长江堤防张家港段隐患探测分析方法.doc

长江堤防张家港段隐患探测分析方法
孟新华
江堤防是我国防洪工程的重要组成部分，长江堤防张家港堤段长达90 多km，保护着张家港市90 多万人口以及重要城镇的防洪安全。1998 年长江洪水后，长江堤防张家港堤段加强了江堤的达标工程建设，加固后江堤安全得到一定保证，但由于堤防战线长，存在的安全隐患问题难以在短时间内消除，加之沿江堤段重要国民经济设施密度大，人口密集，以及长江口地区高潮位有不断提高的趋势等特点，对堤防防洪安全要求越来越高。由于严重缺乏薄弱堤段安全探测及评价资料，使得抗洪抢险决策往往处于被动，常常导致险情预警预报滞后，不能满足堤防工程建设和管理的需求。
为优化出适合长江大堤张家港堤段的隐患探测技术，选取6个典型堤段开展高密度电法、地质雷达法、弹性波反射法、瞬变电磁法和工程CT 等隐患探测，优选出适合该堤段的隐患探测方法。探测成果以朝东圩港堤段为例说明。
一、探测方法简介
①高密度电法。直流电法的基本原理是，通过在地表布设供电电极和测量电极，根据在一定供电条件下，测量的地表电位值，从而确定地下测点位置的视电阻率值。视电阻率虽然不完全等同于真实电阻率，但是能够反映地下真实电阻率的分布情况，从而判断地下的隐患分布情况。
②地质雷达。地质雷达是利用电磁波在有耗介质中的传播特性，以宽频带短脉冲的形式向介质内发射高频电磁波，当其遇到不均匀体时会反射部分电磁波，其反射系数由介质的相对介电常数决定，通过对雷达主机所接收的反射信号进行处理和图像解译，达到识别隐蔽目标物的目的。
③弹性波反射。弹性波反射波法是利用人工激发的弹性波在岩土界面上产生反射的原理，对浅层具有波阻抗差异的地层或构造进行探测的一种弹性波勘探方法。
④ 瞬变电磁法。探测采用WTEM-1Q 瞬变电磁勘探系统，该系统主要由信号接收部分(包括主机和接收线圈)和信号发射部分(包括发射机、供电机和发射电缆)两部分组成，是一种人工源的电磁法探测设备。利用不接地电性源向地下发送一次脉冲电磁场（一次场），在其激发下，地下地质体中激励起的感应涡流将产生随时间变化的感应电磁场（二次场），通过记录地下涡流变化的情况来达到了解地下电阻率的目的。
⑤工程CT。工程CT 是根据射线扫描，由于各种土层电性(电阻率ρ、介质常数ε 等)不同，对电磁波的吸收有一定的差异，通过对所得到的信息进行反演计算，重建被测范围内岩体弹性波和电磁波参数分布规律的图像，从而达到圈定地质异常体的一种物探反演解释方法。根据所使用的地球物理场的不同，层析成像又分为弹性波层析成像和电磁波层析成像。
二、隐患探测测线布设
朝东圩港堤段各探测方法的测线布置如下： 高密度电法测线位于堤防背水堤肩，测线起点桩号280+42m，向下游方向完成4 组测试，每组排列60个电极，电极距2m；地质雷达测线位于堤防中线，测线起点桩号280+416m，终点桩号279+816m； 瞬变电磁法测线位于堤顶中线，测线起点桩号279+70 m，测点43个，测线长42m；弹性波法测线位于堤防背水堤肩，测线起点桩号280+390桩，终点桩号280+510 m，测线长120m；弹性波CT 方法利用位于堤防临水、背水面的2个钻孔进行，孔距4.6m。
三、探测成果分析及方法优选
5 种方法的探测成果描述如下：
①由高密度电法探测成果可见，整体上电阻率分布为上高下低，水平方向较为规律。地表以下9.5 m，视电阻率取值介于13~79Ω?m 之间，且呈层状分布，基本上可分为3 层，距起点越远分层所占厚度越小，总体上取值较为均匀，相对其他堤段视电阻率取值较小。地表以下3 m 左右视电阻率变化梯度较大，起点距20~90 m 地表附近存在多处高阻异常，起点距333m处存在低阻异常。该堤段地处入海口，受潮汐影响较大，历史上曾多次出现险情，堤段正处于淤沙施工阶段，背河侧水位相对较高，导致堤身含水率相对较高，为电阻率取值低的主要原因。
②由于工作现场正处于淤沙施工阶段，现场有多条电缆横跨和顺堤防布设，给地质雷达的探测工作造成很大的影响，从成果图（略）上很难辨认地层反射的同相轴，除干扰信号外，该堤段没有特别明显的反射信号。
③根据视电阻率取值，该堤段大致分为4个地层，第一层为0～1 m，视电阻率较高；第二层为1～3 m，视电阻率较低；第三层为3～8 m，视电阻率较高；第四层为8m 以下，视电阻率低。
④由地震映像探测成果可见，探测图谱中记录时间10 ms 附近存在反射同相轴，按照1 000 m/s 的波速，估计在深度5 m 左右存在波阻抗界面，在起点距12 m、28 m、40 m 和50 m 附近存在反射能量较强的反射点，由于这几点埋深较为一致，推测在此深度存在连续性不好的土层分界情况。
⑤由工程CT 探测成果图（略）可知，地表以下0～4.8 m 范围波速较低，取值在800～1 000 m/s 左右，5.6 m 以下波速较高，基本在1 200 m/s 以上。断面没有明显的孤立波速偏低部位。
5 种方法的优选比较如下：
①通过隐患探测成果及其规律性分析，结合土工与监测试验成果验证可见，高密度电法基本可以探明测区内地层分布情况，且探测电阻率图谱色彩鲜明，电阻率异常变化点反映突出，可以直观地显示于成果图谱上，便于解读与交流，现场探测电阻率变化随深度变化趋势与室内试验测得电阻率和土工试验探测成果之间的相关关系有较好的一致性，因需电极布设，故探测深度受到限制。由探测结果可知，高密度电法在探明地下水埋深方面还不完善。就隐患探测而言，高密度电法适用于张家港长江堤段的裂缝、空洞等隐患探测。
②地质雷达法若降低屏蔽天线发射频率，可以探测到较深的地层，但易受干扰，如现场条件复杂，有电缆、高压线等，浅层探测适用性不强。
③瞬变电磁法在探明堤防工程浅部土层分布和地质夹层上优势明显，基本可以探明地下水埋深，若遇裂隙或空洞，视电阻率突变明显，隐患位置鲜明，直观易懂。若遇地下水，视电阻率减小较快，甚至为零，虽然测试视电阻率取值与实际有偏差，但基本可以确定地下水埋深，因瞬变电磁法探测深度是由公式计算而得，其值与发射线圈与接收线圈的大小均有关系，是一个近似值，与实际值有一定的差异。由此可见，瞬变电磁法适用于张家港长江堤段浅层或地下水以上的裂缝、空洞等隐患探测及地下水埋深探测，但隐患和地下水埋深是一个近似深度。
④地震映像法在探测土层分布上适用性不高，但由探测成果与土工试验探测成果对比可知，地震映像法在探测浅层砂性土方面适用性强，且基本可以探明地下水水位，该法探测深度由波速转化而来，波速取值一般较大，且不同介质波的传播速度不同，故无法明确探测深度，适用性不高。
⑤由工程CT 探测成果可知，该断面波速在地表以下4.8 m 左右波速出现突变，推断为土层分界面。由大堤堤身高度可知，此位置大约是堤身与堤基交界面，且4.8 m 以上探测图谱均匀，波速取值稳定。由实际可知，大堤堤身材料相对较为均匀，地表以下6~7 m 波速出现明显变化，由现场监测结果可知，该深度基本是地下水水位高程，可见工程CT 探测法用于探明张家港长江堤段的土层分布及地下水埋深适用性好。但该法每次只能探测一个断面，且需打探测孔，耗时量大，经费高，不适合于大规模的隐患普查，但该法适用重点堤段的土层分布及隐患的精确探测。
参考文献：
[1] 长江勘测规划设计研究有限责任公司.张家港市江堤段山港至朝东圩港段加高加固工程初步设计报告[R]. 2011.
[2] 吴南山．高密度电阻率法在长江堤防隐患探测中的应用[J]．水利建设与管理，2008（12）．
[3] 田锋，等．西北地区水库土石坝渗流隐患探地雷达图像特征分析[J]．物探与化探，2006（6）．
[4] 孟美丽．堤坝隐患探测中的探地雷达技术[J].山西建筑，2010（32）.
[5] 廖全涛，等．浅层地震反射法在武汉长江隧道水上勘察中的应用[J]．资源环境与工程，2008（S2）.
[6] 房纯纲，等．瞬变电磁法探测堤防隐患及渗漏[J]．大坝观测与土工观测，2001（4）.
[7] 唐晓勇，等．CT 成像技术在芹菜垭隧道超前地质预报中的应用[J]．施工技术，2010（9）．
作者简介：孟新华，工程师。