堤防中地質雷達和高密度電法隱患探測的應用

王文杰

邯鄲市天河水利工程有限公司 河北 邯鄲 056001

1 工程概況

漳河水系是海河流域南部防洪骨干水系，位于東經112°～118°，北緯35°～39°之間，漳河發源于太行山區，地跨晉、冀兩省，流域面積19220km2，地勢呈西高東低。漳河右堤屬于3級1類堤防，堤防總長101.13km，堤身高度一般在3～5m，堤頂寬度為5～7m。本文基于采用地質雷達和高密度電法對漳河部分堤防進行隱患探測，分析漳河堤防的內部隱患類型，為了更好的了解和掌握大名縣境內漳河右堤100+500—101+331段堤段范圍內堤防的內部隱患特征。

1.1 探測目的和任務

本次對大名縣境內漳河右堤100+500-101+331段堤防進行地質物探工作，項目工作區位于邯鄲市大名縣前崔莊村～周莊村之間，大名漳河右堤100+500—101+331段堤頂路面為土路面，物探的目的是要查明該段堤防是否存在隱患以及隱患的類型和分布范圍，為漳河安全運行，防洪、減災和抗災治理設計提供科學依據。同時利用地質雷達和高密度電法數據進行對比分析，進一步細致的劃分隱患的類型和分布范圍。

1.2 隱患形成條件

本次探測區段屬于漳河下游與衛河交匯處附近，地下水埋深較淺，一般為5～10m，地下水動態變化不大，且低于河水位，屬孔隙潛水。受大氣降水、地表河流補給，流動方向大體上由西南向東北方向流動，地下水水力梯度在1‰-2‰左右，地下水的排泄以蒸發、農田灌溉、居民用水等垂向排泄為主，側向地下水徑流為輔。地下水動態受大氣降水影響，雨季水位抬升，枯水季節水位下降。

首先，地下水位埋深較淺地段，若上部為粘性土覆蓋的飽和中砂、細砂、極細砂河段，地震時有發生震動液化的可能，形成管涌、流土等不良地質現象。由于粘土和壤土的力學強度低，內摩擦角10°以下，成軟塑狀態，會出現承載力低的現象，導致河堤滑坡。

其次，中砂、細砂、極細砂河段為透水層，當出現洪水時，河道水位高于堤外水位，在內外壓力差的作用下會出現管涌，長期作用的結果會形成塌堤，最終形成決口。

第三，在近幾年，采取了多種方法對堤防進行除險加固，在很大程度上消除了部分隱患，提高了堤防的防洪能力。但是由于形成堤身隱患的因素不能徹底消除，如動物洞穴、氣候變化及內部水分變化形成的不均勻沉降、裂縫、搶險材料腐朽后形成的松散體、凍脹等，致使堤身內部仍存在部分隱患。

1.3 地質雷達和高密度電法探測的前提

不同巖石具有不同的導電性和電阻率，地質雷達探測就是通過測定地下不同地點、不同深度的電性差異（電導率和介電常數）來達到探查不均勻地質體的目的，高密度電法則通過測量兩個電極之間的電壓和電流來測得地下的巖石視電阻率。堤防構成以砂性土為主，也就是說構成河堤的各層土中除結合水外是不含地下水的，顆粒之間的孔隙或空洞為空氣介質，形成高電阻值低電導率，同時地下空間內存在著不同巖性的介質，其不同介質的介電常數不同，為地質雷達和高密度電法的探測提供了必要條件，當堤防中出現隱患后，隱患區的土體性質將會發生根本變化，密實度降低、粘粒含量減少、孔隙增多，這樣會在外界電場的激發下出現不同的次導電能力的差異，結合工程經驗和分析次生場，就能推斷出不同性質的巖土介質及其分布范圍，從而達到隱患探測目的。

1.4 采用地質雷達和高密度電法探測的可行性

地質雷達的探測能夠解決眾多工程地質問題，其優越的特性主要體現在：(1) 地質雷達是一種非破壞性的探測技術，可以安全地用于工程現場。工作場地條件寬松，適應性強(對于輕便類的儀器)；(2) 抗電磁干擾能力強，可在各種噪聲環境下工作，環境干擾影響小；(3) 具有工程上較滿意的探測深度和分辨率，現場直接提供實時剖面記錄圖，圖像清晰直觀；(4) 便攜微機控制數字采集、記錄、存儲和處理。輕便類儀器現場僅需3人或更少人員即可工作，工作效率高。當然，由于使用了高頻率，電磁波能量在地下的衰減劇烈，因而在高導厚覆蓋條件下，探測范圍受到限制[1]。

高密度電法主要依據探測區的地層電阻率的差異（地層電參數）來進行測量，根據本區的地層巖性特征總結歸納工作區內主要地層電參數特征：

粘土：均呈現為低阻電性層，視電阻率在10～20Ω·m之間，同類地層之間電性差異較小

壤土：視電阻率在10～15Ω·m之間，同類地層之間電性差異較小。

砂壤土：視電阻率在15～30Ω·m之間，同類地層之間電性差異小。

細砂：視電阻率在20～40Ω·m之間，同類地層之間電性差異較小。

1.5 工程布置

本次探測區段位于邯鄲市大名縣邯鄲市大名縣崔莊村～周莊村之間（漳河右堤100+500-101+331段堤段），本段堤距831m。地質雷達觀測線布置于堤防臨河路面一側。依據《堤防工程地質勘查規程》(SL 188-2005）規定，地質雷達探測在靠近河流一側的堤頂進行，采用測線式布置方式，每條測線選擇在地面平整、均勻地段進行。測線長度和實際測量長度一致。測線使用皮尺進行放線和高精度手持GPS進行定點，并用堤防上里程碑進行校核。同時測量數據應用地質雷達的滑輪測距功能，利用測輪控制測量長度。

依據《堤防工程地質勘查規程》(SL 188-2005）規定，高密度電法布線布置于漳河右堤100+300-101+000（700 m），在堤頂布置了一條測線，測線沿堤防延伸方向布設。為測定堤防深層情況，在漳河右堤100+557.5-100+712.5（155 m），在堤腳布置了一條測線，測線沿堤防延伸方向布設。

2 工程數據處理與解釋

2.1 物探解釋

2.1.1 地質雷達解釋方法

地質雷達資料的地質解釋是地質雷達測量的目的。然而地質雷達資料反映的是地下介質的電性分布，要把地下介質的電性分布轉化為地質體的分布，必須把地質、鉆探、地質雷達和其他相關的資料有機結合起來，建立測區的地質—地球物理模型，并以此獲得地下地質模式[2]。

地質雷達圖像剖面是地質雷達資料地質解釋的基礎圖件，根據測量目的，對比雷達圖像與鉆探結果，建立測區地層的反射波組特征。根據地層反射波組特征與鉆孔對應的位置劃分反射波組后，就需要依據反射波組的同相性與相似性進行地層的追索與對比。在進行時間剖面的對比之前，要掌握區域地質資料，了解測區所處的構造背景。在此基礎上，充分利用時間剖面的直觀性和范圍大的特點，統觀整條測線，研究重要波組的特征及其相互關系，掌握重要波組的地質構造特征，其中特別要重點研究特征波的同相軸變化。特征波是指強振幅、能長距離連續追蹤、波形穩定的反射波[3]。它們一般都是主要巖性分界面的有效波[4]。它們特征明顯，易于識別。掌握了它們就能研究剖面的主要地質構造特點。

破裂帶及大的風化裂隙、含水量變化大造成正常地層突變，兩側地層或土壤層性質發生變化，表現在地質雷達時間剖面上為反映地下地層界面上的雷達反射波同相軸明顯錯動，斷層或土壤層性質發生變化較大，這一特征越明顯。

2.1.2 地質雷達數據判別依據

（1）反射波同相軸特性

雷達記錄資料中，同一連續界面的反射信號形成同相軸，依據同向軸的時間、形態、強弱、方向反正等進行解釋判斷是地質解釋最重要的基礎。同向軸的形態與埋藏的物界面的形態并非完全一致，特別是邊緣的反射效應，使得邊緣形態有較大的差異[5]。

（2）反射波的頻譜特性

不同介質有不同的結構特征，內部反射波的高、低頻率特征明顯不同，這可以作為區分不同物質界面的依據[6]。

2.1.3 高密度電法解釋方法

在地下巖石電性分布不均勻（同時賦存有兩種或兩種以上電差異性的巖體或礦石）或地表起伏不平的情況下，若按測定均勻水平大地電阻率的方法，得出的計算結果為視電阻率[7]。

視電阻率值與地下不同導電性巖體（或礦體）的分布狀況有關，還與所采用的裝置類型、裝置大小、裝置相對于電性不均勻體的位置以及地形有關。

本次實測高密度電法采用溫納裝置進行數據采集，數據在處理前須進行預處理，如圓滑或二維反演程序中的壞數據點的剔除等預處理。而后采用視參數法、使用Surfer繪制成圖、用二維反演程序或多種方法結合進行處理與反演解釋。

本次資料解釋采用反演電阻率斷面法，通過與地質雷達數據處理結果進行對比來進行深度修正。對于堤體的填土層，由于表面土層較為干燥，為相對高電阻率反映，對于其它位置的覆蓋層應為相對低電阻率反映，對于基巖中的巖溶發育或巖體破碎區域應為低電阻率反映，而較完整的巖體為高電阻率反映。

2.2 成果分析

2.2.1 地質雷達成果分析

基于野外探測的數據，在實驗室內的工作站對野外采集的數據進行了各種數據處理后，得到了不同地段隨著探測距離變化的時間剖面圖。

（1）漳河右堤100+500-101+000堤段：在100+634之前的區域，地質雷達的時間值變化不是很均勻，地下各層介質的電導率和層位比較混亂，說明該段地下整體不均勻比較多；后半段區域內的地質雷達的時間值變化較均勻，地下各層介質的電導率和層位比較清晰，同時根據反射波的振幅與方向的特點以及瞬時相位特征，從地表自上而下可劃分為3層結構，第一層為壤土壓實夾雜部分小碎石，向下反射波的能源較小，部分地區不均勻，厚度大約為0.5～0.7m；向下大約在3.5～4m有一反射界面，根據振幅方向來看，明顯區別于第一層，層位穩定，局部不均勻，可能存在著風化裂隙和由于地表的不均勻沉降造成的地面裂隙，深度較小，裂隙向地下延展較小，裂縫寬度不大；再向下大約3m左右又存在一層介質，層位穩定，均勻。在剖面的縱向上，在樁號為漳河右堤100+563-100+573、100+837-100+847、100+858-100+874、100+826-100+911段存在質地不均勻；100+634-100+647、100+855-100+863、100+884-100+892段由于路況，天線與路面存在耦合不良的情況。

（2）漳河右堤101+000-101+500堤段：該區域101+135-101+295整段區域為沙土路，在此范圍內的地質雷達的時間值變化不是很均勻，地下各層介質的電導率和層位比較混亂，其余區域內的地質雷達的時間值變化較均勻，地下各層介質的電導率和層位比較清晰，同時根據反射波的振幅與方向的特點以及瞬時相位特征，從地表自上而下可劃分為3層結構，第一層為壤土壓實夾雜部分小碎石，向下反射波的能源較小，部分地區有不均地區，厚度大約為0.5～0.7m；向下大約在3.5～4m有一反射界面，根據振幅方向來看，明顯區別于第一層，層位穩定，局部不均勻，可能存在著風化裂隙和由于地表的不均勻沉降造成的地面裂隙，深度較小，裂隙向地下延展較小，裂縫寬度不大；再向下大約3m左右又存在一層介質，層位穩定，均勻。在剖面的縱向上，在樁號為漳河右堤101+012-101+022段存在耦合不好；101+090-101+115段質地不均勻；101+135-101+295段路面為沙土路，石頭多，天線與路面存在耦合不良的情況；101+392-101+396、101+425-101+430段推測有小型破碎。

2.2.2 高密度電法成果分析

本次高密度電法在堤頂布置了一條沿著堤壩方向的測線，在壩底布置了一條測線，以下針對測線具體分析：

（1）漳河右堤100+300～101+000段高密度：從反演電阻率斷面圖上看，該剖面視電阻率范圍約為幾Ω·m～100Ω·m。電阻值上高下低，其中在漳河右堤100+320-100+480、100+520-100+670、100+820-100+860、處，電阻值偏低，經實地考察，是由于該段曾經是河水緩慢滲出處。整體上土體比較均勻，有明確的地層劃分，自上到下大致可劃分為粘土層、砂壤土層、細砂層，其中砂壤土層夾雜了粉砂透鏡體。整個地段沒有明顯電阻紊亂部分，整個堤體電阻均勻，沒有異常點。

（2）漳河右堤100+557.5-100+712.5段高密度：從反演電阻率斷面圖上看，該剖面視電阻率范圍約為幾Ω·m～100Ω·m。電阻值上高下低，其中漳河右堤100+617.5-100+645.5處，電阻值偏低，經實地考察，是由于該段曾經被河水長時間淹沒導致。整體上土體比較均勻，有明確的地層劃分，自上到下大致可劃分為粘土層、砂壤土層、細砂層，其中砂壤土層夾雜了粉砂透鏡體。整個地段沒有明顯電阻紊亂部分，整個堤體電阻均勻，沒有異常點。

2.3 地質解釋

在整個測試過程中，堤防地段未見大規模水流，且堤身表面比較干燥。

根據地質雷達時間剖面、高密度電法剖面和實際的地質情況結合，得出本次探測成果圖。物探成果得出如下解釋：

測段內發現部分區域有滲漏通道、裂隙及軟弱結構面。

在堤防物探范圍內堤段存在密實度不均一現象。局部地段的地表淺層位存在著一定范圍內的垂直裂隙帶，裂隙沿滑坡面延伸；同時在局部堤防內部存在小型空洞地質現象。發現小型破碎2處，分別為漳河右堤101+392-101+396、漳河右堤101+425-101+430；質地不均勻5處，分別為漳河右堤100+563-100+573、漳河右堤100+837-100+847、漳河右堤100+858-100+874、漳河右堤100+826-100-911、漳河右堤101+090-101+115。其中漳河右堤101+135-101+295段堤防路面為沙土路，石頭多，天線與路面存在耦合不良的情況。段堤堤整體密實度較差，其它段堤身整體密實度和均一性較好。

高密度測線剖面的地層與該段地質雷達測得數據具有很大的一致性，沒有發現明顯的異常點。

3 結論與建議

3.1 主要結論

根據地球物理勘探，得出如下結論：

（1）測段地層以粉土、粉砂層為主，上部干燥，下部含水。

（2）堤防堤頂寬度為5～7m，堤基面的起伏狀態平穩，局部因夾地層透鏡體、含水層深度變化而產生一定起伏，總體相對穩定。

（3）堤身整體完整性較好，查明物探范圍內地下部分地段存在裂隙、空洞及軟弱體等不良地質現象。發現小型破碎2處，質地不均勻5處。

（4）建議對密實度差的堤段進行強度測試，并做適當處理。

3.2 主要建議

對于物探推測的異常區域進行鉆探驗證，準確掌握不均勻土體的結構和空間特征，以確保結果的可靠性和為下一步堤防處理提供依據。同時為了堤防的安全運行，在汛期應加強堤防的檢測工作，適當采取措施如注漿處理等手段增加堤防的強度和抗滲性，提高防洪能力。