寒區堤防工程隱患探測中探地雷達技術應用

張家陽，王 宇，吳志琴，李兆宇，鄭 健

(黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

堤防工程是防洪工程中重要部分，對保障區域經濟社會穩定發展、人民生命財產安全發揮重要作用[1]。由于施工質量控制不嚴、堤防年久失修等原因，大多堤防工程內部不免存在松軟層、孔洞、裂縫以及滲漏等缺陷，需要不定期加固維護，特別是新老堤防堤身與堤坡結合部位，需著重處理存在的缺陷[2]。當遭遇超標準、歷時長的洪水時，導致發生堤防滲漏、管涌、塌陷甚至決口等安全問題，直接威脅人民的生命財產安全。

隨著我國堤防工程隱患探測技術逐步發展，水利部先后頒布《堤防隱患探測規程》(SL 436—2008)、《堤防工程養護修理規程》(SL 595—2013)等[3]技術標準，目前采用的技術方法有無損法和有損法，其中無損法包括基于電法的高密度電法、自然電場法；基于電磁波理論的地質雷達法、瞬變電磁法；基于彈性波理論的天然源面波法、瑞雷波法，以及微波遙感、同位素檢測、紅外測溫等技術[4-7]。

探地雷達作為無損物探常用技術方法，可實現堤防土質快速高效的探測[8]，本文對堤防工程中可能存在的隱患進行探查，及時探明隱患特征和位置，分析探地雷達圖像特征，對堤防隱患排查，消險、加固具有科學的指導意義。

1 探地雷達技術

1.1 技術原理

探地雷達利用不同物質對電磁波(107～109 Hz)的不同響應，來確定目標體分布特征的技術[9]。在探測時，電磁波的振幅、相位及頻率等特征，因不同物體介質電性、幾何形狀變化而變化，接受天線收集反射信號，經過數據處理后確定目標體空間分布[10]。介質因介電常數不同，會發生反射與折射，反射的強弱程度與介電常數大小相關[11]。雷達波行程時間計算見式(1)：

(1)

式中：z為界面反射處深度；x為發射天線與接收天線的間距；v為在介質中電磁波傳播波速；c為光速，取0.3 m/ns；εr為相對介電常數。電磁脈沖反射信號強度，與反射系數和電磁波被介質的吸收程度相關。當介質的電性差別越大，反射系數大，反射波能量越大，這是應用地質雷達技術探測前提條件[9]。

電磁波反射系數R的計算見式(2)：

(2)

式中：ε1為第一層介質的相對介電常數；ε2為第二層介質的相對介電常數。表1給出堤防非磁性常見介質參數[12]。

表1 堤防常見介質參數

地質雷達技術存在分辨率與探測深度的選擇問題，即雷達天線頻率高，分辨率越高，但探測的深度就越淺[10]。

1.2 工作參數

1.2.1 工作天線選擇

工作天線選擇要考慮目標體幾何尺寸、埋設深度及場地需求。要滿足分辨率的前提下，選用中心頻率低的工作天線。天線中心頻率由式(3)確定，亦可根據實踐經驗選取。

(3)

式中：f為天線中心頻率，MHz;x為空間分辨率，m;ε為相對介電常數。

1.2.2 時窗設置

主要考慮最大探測深度dmax與不同地層電磁波波度v影響。時窗W可由式(4)確定，并留有余量。

(4)

1.2.3 采樣率

采樣率是記錄反射波采樣點之間的時間間隔。至少達到記錄反射波中最高頻率的2倍。則采樣率Δt，可由式(5)計算

(5)

式中：Δt為采樣率，ns。

1.3 數據處理

探地雷達數據處理主要是壓制隨機和規則的干擾，以最大分辨率在探地雷達圖像剖面上突出反射波，以提取反射波的各種有用特征信息。常用探地雷達處理方法有數字濾波、反濾波反褶積、偏移和圖像增強處理。

地質雷達時間剖面上主要表現如下特征：(1)雷達反射波同向軸錯動或局部缺失；(2)雷達反射波波形畸變；(3)雷達繞射波明顯加強；(4)雷達反射波頻率改變。

探測成果的解釋工作，遵循先定性、后定量原則。根據圖像異常特征，判斷異常性質，提取有用信息；排除干擾因素，鎖定異常區域，確定異常源的邊界范圍；利用數據處理軟件，計算得出具體數據結果，表2為典型缺陷圖像特征。當探測目標體存在典型的空洞、缺陷等會在雷達圖上顯示為一個雙曲線的波形，當探測目標體存在典型的層位脫空、分界面等，在雷達圖上會顯示近水平的強波形。

表2 典型缺陷圖像特征

2 探測應用實例

2.1 現場工作

以黑龍江省某一級堤防探測為例，探查是否存在明顯空洞、富水區等潛在隱患及薄弱環節，系統介紹探地雷達應用工作情況。探測技術標準及文件資料有《水利水電工程勘探規程 第1部分：物探》(SL/T 291.1—2021)、《堤防隱患探測規程》(SL436—2008)、《水電工程物探規范》(NB/T 10227—2019)、《水電工程探地雷達探測技術規程》(NB/T 10133—2019)等。

探測工作前要檢查現場環境適應性：(1)要明確目標體與周邊介質存在明顯的電性差異。(2)探測深度不宜過大，要保證圖像質量。(3)測線設置要盡量躲避極高電導性屏蔽物，如金屬板覆蓋等。(4)探測工作區不能有范圍大、分布較為密集的金屬構件，或其他較強的電磁波干擾[14]。

依據現場情況，在堤頂中軸線位置布置沿長度方向的測線。經過現場試驗，選用OKO-2型地質雷達，中心頻率150 MHz， 采樣率1024 samp/scan，時間比例400 ns，軌跡間隔20 mm，采用剖面法沿著設計測線采集數據。

2.2 圖像分析

采集的雷達數據利用專業處理軟件，進行零線設定、圖像增益、濾波、去噪、均衡等數據后處理環節，得到堤防雷達探測剖面圖。如圖1。

圖1 堤頂中線測線

圖1是某堤防壩頂中線測線的實測圖像，橫坐標為測線沿著堤防軸線長度，左側縱坐標為時間歷時(ns)，右側縱坐標為地面以下深度。由圖1可知，在測線長度2051～2055 m，深度約2.5～5.0 m，與其周邊介質相比反射信號較強，局部產生強振幅反射，同相軸不連續，局部表現為區域化弧狀錯斷，初步判斷該區域土體密實性較差，如遇滲水會形成富含水區；其余位置圖像波形均勻，振幅和波向一致性良好，同向軸連續，未出現明顯異常區域，表明該段堤防堤身無明顯空洞、含水裂隙等隱患出現。

圖2中在測線長度10 451～10 456 m，深度約2.2～5.0 m處，與其周邊介質相比反射信號較強，局部產生強振幅反射，同相軸不連續，局部表現為區域化弧狀錯斷，初步判斷該區域土體密實性較差。在測線長度10 478～10 481 m，深度約1.2～2.5 m，圖像形成連續的同向反射波組，多次波較明顯，整體振幅較強，初步判斷該區域疑似高含水區，其余位置圖像整體性較好，局部偶爾出現同向軸散亂情況，初步判斷是由不同填土區密實性差異導致，無較大的安全隱患。

圖2 堤頂中線測線

圖3中測線長度19 933～19 942m，深度約2.5～4.0 m處，與其周邊介質相比反射信號較強，局部產生強振幅反射，同相軸不連續，局部表現為區域化弧狀錯斷，初步判斷該區域土體密實性較差，同時同向軸向下彎折錯斷，連續性較差，如遇長期滲水可能導致土體不均勻沉降。其余位置圖像波形均勻、同向軸連續，未出現明顯異常區域，表明該段堤防堤身無明顯空洞、含水裂隙等隱患出現。

圖3 堤頂中線測線

綜合以上堤防堤身地質雷達探測結果分析，雷達圖像多為波形均一、同向軸連續，反映出堤身整體狀態良好，未出現明顯異常區域。在局部區域出現界面差異明顯，如波形振幅變化異常、同向軸錯斷情況，表明堤身少數區域存在土體松散和高含水區，地質雷達探測達到了高效快速的探測目標。

3 結 論

通過分析地質雷達圖像同向軸形態、反射波波形等特征，可以有效判斷堤防可能存在的隱患類型與分布位置。

探測深度受堤防填筑材料均衡性，路面混凝土等界面干擾，難以精準換算。結合現場地勘鉆孔資料，標定土體介質電磁波傳播速度，從而對隱患位置進行精確定位，對物探后期工作具有重要的指導作用。因含水影響，堤身雷達信號加快衰減，建議通過其他物探手段進一步提高探測結果的精確性。

地質雷達的探測工作速度快、信號數據采集量大、目標體定位準確、儀器操作靈活，具有連續掃描圖像和實時顯示圖像等獨特優點，隨著雷達正演模擬技術及探測精度的發展，其在實際工作中的應用將更加廣泛，探測結果更加直觀。