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堤防隱患探測實(shí)例分析
堤防隱患探測實(shí)例分析 摘要:在堤防隱患探測中,采用地質(zhì)雷達(dá)、高密度電法、電測深法、地震折射波法等綜合物探技術(shù),并結(jié)合少量的土工試驗(yàn)資料,提高了物探成果的可靠性和實(shí)用性,取得了良好的應(yīng)用效果,為堤防隱患探測提供了新的思路。
關(guān)鍵詞:綜合物探 堤防工程 地質(zhì)雷達(dá) 高密度電法 電測深法 地震折射波法 土工試驗(yàn)
0前言
永定河盧溝橋下游北京段左、右堤防全長約91km,其中左堤長約61km,右堤長約30km。該堤防于清朝乾隆年間填筑,后經(jīng)多次維修和加固形成現(xiàn)有規(guī)模,其主體為梯形,堤頂寬10m左右,可見堤高約5~6m,迎水坡坡度為1:1.5~1:2.0,背水坡坡度為1:2.0~1:2.5。目前左堤堤頂為瀝青路面,右堤堤頂除上游段為混凝土路面外其余堤段均為砂石路面,可供防汛等車輛通行,基本滿足防汛通行的要求。
在上述左、右堤防內(nèi)共劃定險工段12處計23段,這些險工段在歷史上均有決口或搶險加固的記載,曾于1964~1989年多次對其迎水坡進(jìn)行護(hù)險加固處理,多以干漿砌石結(jié)合鉛絲石籠構(gòu)成護(hù)坡。
為滿足永定河北京段防洪規(guī)劃的需要,應(yīng)檢測堤防工程內(nèi)部隱患及其質(zhì)量,故進(jìn)行物探工作,以便汛期之前進(jìn)行加固處理,并有針對性地進(jìn)行防汛材料的配備和組織,保證渡汛萬無一失。其任務(wù)為:①探測堤防及堤防險工段地質(zhì)結(jié)構(gòu)及堤身、堤基存在的隱患、規(guī)模、種類、分布范圍;②探測舊渠砌石護(hù)險工程的護(hù)砌分布厚度及堤基情況;③探測險工段堤防工程已經(jīng)出現(xiàn)的裂縫、滑坡、坍陷、隆起等不良地質(zhì)現(xiàn)象,探測堤身、堤基有無獾洞及其它空洞存在;④本次堤防勘探深度為堤頂以下15m。
該堤防基礎(chǔ)為第四系全新統(tǒng)沖洪積地層,巖性以粉細(xì)砂為主,下游段出現(xiàn)黑色淤泥質(zhì)粘土夾層,層厚約0.7~2.0m。
堤身為人工就地取土填筑而成,主要由粉細(xì)砂(中下游段)、砂卵礫石(上游段)等組成。而險工段除上述介質(zhì)組成外,在迎水坡鋪設(shè)漿砌石護(hù)坡(厚度約0.4m—原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn))和鉛絲石籠水平護(hù)底,漿砌石護(hù)坡除可見堤身部分裸露外,其余部分和外鋪8m左右的鉛絲石籠水平護(hù)底均埋于河灘灘地以下,一般為4~6m。介質(zhì)構(gòu)成復(fù)雜多變,分布不均,且處于包氣帶中,極為干燥。
地下水位埋深(自地表計):盧溝橋附近約20m,至下游逐漸變淺,達(dá)省/市界附近一帶(石佛寺)約2m。
實(shí)踐及理論分析表明:漿砌石、堤身粉細(xì)砂(或砂卵礫石)和堤基粉細(xì)砂兩倆之間具有電磁、電性和彈性差異,具備綜合物探的物理前提;各類堤防隱患與正常堤防介質(zhì)具有一定的電磁、電性等差異,可用地質(zhì)雷達(dá)、高密度電法、電測深法、中間梯度剖面法等進(jìn)行探測。但某些不均質(zhì)體的規(guī)模與其埋深之比太小,在物探曲線上反映不明顯,難于準(zhǔn)確地劃分;同時,由于測區(qū)范圍較大,堤防各巖性層的空間變化具有較大差異,加之堤身介質(zhì)組成復(fù)雜多變,致使測區(qū)地球物理特征復(fù)雜。
1測試方法
1.1 地質(zhì)雷達(dá)
沿堤頂迎水邊布置1條縱剖面,并全線實(shí)施地質(zhì)雷達(dá)探測,選用天線的中心頻率為50MHz。對于險工段,又在堤頂背水側(cè)和迎水面坡腳各布置1條縱剖面,選用天線的中心頻率為250MHz。非險工段記錄點(diǎn)距0.5m,險工段記錄點(diǎn)距0.2m。測試儀器為瑞典產(chǎn)RAMAC/GPR雷達(dá)系統(tǒng)。實(shí)測采用剖面法,且收發(fā)天線方向與測線方向平行。
1.2 電法勘探
在地質(zhì)雷達(dá)探測的基礎(chǔ)上,選擇部分堤段,沿堤頂迎水邊進(jìn)行電法勘探。測試儀器為國產(chǎn)WDJD-1型多功能電測儀及其附屬設(shè)備。實(shí)測方法為:①高密度電法,選用溫納爾裝置,基本點(diǎn)距為2~3m,電極隔離系數(shù)為9~12;②電測深法,選用MN/AB=1/5的對稱四極等比裝置,最小供電極距(AB/2)min=1.5m,最大供電極距(AB/2)max=45.0m;③中間梯度剖面法,采用供電極距AB=60m,測量極距MN=4m,測點(diǎn)距為2m。
1.3 地震勘探
在地質(zhì)雷達(dá)探測的基礎(chǔ)上,選擇部分堤段,沿堤頂迎水邊進(jìn)行地震勘探。測試儀器為美國產(chǎn)R24工程地震儀以及與之配套的專用電纜和頻率為38Hz的檢波器等,采用錘擊震源。測試方法為初至折射波法。
1.4 土工試驗(yàn)
為準(zhǔn)定量或半定量地評價堤身土體質(zhì)量,在進(jìn)行地球物理勘探的同時,對堤身土體進(jìn)行原位和室內(nèi)土工試驗(yàn)。
⑴ 原位(現(xiàn)場)試驗(yàn):密度測試采用環(huán)刀法(堤身為粉細(xì)砂)、注水法(堤身為砂卵礫石);天然含水量測試采用烘干法。
⑵ 室內(nèi)試驗(yàn):依據(jù)現(xiàn)場測試的密度、含水量重新制樣并測試。
2資料整理與解釋
2.1 地質(zhì)雷達(dá)
由野外實(shí)測所獲得的雷達(dá)剖面,經(jīng)濾波、平衡處理后得到清晰的雷達(dá)圖像,據(jù)此全面客觀地分析各種雷達(dá)波組的特征(如波形、頻率、強(qiáng)度等),尤其是反射波的波形及強(qiáng)度特征,通過同相軸的追蹤,確定波組的地質(zhì)意義,構(gòu)制地質(zhì)——地球物理解釋模型。
地質(zhì)雷達(dá)接收信號強(qiáng)度除與發(fā)射信號功率大小有關(guān)外,還與地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征和物性參數(shù)有關(guān),而反射信號的強(qiáng)度在一定的發(fā)射功率下,主要取決于不同介質(zhì)接觸界面的反射系數(shù)和穿透介質(zhì)的衰減系數(shù),其中反射系數(shù)主要取決于界面兩側(cè)介質(zhì)的介電常數(shù),而介質(zhì)的衰減系數(shù)與介電常數(shù)(平方根成反比)和電導(dǎo)率(平方根成正比)有關(guān)。所以,地質(zhì)雷達(dá)資料反映的是地下地層的電磁分布特征(介電常數(shù)和電導(dǎo)率),要把地下介質(zhì)的電磁分布特性轉(zhuǎn)化為地質(zhì)分布,必須把地質(zhì)、鉆探等已知勘察資料與地質(zhì)雷達(dá)資料有機(jī)地結(jié)合起來,才能獲得正確的地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)模式。
根據(jù)反射波組的同相性、相似性和波形特征,區(qū)分不同地質(zhì)層(體)的反射波組,并研究它們的相互關(guān)系和變化趨勢,建立各類波組的地質(zhì)結(jié)構(gòu)模式,達(dá)到地質(zhì)解譯的目的。
就本次勘察對象而言,漿砌石的電導(dǎo)率(電阻率的倒數(shù))和介電常數(shù)均最低,使得雷達(dá)波速最高,而對電磁波的吸收衰減也最小,在單一頻率(250MHz)的雷達(dá)圖像上表現(xiàn)為強(qiáng)反射,多以較低頻、較寬粗的同相軸出現(xiàn)。當(dāng)漿砌石較薄或其底部與土體分離形成空洞時,該波組的最下部同相軸變化復(fù)雜,呈現(xiàn)錯斷、缺失、不連續(xù)或雜亂無章等現(xiàn)象;潮濕粉細(xì)砂則由于顆粒較細(xì),含水率較高,其電導(dǎo)率(電阻率的倒數(shù))和介電常數(shù)均最大,使得雷達(dá)波速最低,故對電磁波表現(xiàn)為強(qiáng)吸收性,在單一頻率(50MHz或250MHz)的雷達(dá)圖像中該波組反映為波幅小而細(xì)、連續(xù)性好;砂卵礫石和干燥粉細(xì)砂介于漿砌石和潮濕粉細(xì)砂之間,由于砂卵礫石較粉細(xì)砂的顆粒粗,所以,砂卵礫石在單一頻率(50MHz或250MHz)的雷達(dá)圖像上的表現(xiàn)特征接近于漿砌石,但成層性較差,而干燥粉細(xì)砂和潮濕粉細(xì)砂只是含水率的變化使得他們的電磁特性具有較大差異,而在單一頻率(50MHz或250MHz)的雷達(dá)圖像中表現(xiàn)出不同的特征。另外,雷達(dá)波在地下介質(zhì)傳播過程中,當(dāng)遇到空洞或高阻不均勻體時,將會產(chǎn)生反射,且波長加大、頻率變低、強(qiáng)度增高。當(dāng)遇到松散介質(zhì)或低阻不均質(zhì)體時,雷達(dá)波形雜亂無章,有時以窄細(xì)形同相軸出現(xiàn),有時無明顯規(guī)律。此為識別堤防隱患的依據(jù)。
由上述分析并結(jié)合部分已知資料,對雷達(dá)圖像進(jìn)行地質(zhì)解釋,并根據(jù)不同探測對象的雷達(dá)波速綜合值計算其深度。雷達(dá)波速綜合值的選取依各巖土層的雷達(dá)波速結(jié)合探測目的來考慮,具體為:堤防險工段漿砌石護(hù)險質(zhì)量探測時,選取雷達(dá)波速綜合值為0.10m/ns;堤身隱患和橫測線探測時,選取雷達(dá)波速綜合值為0.09m/ns。則此時雷達(dá)系統(tǒng)的最小縱向分辨率為:①使用中心頻率50MHz的天線約0.5m,②使用中心頻率250MHz的天線約0.1m。
圖1為左堤9+638~9+721護(hù)險段坡腳雷達(dá)測試圖像(250MHz)。此圖由淺至深解釋為:①第一同相軸(<4ns)為雷達(dá)波初始信號;②第二同相軸和第三同相軸(<12ns,層厚約0.40m)呈現(xiàn)出寬粗、強(qiáng)振幅,且連續(xù)可追蹤的水平層狀,該同相軸推測為漿砌石在雷達(dá)圖像上的反映。尤其是第三同相軸有時出現(xiàn)不連續(xù)段或缺失或雜亂無章時,即可推定此處漿砌石質(zhì)量差或與堤身土體分離形成架空等現(xiàn)象;③新人工填土(干燥粉細(xì)砂):反射層位不連續(xù),起伏變化較大,有時雜亂無章,反映該層填土不均勻,層位不穩(wěn)定,時有透鏡體的形式展現(xiàn),該層厚度大約為2~4m;④老人工填土(相對潮濕粉細(xì)砂):反射層位連續(xù)且穩(wěn)定,層內(nèi)介質(zhì)變化不大,反映出該層填土較均勻,已形成相對密實(shí)的地層,該層厚度大約為1~3m;⑤自然地層(較潮濕粉細(xì)砂):即堤基持力層,反射明顯,層位穩(wěn)定,未見層內(nèi)介質(zhì)突變或不均勻的現(xiàn)象,反映出自然地層沉積環(huán)境較好,密實(shí)度相對較大等,此層頂面埋深大約為4~5m(自護(hù)砌坡腳處地地面起算)。
圖2為左堤29+400~29+600堤頂迎水面雷達(dá)測試圖像(50MHz)。由圖可知:29+400~29+500和29+560~29+600兩樁號段為正常堤體(粉細(xì)砂)的雷達(dá)圖像,除局部干擾和下部含水率較高影響外,其波形、波寬及強(qiáng)度基本一致,而29+500~29+560樁號段自堤頂以下,埋深約4.0m開始出現(xiàn)強(qiáng)反射,反射波寬粗、波長加大、頻率變低,此現(xiàn)象一直延續(xù)到埋深約12.0m,該圖像即為高阻不均質(zhì)體的反映。另外,在埋深約4.8m和11.2m出現(xiàn)兩個強(qiáng)反射同相軸,且波形穩(wěn)定、連續(xù)性好,能長距離追蹤。分析認(rèn)為:埋深約4.8m的反射同相軸推測為不同時期填筑堤身粉細(xì)砂的分界面,而埋深約11.2m的反射同相軸則為人工填筑堤身粉細(xì)砂與自然地層(粉細(xì)砂)的分界面。
2.2電法勘探
2.2.1高密度電法
由野外采集的數(shù)據(jù)經(jīng)編輯、調(diào)整后,進(jìn)一步對曲線或繪圖單元進(jìn)行圓滑等處理,以達(dá)到消除干擾,突出異常,提高解釋精度之目的。實(shí)測數(shù)據(jù)處理后可獲得高密度電法視電阻率斷面灰度圖(或等值線圖),通過對比分析,掌握堤身、堤基介質(zhì)的視電阻率變化特征及不同電阻率介質(zhì)層(體)的分布形態(tài),進(jìn)而判識堤身內(nèi)部是否有洞穴或其它不良結(jié)構(gòu)現(xiàn)象(體)的存在。當(dāng)?shù)躺硗馏w質(zhì)量均勻無空洞、裂縫、土 堤防隱患探測實(shí)例分析體不均一等異常隱患存在時,視電阻率等值線有規(guī)律的均勻分布,近水平層狀;當(dāng)?shù)躺砘虻袒鶅?nèi)有上述類型隱患存在時,則視電阻率等值線將發(fā)生變化,表現(xiàn)為成層性差、梯度變化大,出現(xiàn)高阻或低阻閉合圈等異常形態(tài)。
就本次測試結(jié)果而言,所獲得的視電阻率斷面灰度圖(或等值線圖)均客觀地反映了測試剖面堤頂以下垂直和水平方向的地質(zhì)情況。經(jīng)分析后認(rèn)為該測區(qū)視電阻率斷面圖可分為以下類型:
⑴ 視電阻率等值線上高下低,層次分明,且水平層狀分布,說明堤頂表層粉細(xì)砂較干燥密實(shí),視電阻率值一般為200~400Ω·m,而堤身下部粉細(xì)砂或堤基粉細(xì)砂較潮濕,視電阻率值一般為30~80Ω·m,中部視電阻率變化梯度較均一。此為正常堤身土體的視電阻率斷面反映,如左堤13+313~13+009、32+368~32+600、44+640~44+994等,右堤26+840~27+268等樁號段。該斷面特征是此次高密度電法測試剖面的主要類型。
⑵ 視電阻率等值線上低下高,層次尚分明,基本呈水平層狀分布,但表層視電阻率值一般為100~200Ω·m,此為堤頂較干燥粉細(xì)砂的反映,隨電極隔離系數(shù)的增大視電阻率逐漸升高,至剖面下部視電阻率最高,其值一般為300~500Ω·m,推測堤身下部或堤基介質(zhì)由較粗顆粒的砂或砂卵礫石組成,如左堤8+800~9+409等樁號段。中部視電阻率變化梯度尚均一。該斷面也可認(rèn)為是正常堤體的視電阻率反映。
⑶ 視電阻率等值線上下低中間高,層次基本分明,表層視電阻率值一般為200~350Ω·m,此為堤頂較干燥粉細(xì)砂的反映,隨電極隔離系數(shù)的增大視電阻率先升高后變低,剖面中部視電阻率最高,其范圍值400~600Ω·m,推測為堤身粉細(xì)砂較干燥密實(shí)或筑堤介質(zhì)中含有石料等,剖面下部由于接觸到堤基潮濕粉細(xì)砂而視電阻率變低,如左堤21+184~21+300等樁號段。
⑷ 視電阻率等值線層次較差,出現(xiàn)局部高阻閉合圈,其視電阻率值高達(dá)600~1000Ω·m,推測此處堤身介質(zhì)含有大塊拋石等高阻不均勻體或洞穴異常,而周圍介質(zhì)多為粉細(xì)砂組成,視電阻率值一般為100~300Ω·m,隨電極隔離系數(shù)的增大而受到堤基介質(zhì)影響時視電阻率開始變低,如左堤39+328~39+682等樁號段。
⑸ 獾洞在視電阻率斷面圖中表現(xiàn)為相對高阻,其值受周圍堤身介質(zhì)電阻率的影響,有時難以識別(如第④種類型),有時較易判別,如左堤52+750~52+800樁號段,堤身土體的電阻率均一且相對較低,其值為30~80Ω·m,而獾洞的視電阻率則較高,其值為160~210Ω·m,它在灰度圖中表現(xiàn)非常明顯。
2.2.2電測深
對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯和整理,并打印實(shí)測數(shù)據(jù),確保測試資料及其計算成果的可靠。然后根據(jù)實(shí)測資料繪制等視電阻率斷面圖,掌握視電阻率等值線的起伏變化形態(tài)及其地電規(guī)律,并判斷地質(zhì)層(體)的分布位置及其空間變化趨勢,了解巖土體電阻率的橫向變化特征,劃分地電斷面,區(qū)分干擾影響,初步了解地電參數(shù),取得地電斷面和地質(zhì)層(體)變化形態(tài)的定性資料,達(dá)到判識隱患異常的目的。
電測深曲線類型以Q型曲線為主,個別測段出現(xiàn)K型曲線,還有少量的HK型曲線,這些都相應(yīng)地反映了堤身或堤基的地質(zhì)情況。
分析等視電阻率(ρs)斷面圖可歸納為以下剖面形態(tài):
⑴ ρs等值線上高下低,表層視電阻率變化相對較大且局部有“v”型高阻出現(xiàn),中部和下部ρs等值線分布稀疏,呈水平層狀,變化梯度較慢。此為正常堤身土體的ρs斷面反映,如左堤12+435~12+750、26+730~26+995、27+500~27+560等,右堤26+870~27+000等樁號段。此形態(tài)在測試的堤段中出現(xiàn)最多。
⑵ ρs等值線上下低中間高,表層視電阻率值一般為100~200Ω·m,中部視電阻率最高,其范圍值400~600Ω·m,下部視電阻率最低,一般為40~100Ω·m,而且該類型剖面中上部ρs等值線變化相對較大,中部時常出現(xiàn)視電阻率高阻閉合圈,這些測段可能存在堤身介質(zhì)不均質(zhì)體,是判斷異常的重點(diǎn)堤段,如左堤40+200~40+400等樁號段。
2.2.3中間梯度剖面
根據(jù)實(shí)測資料繪制視電阻率曲線圖,它主要反映堤頂以下一定深度內(nèi)堤身或堤基介質(zhì)的電性特征在水平方向上的變化規(guī)律,通過分析ρs曲線的這種變化規(guī)律即可掌握堤身或堤基介質(zhì)在水平方向上的變化特征,確定正常場的電性參數(shù),達(dá)到識別異常并分離異常的目的,由此還可判斷異常的可靠程度,判識異常的類型,計算異常的埋深和規(guī)模。
當(dāng)?shù)躺斫橘|(zhì)均一,無不良地質(zhì)現(xiàn)象等隱患異常存在時,中間梯度ρs曲線表現(xiàn)為平坦光滑、起伏變化很小,其視電阻率的離散系數(shù)也極小
當(dāng)?shù)躺斫橘|(zhì)存在不均質(zhì)體等不良地質(zhì)現(xiàn)象或各類隱患異常時,中間梯度ρs曲線起伏變化很大,有時表現(xiàn)為高阻,有時表現(xiàn)為低阻,此現(xiàn)象與地下介質(zhì)或隱患類型一一對應(yīng),其視電阻率的離散系數(shù)也極大。
2.3地震勘探
由野外采集到的地震折射波曲線記錄,首先進(jìn)行初至折射波對比,然后用初至自動拾取程序拾取每道的初至?xí)r間,并進(jìn)行調(diào)整。應(yīng)用地震儀內(nèi)裝SIPQC處理軟件包,把一條測線多個炮點(diǎn)記錄拾取的初至數(shù)據(jù)文件按炮點(diǎn)順序進(jìn)行編輯,形成綜合時距曲線,通過人工對比時距曲線進(jìn)行層位劃分,即可按照延遲時間法進(jìn)行解釋,求出各速度層的波速及埋深,并經(jīng)正演計算(即波路計算)來調(diào)整解釋厚度,以正演與實(shí)測時間之差同實(shí)測時間之比小于10%為最終解釋結(jié)果。
另外,依據(jù)堤身介質(zhì)的堆積韻律和變化特征,按照均勻分布的原則,在堤防上、中、下游等堤段有意識的選擇部分測段(左堤10處,右堤3處),平行地進(jìn)行了堤身土體的地震波測試和現(xiàn)場土工試驗(yàn)(濕密度),并挖取土樣回室內(nèi)進(jìn)行同密度的聲波波速測試和干密度試驗(yàn),借以進(jìn)行對應(yīng)分析,對堤身土體介質(zhì)的密實(shí)度達(dá)到準(zhǔn)定量評價的目的。
3成果綜述
3.1險工段護(hù)砌質(zhì)量探測
該堤防工程共劃定險工段12處計23段,累計長度10.684Km,占提防總長度的11.6%。為了解各險工段迎水坡舊漿砌石護(hù)險工程的護(hù)砌質(zhì)量,采用天線的中心頻率250MHz的地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行施測,以判定護(hù)砌質(zhì)量的優(yōu)劣。
險工段迎水坡多為漿砌石護(hù)險,個別段為磚砌護(hù)坡。由現(xiàn)場探測條件,選擇迎水坡與河灘表面的交匯處,且位于漿砌石面上布置測線,沿堤防走向進(jìn)行連續(xù)測試(相對于各險工段)。由處理后的地質(zhì)雷達(dá)剖面圖結(jié)合已知護(hù)險情況,通過綜合分析,推定73處漿砌石存在不同程度的隱患,累計長度約1.633Km,占全部險工段的15.3%。這些隱患的類型一般為:①漿砌石厚度較薄;②漿砌石與下部土體分離形成架空;③漿砌石膠結(jié)不良或松散;④漿砌石出現(xiàn)裂縫等。
護(hù)砌整體質(zhì)量較差的堤段多為年久失修嚴(yán)重,漿砌石與下部堤身土體接觸差,多形成架(懸)空狀態(tài),造成護(hù)砌斷裂、塌陷等不良現(xiàn)象較普遍,且多具一定規(guī)模。而造成上述現(xiàn)象的原因,經(jīng)分析認(rèn)為漿砌石面存在許多縫隙,且砂漿質(zhì)量差、少漿,下部又無防滲護(hù)層,堤身土體多由粉細(xì)砂組成,經(jīng)降水入滲,粉細(xì)砂局部被沖刷淘失,在砌石與堤身土體之間形成空洞,并有繼續(xù)擴(kuò)大發(fā)展之趨勢。
該物探成果經(jīng)業(yè)主開挖驗(yàn)證(見圖3),基本符合客觀實(shí)際,準(zhǔn)確率達(dá)80%以上,取得了較好的應(yīng)用效果。
根據(jù)護(hù)砌坡腳地質(zhì)雷達(dá)測試結(jié)果,除對測試區(qū)段漿砌石質(zhì)量評判外,還可劃分護(hù)砌坡腳漿砌石以下新人工填土(較干燥粉細(xì)砂)、老人工填土(較潮濕粉細(xì)砂)以及堤基自然地層(潮濕粉細(xì)砂)等。這些地層在雷達(dá)剖面上的反映具有很大不同,其特征為:①新人工填土(較干燥粉細(xì)砂):反射層位不連續(xù),起伏變化較大,有時雜亂無章,反映該層填土不均勻,層位不穩(wěn)定,時有透鏡體展現(xiàn)。該層厚度大約2~4m;②老人工填土(較潮濕粉細(xì)砂):反射層位連續(xù)且穩(wěn)定,說明該層介質(zhì)變化不大、填土較均勻,現(xiàn)已形成相對密實(shí)的地層。該層厚度大約0~3m;③自然地層(潮濕粉細(xì)砂):即堤基持力層。反射明顯,層位穩(wěn)定,未見層內(nèi)介質(zhì)突變或不均勻現(xiàn)象,反映出自然地層沉積環(huán)境較好,密實(shí)度相對較大等。該層頂面埋深大約為4~5m(自護(hù)砌坡腳處的河灘面計算)。
3.2堤防隱患探測
為了解堤防工程存在的隱患或不良地質(zhì)現(xiàn)象,沿堤頂迎水邊布設(shè)測線,采用天線中心頻率50MHz的地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)對全部堤防進(jìn)行施測,并選擇部分堤段與雷達(dá)技術(shù)平行地進(jìn)行了高密度電法、電測深法、中間梯度剖面法等測試,同時在險工段還布置了橫測線及堤頂背水邊測線以供地質(zhì)雷達(dá)測試。
堤身主要由粉細(xì)砂組成(中下游段),個別區(qū)段(上游段)由砂卵礫石構(gòu)成。依據(jù)上述物探方法的測試結(jié)果并結(jié)合堤防實(shí)際和已知情況,經(jīng)綜合對比、分析實(shí)測堤防介質(zhì)的電磁、電性、彈性等特征,共劃定出堤防內(nèi)部呈現(xiàn)凹陷、夾層、不均質(zhì)體(團(tuán)塊狀巖性變化體、透鏡體等)、介質(zhì)松散等不良地質(zhì)現(xiàn)象37段(處),累計長度2.99Km,約占堤防總長度的3.3%。
另外,通過對樁號55+717、55+750、55+762、55+775等4條橫測線的地質(zhì)雷達(dá)(250MHz的天線)連續(xù)測試(測試方向自堤頂迎水面至背水側(cè)),均發(fā)現(xiàn)向堤內(nèi)迎水面傾斜的同相軸,且該同相軸在堤頂迎水面處較深,約3m左右,至堤頂背水側(cè)逐漸變淺,一般到測試剖面長度的8~9m處尖滅。經(jīng)開挖證實(shí),此同相軸為原堤身土體與堆筑的前戧土體接觸部位。此次探測成果未在該段(樁號55+468~55+888)堤頂裂縫處發(fā)現(xiàn)堤身滑坡土體的滑動形跡,請從地質(zhì)理論方面解釋并尋找堤頂裂縫的形成原因和發(fā)展趨勢。
3.3堤身介質(zhì)密實(shí)度評價
沿堤防分段布置地震測線,進(jìn)行地震折射波測量,用以劃分堤防介質(zhì)層次,求取各層介質(zhì)的縱波速度,并結(jié)合其它物探方法的探測成果確定相對松散介質(zhì)或不均質(zhì)體的情況等。同時,選擇10處測段(左堤7處,右堤3處)又進(jìn)行了現(xiàn)場密度試驗(yàn),以準(zhǔn)定量或半定量地評價堤身土體的相對密實(shí)度。
由測試結(jié)果知:所測堤防部位自堤頂以下可劃分兩個明顯的速度層,其中第一層(即堤身)縱波速度多為200~310m/s(右堤測段1+495~1+550除外),層厚多為11m左右,主要反映的是堤身較干燥的粉細(xì)砂,而右堤1+495~1+550測段的堤身介質(zhì)為砂卵礫石,故縱波速度較高,其值為830m/s;第二層(即堤基)縱波速度由于受地下水及巖性變化的影響,其值離散較大,其中左堤7+045~7+100和15+230~15+285兩測段的縱波速度分別為780m/s、1020m/s,此值反映的是相對干燥砂礫石的波速,而右堤1+495~1+550和12+345~12+455兩測段的縱波速度為1750m/s、1700m/s,此值反 堤防隱患探測實(shí)例分析映的是相對潮濕砂礫石的波速,其它測段的縱波速度為1320~1530m/s,其反映的是地下水位附近粉細(xì)砂的波速。
由此分析可以得出:測試部位堤頂以下深約10m以內(nèi)的堤身土體縱波速度一般為300m/s左右,此值屬于波速較低的粉砂質(zhì)壤土或粉細(xì)砂,而其下覆的地層介質(zhì)縱波速度則較高,一般為1500m/s左右。
此外,在上述地震測試位置有目的的選擇10個測段進(jìn)行現(xiàn)場密度實(shí)驗(yàn),并取回土樣在室內(nèi)進(jìn)行同密度的聲波測試。表1列出了地震測試、土樣聲波測試及密度試驗(yàn)結(jié)果。
分析表1可知:室內(nèi)聲波波速測試值為260~480m/s;現(xiàn)場濕密度為1.41~2.03g/cm3;室內(nèi)干密度為1.31~1.95g/cm3。而堤體粉細(xì)砂的聲波速度一般較低,其值為260~370m/s,現(xiàn)場濕密度為1.41~1.61g/cm3,室內(nèi)干密度為1.31~1.55g/cm3。堤身砂卵礫石的聲波速度為480m/s,濕密度為2.03g/cm3,干密度為1.95g/cm3。由此得出:除由砂卵礫石組成的堤身介質(zhì)聲波速度和密度值(濕、干)較高外,由粉砂質(zhì)壤土或粉細(xì)砂組成的堤身介質(zhì)聲波速度和密度值(濕、干)均較低,表明由此介質(zhì)填筑的堤體密實(shí)度較差。
由表1還可看出:除砂卵礫石測段外其余堤段的地震波速度均小于室內(nèi)聲波波速,一般小于20~30%;現(xiàn)場濕密度則大于室內(nèi)干密度,一般大于4~9%。
表1地震測試、土樣聲波測試及密度試驗(yàn)成果表
Table 1The results of seismic surveying and acoustic testing and density testing in the varied dike sections
取土或測試
位置
地震速度
(m/s)
聲波速度
(m/s)
濕密度
(g/cm3)
干密度
(g/cm3)
備注
左堤7+060
240
300
1.51
1.39
①取土深度距堤頂1.5m處的背水坡上進(jìn)行。
②濕密度為現(xiàn)場密度試驗(yàn)值。
③干密度為室內(nèi)密度試驗(yàn)值。
④地震波速為現(xiàn)場測試。
⑤聲波波速為室內(nèi)測試,采用SD-1型聲波儀和50kHz平面換能器。
左堤15+250
240
370
1.41
1.33
左堤21+090
230
290
1.54
1.41
左堤39+000
220
300
1.46
1.41
左堤48+200
210
310
1.57
1.45
左堤56+100
230
280
1.45
1.38
左堤58+500
200
350
1.61
1.55
右堤1+510
830
480
2.03
1.95
右堤12+400
220
330
1.54
1.41
右堤24+020
240
260
1.41
1.31
為更直觀地表征濕密度與地震波速、干密度與聲波波速之間的相關(guān)關(guān)系,根據(jù)表1繪制出兩倆之間的散點(diǎn)圖,如圖4所示(右堤1+510處為砂卵礫石,地震波速830m/s,圖中未劃出)。說明它們之間具有一定的對應(yīng)關(guān)系,但由于測試樣本相對較少,不具備相關(guān)分析所要求的數(shù)量和等級類別。
4結(jié)語
永定河盧溝橋下游北京段堤防隱患探測工作,根據(jù)測區(qū)地質(zhì)、地球物理?xiàng)l件,采用地質(zhì)雷達(dá)、高密度電法、電測深法、中間梯度剖面法和地震折射波法等綜合物探方法,并結(jié)合少量土工試驗(yàn)資料,提高了物探成果的可靠性和實(shí)用性,基本查清了堤防隱患的類型和分別特征,滿足了任務(wù)要求,取得了良好的應(yīng)用效果。
由此可見,在具備一定物性差異的前提下,適時選用物探方法進(jìn)行堤防隱患探測是有效的。
但由于堤防隱患的類型復(fù)雜、種類繁多,諸如空洞、裂縫、軟弱帶、基礎(chǔ)滲漏等;加之堤防工程多為逐年加高加固而成,其填筑材料和介質(zhì)極不均勻,所以給物探查險帶來了諸多困難,也對物探工作方法、儀器及資料解釋等提出了特殊要求。因此,筆者建議有關(guān)部門加大堤防隱患探測技術(shù)及其設(shè)備的開發(fā)力度,組織有關(guān)廠家和科研、教學(xué)單位聯(lián)合攻關(guān),建立具有我國堤防探測特色的技術(shù)體系和儀器設(shè)備。儀器的開發(fā)與研制,應(yīng)在當(dāng)前物探儀器設(shè)備的基礎(chǔ)上,加強(qiáng)以下方面的試驗(yàn)研究,①進(jìn)一步提高堤防隱患探測儀器的分辨率;②探測儀器應(yīng)具有快速、準(zhǔn)確、使用方便、圖像直觀、輕便靈活等特點(diǎn),便于汛期使用;③儀器設(shè)備工藝需進(jìn)一步完善,提高其防潮、防水性能,以適應(yīng)防汛易出現(xiàn)的惡劣環(huán)境的需要;④加強(qiáng)汛期管涌等險情探測專用儀器的開發(fā)研制,特別是堤防10~15m深度范圍隱患的探測。
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⑻ 劉康和.地質(zhì)雷達(dá)在水利工程質(zhì)量檢測中的應(yīng)用[J].長江職工大學(xué)學(xué)報,2001,⑴.
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CASE STUDY OF GEOPHYSICAL PROSPECTING FOR HIDDEN FAULTS IN DIKES
[Abstract] In the survey of dike hidden trouble it is used the comprehensive geophysical prospecting technology such as ground penetrating radar(GPR) method, high density electric method, electric sounding method, seismic refraction wave method etc. And it combines a few geo-technical testing information so as to enhance the reliability and practice of the geophysical exploration results, obtain a good application effect as well as put forward the thinking for the survey development of the dike hidden trouble.
[Key words] comprehensive geophysical prospecting; bank protection project; ground pe 堤防隱患探測實(shí)例分析netrating radar; high density electric method; electrical sounding method; seismic refraction wave method; geo-technical testing
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