識別潛在的威脅，目前主要的檢測方式為目視檢查，這樣費時又費力，并且只能觀察到外觀[9]。然而，在枯水期盡早檢測河堤中的隱藏空隙是一項基本要求，為此確定一種有效的技術是一個關鍵問題[10]。

本文主要是為了測試探地雷達探測堤壩的可行性和有效性，特別是探測動物洞穴和地洞。這些洞穴的存在會明顯惡化洪水風險緩解結構的性能，從而增加防洪堤潰決的風險。從實踐的角度來看，利用地質雷達獲取這些結構完整的詳細信息具有一定作用。本文研究分析了探地雷達技術在塔里木河岸的應用情況。

1 研究區概況

塔里木河流域包括塔里木盆地、周邊向中心聚流的九大水系、114條源流和塔里木河干流、塔克拉瑪干大沙漠及東部荒漠區。流域總面積102萬km2，流域內有5個地(州)的42個縣(市)和兵團4個師的55個團場，全流域總人口902萬人，流域內現有耕地136.27萬hm2。九大水系包括孔雀河、迪那河、渭干河、庫車河、喀什噶爾水系、葉爾羌河、和田河、克里雅河和車爾臣河水系。塔里木河是一個封閉的內陸水循環和水平衡的水文區域，該河干流上段從阿拉爾到曲毛格金河段屬動蕩型河道，河勢的變化非常頻繁且幅度較大，河流周圍地區一直面臨著洪水泛濫和河岸侵蝕等重大問題，研究段位于曲毛格金河上游約12 km處。

2 研究方法

探地雷達是一種非常有效的淺層目標探測工具[5]。當地形覆蓋層相當光滑且穿透層干燥時，可獲得最佳結果。探地雷達的一個主要優點是能夠在相對較短的時間內，在較寬的區域內以連續的方式進行掃描。

電磁波傳播的兩個重要介電參數是電導率和相對介電常數，如式(1)～式(2)：

(1)

(2)

式中：σ為電導率，S/m；ρ為電阻率，Ω·m；εr為相對介電常數；εb為材料介電常數，F/m；ε0為真空介電常數，取8.85×10-12F/m。多孔介質的相對介電常數εr可以認為是不同相的相對介電常數總和，如式(3)：

(3)

式中：εr,l為液態水的相對介電常數；εr,a為空氣的相對介電常數；εr,s為固體的相對介電常數；α為幾何參數，取0.5(取決于礦物顆粒的位置)；θl、θa和θs為各相的體積分數。這種關系被稱為混合電介質模型。

如表1所示，液態水的相對介電常數值最高為80，因此它對地形的介電常數起著重要作用。如果測量時處理好含水量，將有利于測量結果；而當進行探測和定位深度物體的測量時，這一特征可被視為一個缺點，因為它會顯著影響波的傳播，尤其是當基底具有高黏土和鹽含量時。

表1 不同材料的電導率σ、相對介電常數εr和速度v的參考值

探地雷達剖面的垂直分辨率是沿單一軌道反射的距離；區分附近兩個物體之間的距離，稱為X。在理想情況下，該距離X=0.25λ，而在實際情況下，X大于波長的一半如式(4)：

(4)

式中：λ為波長，m；f為波頻率，MHz。因此，必須根據實際問題選擇天線頻率，在高分辨率和調查深度之間找到最佳方案。

3 案例研究

對塔里木河的幾公里河岸和路堤進行探地雷達勘測,使用的地質雷達設備為RAMAC/GPR，配有一個250 MHz天線和一個RAMAC控制單元。250 MHz的天線在理想條件下和稍微導電的地形下，可以達到約3～43 m的最大深度值，但是在野外條件下，水的存在會降低這個值，本次的最大檢查深度約為2 m，如表2。使用REFLEXW 5.0軟件處理和分析數據，應用了無定向校正、平均去噪、背景去除和手動增益，靜校正用于地形校正。

表2 不同頻率對應的最大分辨率和調查深度

3.1 野外試驗概況

為避免植被對調查結果的影響，調查是沿著河岸進行的，一直到大堤的斜坡和堤頂。主要調查了兩個地點，調查點1土壤為粉質黏土，含砂量為9%，黏粒含量為36%，總飽和度為0.49 m3/m3。堆積密度從表層(0～50 cm)的1.28 g/cm3到深層(100～150 cm)的1.58 g/cm3不等；調查點2的土壤含砂量為15%，黏粒含量為29%，總飽和度為0.42 m3/m3。堆積密度從表層的1.48 g/cm3到深層的1.55 g/cm3不等。如上所述，εr通常是未知的，因為它取決于介質的礦物成分和測量過程中的濕度條件。

因此，我們針對每個地區特有的地面條件校準了探地雷達儀器(如圖1所示)。這包括通過直接方法測量εr，方法是設定該條件下的速度，并選擇合適的時間范圍，以納秒為單位進行測量。圖2顯示了使用位于已知深度的混凝土排水管進行的校準。通過試驗得到此類土壤的波傳播速度和介電常數。作為對照，試驗還采用了速度自適應方法，該方法結果與現場觀測結果一致。這一地區岸堤主要受動物洞穴的影響，這些洞穴通常位于河岸上，靠近溪流的自由表面，有的位于大堤內部。檢測已知位置的空洞，識別未知位置的空洞，并使用一系列以蜿蜒模式進行的并行探地雷達掃描，通過地下地形的3D模型定量評估洞穴的尺寸和布局。

圖1 利用已知深度的排水管進行校準圖

圖2 探測圖

3.2 結果和討論

如圖2，探地雷達發現了一系列的洞穴，這些雙曲線或與先前確定的洞穴位置相匹配或是未知的洞穴。后者是在探地雷達勘測后通過更精細的目視檢查確定的，之前沒有確定因其被植被掩蓋。由于波速為0.08 m/ns，10 ns的反射時間對應于0.4 m的深度，因此洞穴通常在0.4～1.0 m的深度范圍內。圖3(a)描繪了從3D模型中檢索的兩個不同的洞穴，一個在面板頂部較大、較淺，一個在中央位置較小、較深。時間片的距離以米為單位，較長的一邊平行于河岸，而較短的一邊垂直于河岸。從軟件處理結果可以獲得關于掃描體積內深度變化的洞穴形狀的信息，在這種情況下，深度從0.64～1.20 m。探地雷達勘測后幾周，河道堤岸的修繕工程驗證了這一信息的正確性，驗證了探測到的洞穴的形狀和深度。

圖3 探地雷達處理軟件的結果

探地雷達已經被證明是一種很好的探測堤壩空隙的工具。為了提高結果可信度，應在清除樹木和雜草后進行探地雷達調查。植被的存在不僅是能量分散的原因，而且還妨礙了車輪里程表正確測量距離，在斷面的水平尺度上產生誤差。沿著堤壩的斜坡進行的掃描，如圖3(b),沒有得到高質量的數據，其原因可能為：

(1)大堤坡度較高，天線發射射線不與空腔相交如圖4(a)。

(2)空洞的幾何形狀如圖4(b)，即使它與天線發射的軸線相交，兩者之間的相交深度也大于儀器的最大探測距離。

圖4 河堤邊坡探地雷達探測可能失敗的原因

除了這些限制因素之外，探地雷達調查在解決當前問題方面有以下主要優勢：

(1)易于實施測量。

(2)實時可視化收集數據并可以及時發現異常數據。

(3)可從地下地形的3D模型中獲得關于空隙空間布局的詳細信息。

4 結 論

本研究的主要目的是檢驗探地雷達方法在檢測堤壩和河堤內部是否存在空隙和間斷的適用性和有效性。在調查過程中，降雨導致土壤含水量高；介質中黏土的擴散導致土壤的高導電性等因素一定程度上干擾了監測：由于堤壩頂部和斜坡維護不善，存在大量植被；地下孔洞的形狀、大小和位置變化很大，需要使用不同頻率的天線。

另一方面，相對于傳統的地球物理技術，探地雷達被證明是一種有效的堤防監測技術。

探地雷達技術在探測靠近河床的堤壩或土堤內的空洞(尤其是動物洞穴)方面顯示出良好的性能。然而，需要進一步測試，以充分了解這一技術在監測防洪堤健康狀況方面的實際能力，特別是較大的防洪堤以及用于減輕洪水風險的其他民用結構。