探地雷达探测堤防隐患若干问题讨论.pdf
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1、人民黄河YELLOWRIVER第45卷S12023年6月Vol.45,Sup.1Jun.,2023收稿日期:2022-08-12基金项目:中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(HKY-JBYW-2021-10);黄河水科学研究联合基金资助项目(U2243223)作者简介:李姝昱(1988),女,河南濮阳人,高级工程师,硕士,主要从事工程质量检测及安全评价工作E-mail:探地雷达探测堤防隐患若干问题讨论李姝昱1,2,李延卓1,2,李长征1,2,杨磊1,2(1.黄河水利委员会 黄河水利科学研究院,河南 郑州 4500032.水利部堤防安全与病害防治工程技术研究中心,河南 郑州 450003)摘
2、要:探地雷达是堤防地球物理探测的重要方法,总结堤防工程地质和地球物理特征,分析含水率对堤防土体中电磁波速度的影响。汇总堤防工程现场探测中各种干扰导致雷达图像异常的特征,包括过往车辆、堤顶指示牌和电线等,对分析雷达图像时排除异常干扰有借鉴作用。根据堤防隐患探测实例,发现低频(70 MHz)雷达对探测较深处(810 m)的堤防隐患有较好的效果,并通过钻孔验证了探测结果的有效性。关键词:探地雷达;堤防隐患;干扰;信号处理中图分类号:TV62;TV882.1文献标志码:Adoi:10.3969/j.issn.1000-1379.2023.S1.074堤防隐患包括堤基隐患和堤身隐患,堤基隐患包括强渗透层
3、(粗砂层)、堤基与堤身结合层间的缝隙,堤身隐患包括洞、松软层、裂缝和杂物充填的不均匀体(如树根,秸秆等)。堤防隐患探测由最初的人工探视逐步发展到多种地球物理探测方法相结合。我国堤防隐患地球物理探测从20世纪70年代开始,主要方法有高密度电法1、瑞雷波法2、瞬变电磁法3、探地雷达法等4。以上地球物理探测方法能够有效解决堤防内部不同尺度的隐患探测问题,在汛前使用适当的地球物理探测方法查找隐患分布,并提前对堤防进行除险加固,以确保堤防度汛安全。探地雷达的优势是能够车载且有测距装置,不需要较多的准备工作,利用多种频率的雷达天线组合能够探测堤防不同深度的隐患5,探地雷达在检测堤防白蚁洞和堤脚掏空方面有较
4、好的应用效果6-7,频率低于100 MHz的雷达天线适用于10 m高的堤防土体隐患探测。探地雷达用于堤防隐患探测的优势是探测速度较快,满足紧急情况下使用。如2020年汛期长江大堤部分堤段背水面发生渗流,采用探地雷达查找出了由微小裂隙造成的渗漏通道。笔者在南水北调渠堤、黄河大堤、长江堤防开展了大量探地雷达现场工作,通过对资料的处理、解释和钻孔验证工作,进一步提取了探地雷达的数据特征,总结了雷达各种干扰图像、隐患探测信号和其他相关信号的特征,以期为探地雷达在堤防隐患探测方面的应用提供技术依据。1堤防工程地质与地球物理特征堤防土体的地球物理特性与堤防土体的层状构造分布、岩土特性密切相关。我国堤防土体
5、的岩土特性有着明显的地域特征。以安徽某段长江堤防为例,堤身顶部0.30.8 m为沥青碎石或碎石土路面,堤身下部填土厚6.012.8 m。该段大堤形成历史久远,堤身土体压密变形已基本完成,堤身填筑土中存在不良土质和杂物零星分布情况。堤身为粉质黏土和粉质壤土,夹粉细砂、砂壤土及碎石、砖瓦块、煤渣、螺壳碎片、植物根茎或腐殖质,含有机质土、泥炭土。堤身土体含水率25%35%,湿密度1.851.94 g/cm3,孔隙比0.800.93。粉粒和黏粒(0.05 mm)含量和一般大于70%。以山东某段黄河大堤为例,堤身经过历次加高培厚而成为老口门堤段。堤身填土的性质主要为中粉质壤土,堤身含植物根茎或腐殖质,均
6、匀性较差。堤身土体黏粒含量9.8%24.7%,正常堤身土体渗透系数最小为6.5410-6cm/s,最大为1.3610-5cm/s。含水率19%28%,湿密度1.72.0 g/cm3,孔隙比0.61.0。由不同流域堤防土体岩土特性可见,堤身土体杂质较多,利用探地雷达探测堤防隐患时,不同杂质存在介电常数的差异,将产生不同程度的反射信号,从而影响对微小隐患的判别。堤身土体不均匀性越大、含水率越大,越会对堤防雷达探测造成比较杂乱的信号,影响微小隐患的判别。2电磁波速度分析电磁波速度是判别堤防中隐患深度的重要参数。电磁波速度v计算公式为(1)式中:为雷达波角频率;为介质的磁导率;为介质的介电常数;为电导
7、率。自然界中,绝大多数岩土、矿石的相对磁导率接近1,仅少数铁磁性矿物的相对磁导率大于1。故磁导率对雷达探测的影响可忽略不计。由于远小于1,因此式(1)可简化为真空(2)式中:v真空为真空中电磁波速;r为传播介质相对真空的介电常数。由式(2)可知,土体中的电磁波速主要由介质的相对介电常数决定,和其他参数关系较小。对于堤防土体,土体的化学组分和孔隙度有差异,大部分土的介电常数与含水量相关,参考Topp公式:r=3.03+9.3+1462-76.63(3)式中:为土壤含水率。3仪器介绍采用瑞典MALA公司生产的MALA GX&TI探地雷达系统,配置70 MHz和300 MHz的高低频组合式地面耦合天
8、线,天线重量约25 kg,可持续工作68 h。采集模式为测距轮触发或时间触发,单道波形的总采样点最大为1 984。采集过程可选用人工或车辆牵引方式,在自带手机上安装采集软件,数据传输至手机,雷达数据直接存储在手机上,可在手机上查看实时的雷达图像。4干扰信号分析堤防隐患探测过程中使用的雷达天线为非屏蔽天线,容易受到外界物体的干扰,如过往车辆、路边标志牌、沿堤和跨堤的电线和电线杆等。4.1车辆干扰信号分析图1为某段堤防的雷达探测图像,该图中存在一个堤防隐患区域和一个车辆干扰区域。其中堤防隐患区域图像范围横向宽5 m,深度范围为515 m。由于雷达的波束角有一定宽度,因此隐患导致的异常图像范围要小于
9、实际的隐患分布范 144人 民 黄 河2023年S1(下转第147页)围。车辆干扰区域为图中标识的色谱纵向细长的区域,由于过往车辆速度较快,可近似为一个瞬间出现的物体,因此造成色谱纵向细长的图像。该图中共有1 024道雷达信号,提取图中属于车辆干扰的第927道信号与无干扰的第30道信号进行对比,如图2所示。因直达波信号幅度较高,为了突出反射信号特征,图像纵轴取对数幅度,第927道信号的幅度明显高于第30道信号幅度,高约0.8 dB,从而突出过往车辆的干扰信号特征,在判断堤防隐患时应排除这种车辆的干扰。4.2金属牌和电线干扰信号分析图3为南水北调某段渠堤的雷达探测图像,该图中存在金属指示牌和堤边
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