地质雷达在堤身违建拆除及恢复工程中的应用研究_王巍豪.pdf

第41卷 第4期2023年4月河 南 科 学HENAN SCIENCEVol.41 No.4Apr.2023收稿日期：2022-11-16基金项目：国家重点研发计划项目（2019YFC1510802，2021YFC3000103）作者简介：王巍豪（1999-），男，硕士研究生，主要研究方向为隐患探测技术通信作者：柯松（1994-），男，工程师，硕士，主要研究方向为地基处理与隐患探测技术文章编号：1004-3918（2023）04-0469-07地质雷达在堤身违建拆除及恢复工程中的应用研究王巍豪，陈海军，柯松，槐伟（南京水利科学研究院 岩土工程研究所，南京210029）摘要：堤防是重要的挡水建筑物，若堤身存在违规建筑物，则会大大削弱堤防的防汛抗渗能力，影响堤防的安全稳定.违建拆除、堤防恢复工程施工会不可避免地扰动堤身土层，形成不密实区域或空洞，从而会危及堤防沿岸人民的安全.为掌握堤身违建拆除及恢复工程中堤身的质量情况，使用地质雷达对某违建拆除后恢复的堤防进行现场探测应用，使用Reflexw软件处理雷达影像，最终发现该堤身有7处安全隐患.同时通过现场踏勘及开挖验证了该探测结果的准确性，说明地质雷达能够有效探测堤身违建拆除及恢复施工形成的隐患.本研究可为消除堤防隐患、保障堤防的安全运行提供一定的参考.关键词：堤防隐患；违规建筑物拆除；物探；地质雷达中图分类号：TV 871；P 631.3文献标识码：AApplication of Ground Penetrating Radar in the Demolition and Restoration ofIllegal Buildings on the EmbankmentWANG Weihao，CHEN Haijun，KE Song，HUAI Wei（Geotechnical Engineering Department，Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China）Abstract：Embankments are important water-retaining structures.The presence of illegal structures on the embankmentbody can significantly weaken the flood control and seepage resistance of the embankment and affect its safety andstability.The demolition of illegal structures and the restoration of embankments will inevitably disturb the soillayer of the embankment and form uncompacted areas or voids，which will endanger the safety of people along theembankment.To grasp the quality of the embankment during the demolition and restoration works，ground penetratingradar was used to detect the restored embankment after the demolition of illegal buildings.The radar images wereprocessed by using Reflexw software，and seven safety hazards were identified.The accuracy of the detection resultswas also verified through site investigation and excavation，which showed that ground penetrating radar could effectivelydetect the potential hazards formed by demolition of illegal structures and the restoration of embankments.Thisstudy can provide a reference for eliminating potential hazards in the embankment and ensuring the safe operationof the embankment.Key words：embankment hidden danger；demolition of illegal building；geophysical exploration；groundpenetrating radar堤防是防洪挡潮、保证人民生命和财产安全的重要挡水建筑物.随着堤防使用年限的不断增加，其结构中会普遍存在裂缝、洞穴、渗漏等隐患.此外，堤身违规建筑物的存在也会严重制约堤防的防洪能力，需要对堤身违规建筑物进行拆除，但对堤身违规建筑物拆除整改的施工过程中，可能会使堤身内部土体出现第41卷 第4期河 南 科 学2023年4月裂缝、空洞等隐患.当遭遇洪水时，存在隐患的堤防非常容易诱发险情1.目前，部分城市已有防洪堤需进行提标改造加固.堤防的除险加固工程主要是通过充填灌浆来解决堤防内部结构不稳定的问题2.在堤防恢复及加固工程中，受地质条件、施工技术等因素的影响，原堤身和新填土结合部位不易被碾压密实，灌浆加固的质量也不能直观控制.因此及时探查堤防质量状况，消除堤防隐患，是当代水利科研及技术工作者需要去研究解决的技术难题.通常情况下，堤防隐患分布范围广、种类多、物性特征各异且物性差异小3.此外，堤防隐患还具有可变性和突发性，随着汛情发展而变化.这就要求堤防隐患探测技术不仅要具有高灵敏度和高分辨率，能探测形态不同的隐患，还要具有强抗干扰性，能识别微弱有效信号.堤防隐患探测对维护水利工程安全运行，提高堤防抗洪能力具有重要意义.地质雷达，又名探地雷达（Ground Penetrating Radar，GPR），是基于不同介质之间的电性差异（如介电常数、电导率），利用电磁波时频和振幅特征来确定介质结构和物性特征的一种无损地球物理探测技术4-5，已被广泛应用于文物考古6-7、资源勘探8、工程检测9-10、水文水利11-12等诸多领域，并取得了较好的应用效果.地质雷达探测技术具有采集方便、速度快、抗干扰性强、分辨率高和对场地条件要求低等优点，成为隐患探测的有效方法.张松等13采用地质雷达检测技术探测了扬州长江堤防加固工程中堤身的质量情况，并探测出堤身中有裂隙裂缝、富水薄层等隐患.郑思伟14使用地质雷达法对洞室回填灌浆质量进行了检测，探测到了空洞、不密实体及脱空缺陷体，并通过工程实例验证了该方法的有效、可靠性.武桂芝等15利用阵列地质雷达在黄河某河段右岸大堤进行了18.2 km的探测应用，发现堤防地层存在异常点，并通过现场开挖比对分析证明了该技术的有效性.汤博16使用瑞典MALA地质雷达对天津某处海堤防浪墙混凝土和墙下基础之间进行了脱空探测，确定了脱空区的位置及规模，通过场地调查发现路面以下存在不同程度的脱空，为海堤的安全性分析提供了可靠依据.黄浩然等17应用地质雷达法和高密度电法对某堤塘渗漏通道进行了探测，并分析了这两种方法对渗漏通道的异常判别特征.韩佳明等18系统分析了不同条件下方形空洞地质雷达扫描图像的变化情况，并结合探测实例实现了地下方形空洞地质雷达成像机理的科学解释.朱占升等19使用地质雷达对采用冻结法施工的联络通道进行探测应用，结果表明地质雷达法能够对冻结帷幕进行定性分析，但要做到定量分析还需要继续深入研究.本研究基于地质雷达探测技术，对秦淮河某河段经违建拆除与恢复后的堤防开展了探测应用，通过雷达影像分析，对该堤身中可能存在隐患的位置及类别进行推测，并通过踏勘和开挖验证了探测结果，对消除堤防隐患、保障堤防的安全运行具有一定的参考价值.1地质雷达工作原理如图1所示，地质雷达的工作原理20是：通过发射天线T将高频电磁波（主频为数十兆赫至数百兆赫）以宽频带短脉冲形式由地面送入地下，电磁波在地下介质传播过程中遇到电性差异的界面时会发生反射，反射电磁波信号由另一接收天线R所接收.地质雷达是以探测目标与周围介质的介电常数、电导率差异为基础21-22，当电磁波向地下传播遇到介电性质和几何形态有差异的介质时，电磁波的强度与波形也会随之发生改变，反射电磁波信号会被接收天线接收，这样的一次发射和接收过程会形成一道回波信号.探测目标与周围介质的介电常数差值越大，反射电磁波的能量就越大.反射电磁波信号由接收天线接收，并由雷达的主机记录下来，再通过数据处理软件对该记录进行处理，可形成探测区域的雷达剖面图像.电磁波的旅行时间（也称双程走时）会随被测介质的厚度而变化.于是，在被测介质表面沿着设计的探测线，以相同间距移动地表的发射天线和接收天线，即可将反射界面的反射波依次排列成二维雷达图像，并在地质雷达屏幕上绘描出纵坐标为双程走时、横坐标为距离的雷达波形图1地质雷达工作原理图Fig.1Working principle diagram of ground penetrating radar发射天线T地面xvz接收天线R反射体-470引用格式：王巍豪，陈海军，柯松，等.地质雷达在堤身违建拆除及恢复工程中的应用研究 J.河南科学，2023，41（4）：469-475.图，如图2所示.电磁波双程走时的计算公式如式（1）所示，依据该公式可计算出反射波到达的深度23.同时，根据雷达影像图和电磁波的双程走时、幅度、波形等资料，可推测出异常介质的构造.雷达影像图通常用波形记录脉冲反射波，波形正负峰的表现形式有：黑白、灰度或彩色.根据这个原理，地下的反射面就能用等灰度、等色线的同相轴表示.t=4z2+x2v，（1）式中：t为电磁波双程走时，ns；z为反射体深度，m；x为发射天线T与接收天线R的距离，m；v为脉冲波波速，m/ns.2工程概况以位于秦淮河干流某河段的堤身违建拆除与恢复工程为研究对象，该工程主要建设内容为堤身违建拆除及堤防恢复，建筑物侵占堤防长度约620 m，起始桩号为K0+000，终点桩号为K0+620.2.1堤防概况该河段的防洪标准为100年一遇，该堤防工程级别为级，设计洪水位11.78 m.该堤段经历了2015年、2016年、2020年三次高水位（分别为11.17、11.44、11.04 m），存在潜在风险.该堤防迎水坡清水平台路面高程为89 m，宽为1.8 m，为人行步道；堤顶宽约10 m；迎水坡坡比约为1 3，背水坡坡比约为1 6.该堤防背水坡建有5座违规建筑物，位置排列及桩号如图3所示，全部位于秦淮河右堤堤后，其中1号、2号、4号违规建筑物及5号南侧违规建筑物均为PHC管桩基础，3号违规建筑物及5号北侧违规建筑物为筏板基础，违规建筑物总占地面积4 271.4 m2.2.2工程地质条件该工程所在场地属秦淮河漫滩地貌单元，堤身至堤基土层分别为：层素填土：杂灰、灰色，主要成分为黏性土，含少量碎石、碎砖屑.-1层粉质黏土：灰黄色，软可塑，韧性及干强度中低.-2层淤泥质粉质黏土：灰色，软塑，偶夹薄层粉土，无摇振反应，干强度中低，韧性中低.-3层粉质黏土：灰黄色，可塑，含锈黄色铁质浸染斑块，偶夹粉土，韧性及干强度中低.-1层粉质黏土：黄褐色，硬塑，韧性及干强度中高.-2层粉质黏土：灰黄色，可塑，韧性及干强度中等.-3层黏土：黄褐色，硬塑，局部为灰黄灰色，韧性及干强度高.-4层粉质黏土：灰黄色灰色，可塑，韧性及干强度中等.层粉细砂：灰黄色，饱和，密实，级配一般，主要矿物成分为长石、石英.-1层强风化砂岩：紫红色、