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堤防浸润线地质雷达检测模拟试验研究

秦畅

摘要：堤防浸润线的监测和检测对于堤防安全具有重要意义。本文以地质雷达检测技术为基础，设计了堤防浸润线地质雷达检测试验模型，深入研究了堤防浸润线地质雷达检测方法，通过试验测定了堤防模型干砂土介电常数，采用单点探测方法，开展了堤防浸润线的地质雷达检测试验，试验成果表明，地质雷达能够较准确地定位出含毛细管水影响的浸润线位置，与实际浸润线相比，检测结果偏高。
关键词：堤防工程，浸润线，地质雷达检测，模型试验
1 地质雷达工作原理
地质雷达，是一种用来探测地下物体分布情况的电磁技术。它的工作原理是地质雷达通过发射天线向地下发送宽频带短脉冲形式的电磁波，经过目标体或地层的界面反射后，被接收天线所接收。按照波的合成原理，任何形式的脉冲电磁波都能够被分解成为不同频率的正弦电磁波，这就是正弦电磁波的传播特征，也是地质雷达的理论基础。在地质雷达主机的控制下，电磁波通过发射天线T向地下发送，其在传播过程中遇到介电特性差异的界面或目标体时发生反射，反射的电磁波被接收天线R所接收。脉冲波行程需时：
（1-1）
（1-2）
当电磁波在地下介质中传播的速度已知时，由于式中X（m）值在剖面探测中是固定的，所以可依据测得的时间t（ns），由上述公式求出反射体的深度Z（m）；其中（m/ns）可以根据式（1-2）近似求出，是电磁波在空气中的传播速度，其值为3.0×108m/s，为传播介质的介电常数。
电磁波反射波的振幅和发射系数呈正比，在以位移电流为主的低损耗介质中，反射系数可依据公式计算出：
（1-3）
式中，R为反射系数；，为反射界面上、下层介质的相对介电常数，它们决定了反射信号的强度，两者差异越大，反射信号就越强烈，反之反射信号就越弱。同时电磁波相位的正负关系也由地下媒介相对介电常数的差异性所决定。
影响地质雷达工作的主要因素有地下媒介的介电特性、含水情况及电磁波的频率，它们决定了探地雷达的探测深度。
2 堤防浸润线地质雷达检测试验
2.1介电常数进行测定
本次试验选用美国GSSI公司生产的地质雷达探测系统，其包括SIR-20主机、15MHz～1600MHz各种不同频率的天线及地面控制系统三部分。为了进行检测试验，首先需要对模型材料砂土的介电常数进行测定。
由公式1-1和公式1-2知，要计算地层的深度，需已知介质的介电常数。确定介质的介电常数的简单方法有两种，一种是经验值法，即查阅常见媒介的介电常数表，并依据工程经验赋值，此方法有一定的误差；另一种是钻孔法，即利用其钻孔深度来修正介电常数，即通过已知深度反推介电常数。
依据上述钻孔法原理，为测出试验模型原始干砂土的介电常数，本文在一透明的方形塑料盒子中填装两层砂土：上部为干砂土层，厚16cm；下
部为湿砂土，厚18cm。 可知： ，即地质雷达的电磁波均从介电常数小的进入介电常数大的介质中，所以两个分界面均出现在正波尖。根据实验数据，可以得出试验模型干砂土的介电常数取为6是合理的。
2.2 堤防浸润线地质雷达检测模拟试验
地质雷达电磁波遇水衰减很快，干湿分界面会产生明显的界面反射信号，因此可以用地质雷达检测堤防由于渗流产生的干湿分界面。为了提高检测效果，在制作堤防模型时，先对模型砂土材料进行晾晒或风干以减少砂土的含水量。在室内进行地质雷达试验，受到试验场地、试验模型尺寸等因素的影响，本次试验采用单点测量的探测方式。具体试验步骤如下：
（1）在堤防模型试验段顶部铺设长方形塑料薄膜，在薄膜上均匀布置五个测点，它们分别距进水口的水平距离为0.39m、0.74m、1.09m、1.44m、1.79m。
（2）将天线放置到第一个测点处，连接到SIR-20主机上并设置参数。
（3）为便于测出干湿分界面，向水槽进水室快速注水至15cm，保持水位不变。
（4）当五个测点正下方均出现干湿砂分界面时，移动地质雷达天线分别采集各测点处的检测数据，每个测点采集数据30秒。
2.3 地质雷达检测试验成果分析
根据实验结果可看出，0.39m测点线性扫描和波形能辨别出空气与干砂分界面，但干砂与湿砂分界面不明显，0.74m测点、1.09m测点、1.44m测点和1.79m测点可以清晰的分辨出空气与干砂、干砂与湿砂的分界面。这是由 900MHz天线的垂直分辨率为4cm及“模糊区”为10cm造成的。试验中，测点离进水段越近，干砂与湿砂的分界面埋深越小，地质雷达分辨分界面就越模糊；反之，测点离进水段越远，干砂与湿砂的分界面埋深越大，地质雷达分辨分界面就越清晰。
由上述内容知，空气、干砂、湿砂三者的介电常数关系为
，故空气与干砂，干砂与湿砂分界面均出现在正波尖处。可以得出，地质雷达检测深度与实际埋深基本接近，误差均在5%之内。试验中的干湿砂分界面其实是浸润线加该时刻毛细管作用高度所形成的分界面，因此扣除该时刻毛细管作用高度即可得到该时刻浸润线的位置。在实际堤防工程应用中，可先利用地质雷达检测出浸润线加毛细管作用高度的分界线，然后通过现场试验或查阅资料求出堤防填筑材料的毛细管作用高度，前者减后者便可得到浸润线的大致位置。
分界面地质雷达检测结果与实测值对比图
3小结
本文在深入分析地质雷达检测技术特点基础上，开展堤防浸润线地质雷达检测试验研究，主要内容和研究成果如下：
（1）分析了地质雷达检测的工作原理和不同介质分界面的确定方法，建立堤防浸润线检测试验模型，测定出模型材料干砂土的介电常数。在此基础之上，开展了堤防渗流的地质雷达检测试验。试验成果表明，地质雷达能够较准确地定位出含毛细管水影响的浸润线位置。与实际浸润线相比，地质雷达检测结果偏高。
（2）试验模型有待改善。利用地质雷达技术对堤防渗流进行定量监测和检测分析时，由于试验在室内进行，所做的堤防模型尺寸只有2.00m×0.50m×0.45m（长×宽×高），因此未考慮模型尺寸效应。此外，水槽为有机玻璃材料，随着长时间的使用，水槽壁与砂土之间逐渐形成一些小缝隙，这对试验的观测带来不利影响。在以后的研究过程中，应尽量进行原形试验，减小空气及周围环境对试验的不利影响。
（3）在堤防浸润线地质雷达检测试验中，砂土毛细管上升高度对地质雷达检测浸润线深度的影响目前还不存在相应的理论说明与技术指导文献，可在以后的地质雷达浸润线检测工作中考虑毛细管上升高度的影响。

-全文完-