CN101295027B - 大堤隐患综合无损检测方法 - Google Patents

Abstract

一种大堤隐患综合无损检测方法。根据地质雷达分辨率高、探测速度快、对被测物体无损伤以及抗干扰能力强，采用地质雷达对大堤普查，发现有无异常堤段。在异常堤段，综合高密度电阻率法所具有的勘探信息丰富、解释方便，勘探能力强的特点和地震法所具有的可反映大堤裂缝、坍塌、沉陷等与堤坝砂土剪切强度和压缩强度有关的砂土物理力学特性，进行详查大堤异常堤段，确定大堤异常堤段性质和范围。本发明方法克服探测大堤时，单一地球物理无损探测方法存在的局限性，全面、准确掌握大堤异常信息，实现大堤隐患的综合检测。

Description

大堤隐患综合无损检测方法

技术领域

本发明涉及一种大堤隐患综合无损检测方法，用于大堤探测与安全状况分析。属于智能信息处理技术领域。

背景技术

堤防是防洪工程体系的重要组成部分，是防御洪水和风暴潮的主要屏障，在保障人民的生命财产安全方面，发挥着巨大作用。但是，堤防堤基水文地质条件复杂、堤防质量参差不齐，堤防运行工况复杂、自身难以调控。另外，由于自然或人为等各种因素所造成的堤防裂缝、漏洞、松散土体、软弱夹层、秸料层、灌鼠洞穴等堤防隐患众多，因此，遇洪水、风浪冲击时极易发生管涌、滑坡等险情，严重时导致大堤溃决。上述不利因素，致使堤防工程在安全检测、维护、抢险、管理及病害治理等方面，存在着诸多亟待解决的问题。

目前堤防隐患的探测方法主要有：基于地质钻探、人工探视和地球物理勘探。前两者不能满足快捷、准确和无损等诸多要求，且探测既费力又难于发现隐患。其中，基于地质钻探方法，虽然能直接给出详细的大堤地层信息，但不能代表钻孔之间大范围的地下结构状态，具有局部性和破坏性，为“一孔之见”。人工探视主要进行大堤外部表面检查，难以发现堤身及地基内部存在的安全隐患，且费时费力、探测效果差。基于地球物理勘探方法，可对堤防设施的现状进行检测、查明隐患及其存在部位，为无损检测方法，可为堤防设施的整治和修复方案的制定，提供可靠依据。

在基于地球物理勘探实现大堤隐患监测方法中，目前主要包括：地质雷达、高密度电阻率法、地震勘探法、瞬变电磁法、超声波法等。

地质雷达分辨率高、探测速度快、对被测物体无损伤以及抗干扰能力强，广泛应用于各种堤坝质量检测中。尽管探地雷达在堤坝隐患探测中取得了一定的成功，但因为地质雷达反射波受堤坝几何形态和堤身介质不均匀的影响，波形复杂，解释难度大。另外探地雷达高频电磁波在粘土中的衰减大，有效的穿透距离短。

高密度电阻率法具有成本低、效率高、信息丰富、解释方便，且勘探能力强。但高密度电阻率法用于堤坝隐患探测仍然存在一些缺陷。首先高密度电阻率法属于体积勘探方法，体积效应影响明显，对浅部的缺陷敏感；其次高密度电阻率法对目标体的分辨率不高，对二度体的最大垂向分辨率不超过7/1(深径比)，对三度体的垂向分辨率不超过3/1(深径比)，对一些埋深较大的弱小隐患会造成漏检。

地震勘探法具有分辨率高、可连续探测，能反映大堤滑坡、裂缝、坍塌、沉陷等与堤坝砂土剪切强度和压缩强度有关的砂土物理力学特性。但当浅部介质的横向大、隐伏断层错距小时，地震勘探法难以准确地确定隐伏断层的错距、产状等参数。

瞬变电磁法对低阻体敏感。对高阻隐患，瞬变电磁法探测效果不明显。

超声波法可获得不同侧面、不同高度上的超声波动特征，判别测区内存在缺陷的性质、大小及空间位置和参考强度。但探测效果受发射探头与地面耦合的影响明显。

发明内容

本发明的目的在于针对现有各地球物理勘探方法存在功能单一、探测结果不全面，不能满足全面掌握大堤隐患需要的不足，提供一种大堤隐患综合无损检测方法，实现功能齐全、探测全面，全面掌握大堤内部土层密实程度、湿度和各土层力学参数等基质状况、隐患程度、大堤安全状况等。

为达到上述目的，本发明的构思是：①，根据选择的天线频率F，由地质雷达的发射天线向地下发射频率F的高频电磁波。电磁波在地下介质中传播时，其振幅、相位和频率特征随介质的电性、几何形状变化而变化，遇到电性界面时即发生反射。地质雷达接收天线则记录反射回地面的电磁波，通过分析此携有地下介质地电信息的电磁波，确定地下介质的空间分布特征。当电磁波在地下介质中传播时，在两种介质的交界部位，由于介电常数的变化，电磁波发生反射和折射，反射强弱与介电常数有关。电磁波从发射天线发射到被接收，其行程时间为：

$t=\frac{\sqrt{{4z}^2+x^2}}{v},v=\frac{c}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}---\left(1\right)$

式(1)中，z为探测目标深度，x为发射天线到接收天线间的距离，v为电磁波在介质中传播的波速，c为光速(c＝0.3m/ns)，ε_r为介质的相对介电常数。当波速v已知时，通过对雷达剖面上反射信号行程时间的读取，得到界面深度z值。

电磁脉冲反射信号的强度与界面的反射系数和穿透介质的波吸收程度有关，介质的电磁参数差别大，则反射系数大，反射波的能量亦大。

$P_R=\frac{P_T{G}^2\mathrm{\λ}}{R\·S\·L\·\left({4\mathrm{\π}}^3\right)H^4}R\·S\·L\·e^{-4\mathrm{\α}}---\left(2\right)$

式(2)中，P_T，P_R分别为地质雷达发射、接收功率；G为雷达天线增益；R，S和H分别为地下目标体的反射率、散射面截面和深度；α为上壤衰减率；L为电磁波从发射到接收过程的散射损耗；λ为介质中电磁波波长。

在仪器性能和地下介质一定的情况下，探测深度z取决于工作频率选择及地层的衰减系数。

②，采用高密度电阻率法，通过人工建立地下直流电场，以地下被探测目标体与周围介质之间的电性差异为基础，依据预先布置的若干电极，采用预定装置排列形式进行扫描观测，研究地下一定范围内空间电阻率变化，查明大堤有关地质问题。

设地表水平，地下充满均匀各向同性半无限介质，在地面上任意两点用供电电极A，B供电，供电电流为I，另外两点用测量电极M，N测量电位差。A，B电极在M点产生的电位U_M为：

$U_M=\frac{\mathrm{I\ρ}}{2\mathrm{\π}}(\frac{1}{\mathrm{AM}}-\frac{1}{\mathrm{BM}})---\left(3\right)$

同理，可得在N点产生的电位U_N为：

$U_N=\frac{\mathrm{I\ρ}}{2\mathrm{\π}}(\frac{1}{\mathrm{AN}}-\frac{1}{\mathrm{BN}})---\left(4\right)$

M，N下点的电位差ΔU_MN为：

$\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{MN}}=U_M-U_N=\frac{\mathrm{I\ρ}}{2\mathrm{\π}}(\frac{1}{\mathrm{AM}}-\frac{1}{\mathrm{AN}}-\frac{1}{\mathrm{BM}}+\frac{1}{\mathrm{BN}})---\left(5\right)$

由此可得到均匀大地的电阻率ρ：

$\mathrm{\ρ}=K\frac{\mathrm{\ΔU}}{I}---\left(6\right)$

其中K为装置系数，

$K=\frac{2\mathrm{\π}}{\frac{1}{\mathrm{AM}}-\frac{1}{\mathrm{AN}}-\frac{1}{\mathrm{BM}}+\frac{1}{\mathrm{BN}}}---\left(7\right)$

由于电流有效作用范围内所有地质体的电阻率都与式(6)有关，因此，由式(6)求得的电阻率为视电阻率ρ_s。

${\mathrm{\ρ}}_s=K\frac{\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{MN}}}{I}---\left(8\right)$

高密度电阻率法工作时，供电电极AB与测量电极MN一次性布设完成。经由仪器的电极转换开关控制，排列中的某两根电极既作为供电电极AB，在下一组组合测量时又作为测量电极MN。高密度电法野外工作装置形式较多，总电极数与点距可根据场地条件与勘察深度任意选择。由于一条剖面地表测点总数固定，因此当极距扩大时，反映不同勘探深度的测点数将依次减少。固定断面扫描测量方式，数据采集结果的视电阻率断面为一倒三角形剖面。

③，利用人工震源激发地震波在地下介质中传播，获取来自不同界面的信号，并对其反演分析，了解地下介质分布及构造情况，对大堤砂土、混凝土力学指标进行间接估算，查明大堤力学及其土层密实度情况。

地震波在遇到不同分界面时，发生反射与透射，并形成相应的反射波与透射波，传播特点服从斯奈尔定律：

$\frac{\sin \mathrm{\α}}{v_1}=\frac{{\sin \mathrm{\α}}^{\′}}{v_1}=\frac{\sin \mathrm{\β}}{v_2}---\left(9\right)$

式(9)中，v₁，v₂分别为某界面上、下地层的波速；α，α′，β分别为地震波的入射角、反射角和折射角。

根据波阻抗理论，当地震波入射到两种介质的分界面上时，一部分能量反射回去，形成反射波，其余部分能量透过界面，形成透射波。设入射波的振幅为A₁，反射波的振幅为A₂，反射界面的反射系数K，当入射波近乎垂直界面入射时有：

$K=\frac{A_1}{A_2}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_2{v}_2-{\mathrm{\ρ}}_1{v}_1}{{\mathrm{\ρ}}_2{v}_2+{\mathrm{\ρ}}_1{v}_1}---\left(10\right)$

式(10)中，ρ₁v₁，ρ₂v₂分别表示分界面上、下两种介质的密度和地震波在介质中传播速度的乘积(介质1和介质2的波阻抗)。

K愈大，反射波强度越大，反射界面愈明显，在信号波形上，反射相位也越清晰。由此利用反射相位追踪技术，得到反射相位时间，拟合出双曲线。根据双曲线的特征参数，求解地质参数。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种大堤隐患综合无损检测方法，其特征在于具体检测步骤如下：

(1)探测深度选择：根据大堤设计要求，选择堤顶以下深度D，作为有效探测深度范围；

(2)测线布置：位于大堤路面，沿大堤走向布置纵剖面测线，垂直大堤走向布置横剖面测线；

(3)普查：根据探测深度D，选择有效的地质雷达天线频率，由发射天线向地下发射该频率的高频电磁波，通过对地质雷达接收天线记录的电磁波波形的断面图，发现大堤有无空洞、裂缝、裂隙、新旧堤结合不整合、新旧堤段接头不整合、堤身填筑尚存的冻土块、堤身填筑夹杂的诸如木材、塑料、废金属物的隐患异常堤段；

(4)详查：在地质雷达发现的异常堤段，同时使用高密度电阻率法和地震法，进行全面的详细探测。根据高密度电阻率法和地震法的断面图，判识是否为空洞、裂缝、裂隙、新旧堤结合不整合、新老堤段接头不整合、堤身填筑尚存的冻土块、堤身填筑夹杂的诸如木材、塑料、废金属物的隐患；

(5)方法验证：对三种探测方法确定的异常堤段，采用工程钻孔取芯法，验证探测方法是否有效。

上述的探测深度选择的方法是根据大堤设计的警戒水位T，将T+1米的深度值，作为有效探测深度值。

上述的测线布置的方法是：

(1)根据大堤路面宽度B，按B/4宽度等间距布置地质雷达发射天线与接收天线。地质雷达沿大堤走向做4次探测，完成整个大堤的纵、横剖面地质雷达探测；

(2)根据大堤路面宽度B，高密度电阻率法的每条测线之间按等间距B/4布置测线，使用AMNB之间的电极距1.0米，做5次高密度电阻率法探测，完成整个大堤的纵、横剖面高密度电阻率探测；

(3)根据大堤路面宽度B，每条地震法的测线之间按等间距B/4布置测线，道间距1.0米，做5次地震法探测，完成整个大堤的纵、横剖面地震法探测。

上述的地质雷达天线频率的选择是：根据下表所列的分辨率为目标深度25％时天线频率与探测深度之间关系，选择地质雷达天线频率F：

深度，米	0.5	1.0	2.0	5.0	10.0	30.0	50.0
								频率F，MHz	1000	500	200	100	50	25	10

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：本发明方法可使大堤探测全面、详实，克服大堤安全隐患监测中单一地球物理无损探测方法存在的局限性，提高大堤安全隐患探测的鲁棒性，适应全面掌握大堤内部土层密实程度、湿度和各土层力学参数等基质状况、隐患程度、安全状况。

附图说明

图1是本发明一个实施例的地质雷达探测图像。

图2是本发明一个实施例的高密度电阻率探测图像。

图3是本发明一个实施例的地震反射波探测图像。

具体实施方式

本发明的一个具体实施例是：本例的地质雷达探测图像如图1所示，在沿大堤纵向测线0～22米的地下4.5米处，发现一段新填料与旧堤段不整合。采用高密度电阻率法所得图像如图2所示，视电阻率等值呈上高中低下高，层次分明，基本呈水平层状分布。同样在沿大堤纵向测线0～22米地下深度位置4.5米至7米之间处，存在低阻封闭圈，推断为新填土所致。根据地震反射信号分析与成果图(图3)，更清楚地对堤身分层，堤身中各层厚度及土力学分布均匀。经工程钻孔取芯，验证了上述探测的准确性。具体检测步骤如下：

1.探测深度选择：根据大堤警戒水位13米的设计要求，选择堤顶以下14米，作为有效探测深度范围。

2.测线布置：根据大堤路面宽度8米，地质雷达发射与接收天线之间按2米等间距布置，地质雷达沿大堤走向做4次来回探测。根据地质雷达探测得到的异常堤段结果，沿大堤走向，在大堤路面布置5条2米等间距的高密度电阻率法测线，以及5条2米等间距的地震法测线。

3.普查：根据探测深度14米，选择30MHz的天线频率，采用地质雷达对大堤普查，发现大堤有无空洞、裂缝、裂隙、新旧堤结合不整合、新旧堤段接头不整合、堤身填筑尚存的冻土块、堤身填筑夹杂的诸如木材、塑料、废金属物的隐患异常堤段。

4.详查：使用高密度电阻率法，按AMNB电极距1.0米的测量方式，以及采用24磅铁锤锤击堤面激发地震波，道间距1米的测量方式，分别沿大堤路面走向，同时使用高密度电阻率法和地震法做5次探测。

5.方法验证：对地质雷达、高密度电阻率和地震法发现的异常堤段，采用工程钻孔取芯法，验证探测方法是否有效。

图1为经上述所得到的地质雷达探测图像，图2为采用高密度电阻率法所得图像，图3为采用地震法所得图像。

Claims (2)

1.一种大堤隐患综合无损检测方法，其特征在于具体检测步骤如下：

a.探测深度选择：根据大堤设计要求，选择堤顶以下深度D，作为有效探测深度范围；

b.测线布置：位于大堤路面，沿大堤走向布置纵剖面测线，垂直大堤走向布置横剖面测线；

c.普查：根据探测深度D，选择有效的地质雷达天线频率，由发射天线向地下发射该频率的高频电磁波，通过对地质雷达接收天线记录的电磁波波形的断面图，发现大堤有无空洞、裂缝、裂隙、新旧堤结合不整合、新旧堤段接头不整合、堤身填筑尚存的冻土块、堤身填筑夹杂的木材、塑料、废金属物的隐患异常堤段；

d.详查：在地质雷达发现的异常堤段，同时使用高密度电阻率法和地震法，进行全面的详细探测；根据高密度电阻率法和地震法的断面图，判识是否为空洞、裂缝、裂隙、新旧堤结合不整合、新老堤段接头不整合、堤身填筑尚存的冻土块、堤身填筑夹杂的木材、塑料、废金属物的隐患；

e.方法验证：对三种探测方法确定的异常堤段，采用工程钻孔取芯法，验证探测方法是否有效；

所述探测深度选择的方法是根据大堤设计的警戒水位T，将T+1米的深度值，作为有效探测深度值；所述测线布置的方法是：

(a).根据大堤路面宽度B，按B/4宽度等间距布置地质雷达发射天线与接收天线；地质雷达沿大堤走向做4次探测，完成整个大堤的纵、横剖面地质雷达探测；

(b).根据大堤路面宽度B，高密度电阻率法的每条测线之间按等间距B/4布置测线，使用AMNB之间的电极距1.0米，做5次高密度电阻率法探测，完成整个大堤的纵、横剖面高密度电阻率探测；

(c).根据大堤路面宽度B，每条地震法的测线之间按等间距B/4布置测线，道间距1.0米，做5次地震法探测，完成整个大堤的纵、横剖面地震法探测。

2.根据权利要求1所述的大堤隐患综合无损检测方法，其特征在于所述地质雷达天线频率的选择是：根据下表所列的分辨率为目标深度25％时天线频率与探测深度之间关系，选择地质雷达天线频率F：

深度，米      0.5     1.0    2.0    5.0    10.0    30.0    50.0

频率F，MHz    1000    500    200    100    50      25      10

。

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