基于综合物探法的城市堤防浅层渗漏探测

耿晓明，张 力，孙 雪，蔡 敏

（1.南京市秦淮河河道管理处，江苏 南京 210012；2.盐城市农业资源开发规划设计与评审中心，江苏 盐城 224000；3.南京市水利投资有限公司，江苏 南京 210012）

近年来，随着城市土地的开发利用不断加快，城市下垫面变化加剧了内涝排放，导致河道水位快速上涨，加大了城市河道防洪压力。堤防作为保护城市和人民财产生命安全的重要屏障，对城市防洪安全起到极端重要的作用。堤防在长期运行过程中，土地容易产生的一些洞穴、裂缝形成渗水通道，在高水位渗透压力下，容易发生渗漏、管涌等险情，通过无损检测对堤防进行有效的隐患排查，可以为堤防除险加固提供技术支撑，便于消险方案的精准制定。本文结合南京市秦淮河实例，采用探地雷达和瑞雷面波2种隐患探测相结合的综合物探法对堤防渗水段进行全面检测，充分掌握堤身可能存在的松散、不密实和土体不均匀等不良质体的分布位置和范围，为堤防消险工程的设计提供依据，同时通过消险前后综合物探的对比，确保消险工程对堤防防渗处理达到预期效果。

1 探地雷达和瑞雷面波勘探原理

1.1 探地雷达工作原理

探地雷达法是由发射天线向地下发射高频电磁波，利用地下介质对电磁波的不同反应来分辨地下介质特征的一种探测技术［1］。当电磁波在地下传播时，介质的属性、电性、形状变化会导致电磁波的频率、振幅、相位等频谱参数产生变化并产生反射，由接收天线接收，通过识别雷达波所产生的波形参数变化，达到对地下目标体探测的目的。当堤防土体较密实均匀时，雷达反射波同相轴连续，波形稳定，频率均一，振幅一致性较好。当堤身存在异常缺陷，如渗漏时，缺陷位置的雷达波将和周围产生明显差异，如同相轴不连续，出现散射和绕射等杂波，波形杂乱无序，振幅变强等。本次探地雷达采用40 MHz和20 MHz的天线频率对堤防进行全面检测。

1.2 瑞雷面波勘探原理

瑞雷面波是一种沿介质自由表面传播的弹性波，其特有的传播规律反映了传播途径中所涉及介质的弹性参数［2］。本次瑞雷面波勘查采用SWS工程勘探与工程检测仪，工作参数设计为：24道接受，记录采样点数1 024，采样间隔为1.0 ms，偏移距为5 m，采用锤击震源，5次叠加，观测排列方向平行于堤坝轴线。探测结果表明，瑞雷面波法对地层结构的划分和堤防隐患的探测均具有较好的效果，探测深度较深，不受地下水位影响，能获取地层的剪切波速度等物性参数，该方法揭示地下结构分布在物探方法中具有一定的优越性。

2 工程背景

现以秦淮河主城区某段堤防为例，该处堤防为土堤，汛期高水位期间背水侧坡脚发生渗漏险情，渗漏长度约350 m。汛期发生险情后，首先对出险范围内进行了地质勘查，检测结果显示堤顶所在场地地层由上至下分为：①杂填土，由黏性土、碎砖块、建筑垃圾及少量生活垃圾组成，层厚0.50～3.00 m；素填土（粉质黏土），以粉质黏土为主，见少许植物根茎及碎石，层厚2.60～5.45 m，顶板埋深0.00～3.00 m。②淤泥质粉质黏土，土质不太均匀，局部夹薄层状粉土，层厚2.80～16.80 m。③粉质黏土，该层局部未揭穿，最大可见层厚8.20 m。为了更精准地掌握堤身土体不密实、不均匀的分布情况，采取了探地雷达和瑞雷面波2种无损检测方法进行全面检测。

2.1 测线布置及定位

根据场地条件，在迎水坡、堤顶、背水坡布置3条纵向测线，在堤顶路面一侧布置了瑞雷面波勘探点。测线长度和定位用皮尺刻度定位，以迎水侧最高水位线为起点，沿测线每隔5 m距离做标记点。堤防消险处理后，在堤防的中心位置各布置一条探地雷达探测线。

2.2 探测结果

探地雷达结果表明：堤防表层，厚度小于0.5 m，雷达波波形稳定，振幅的一致性较好，变化较小，介质总体均匀性较好；杂填土层由黏性土、碎砖块、建筑垃圾及少量生活垃圾组成，介质颗粒分布均匀性差，介质的介电常数差异大，雷达波在杂填土层内发生折射和散射，振幅的一致性差，反射能量强，波形紊乱，表明堤防杂填土层孔隙率大，介质不均匀，密实性差；素填土层厚度有一定的变化，雷达波振幅的一致性较好，总体连续，但雷达波传播速度慢，说明素填土层孔隙率大，为高含水土体，素填土层同样欠密实。

其中：堤防堤顶下方堤身杂填土、素填土层土体均匀性差，孔隙率高，土体局部不密实，不密实区域深度基本都在6 m以上，主要分布在0～8 m、17～55 m、65～160 m、164～200 m、205～275 m。堤防迎水坡总体良好，土体介质总体分布均匀，局部存在欠密实区，主要分布的范围在水平位置77～93 m、118～130 m、175～212 m、230～247 m、253～262 m，堤防不密实区域深度基本都在6～7 m以上。堤防背水坡杂填土、素填土层土体均匀性差，孔隙率高，渗水性好，主要分布的范围在水平位置0～25 m、115～163 m、238～248 m、275～335 m，其中275～335 m为堤防土体高度富水区，范围相对较大。

探地雷达探测异常统计见表1。

表1 探地雷达探测异常统计

瑞雷面波勘探资料的解释分辨率较高，可对堤防结构层中的杂填土层、素填土层、粉质黏土层和淤泥层等进行精细划分。瑞雷面波的频散曲线的形态表明，杂填土层内出现“之”字形拐点多，深度范围大约在4～6 m，反映了该深度范围内堤身结构层存在多个地层分界面，并且各层介质的速度差异大，说明在该深度范围堤身构筑物的均匀性较差，推测与该深度上堤身普遍存在碎砖块、建筑垃圾或生活垃圾等杂填土介质有关。

各面波点位的瑞雷面波探测结果见表2。

表2 各面波点位的瑞雷面波探测结果

本次探测结果表明，堤防产生渗水的原因，主要为堤防杂填土和素填土层介质不均匀，孔隙率高，为中等渗水土体，局部粉质黏土层弱渗水，是堤防内含有的不良土体，在瑞雷波速度上表现为H2和H3地层土体层速度值偏低。

2.3 现场开挖验证

综合物探探测所获得的堤防信息显示土体不均匀、欠密实和富水等异常体，是堤防土体层介质相对周围介质物性存在差异的直接反映，推测堤身内存在大量杂填土、碎石及建筑垃圾等，为了进一步明确杂填土、建筑垃圾的存在情况，对堤顶进行了局部开挖，验证了综合物探探测结果，该段堤身杂填土、建筑垃圾较多，孔隙率高，在水的作用下，携带走大量的细小颗粒，易形成较大的渗水通道。结合探测结果，对该段堤防针对性地采用了高压旋喷桩和压密灌浆双重防渗处理。

2.4 堤防消险后雷达结果

由堤防消险后探地雷达探测剖面图像可知，显示消险后的堤防电磁波在土体中传播时能量均匀衰减，雷达波同相轴连续性总体良好，波形、波向和振幅一致性均较好，表明消险后堤防的连续性总体良好，未见明显的不密实区域存在，说明消险后的堤防堤身土体的均匀性变好，堤身结构层土体密实性增强。

3 结语

通过综合物探法的应用比较，本工程发现不同物探方法在解决不同问题的能力及优势［3］。本次南京市秦淮河渗水段，采用了低频探地雷达和瑞雷面波法相结合的综合物探方法进行探测，以探地雷达法作为本次堤防隐患探测的主要物探方法，其探测效果好，反映的地层结构信息和土体异常更准确，不仅能反映出土体异常的性质，而且能对异常的形态和规模进行量化［4］。然后再以瑞雷面波法进行验证，查明了堤防土地内部的异常性质，主要为堤防堤身内杂填土和素填土层局部不密实、孔隙率高，局部堤身大面积富水，并圈定了异常的位置和范围，为堤防消险工程的实施提供了有力的依据，消险后通过探地雷达对堤防检测验证消险工程实施的效果。