海堤抛石底界的联合探测方法试验研究

GXF360 2019-10-01

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1 研究背景

依据DB33/T839-2011《海堤工程爆炸置换法处理软基技术规范》[1]、JTT/T258-1998《爆炸法处理水下地基和基础技术规程》[2]及相关设计要求，海堤爆填块石底界需进行检测。以往以钻探法为主，主要因该方法具有结果直观、准确等优点，但同时也因其施工周期长、探测信息不连续且对海堤堤身有破坏等缺点，实际工程应用中难以全面实施。如何快速且可靠地对海堤抛石进行检测是当前工程技术人员一直致力解决的问题。葛双成[3-4]、张家宝[5]、邓义龙[6]、王佳贺[7]、王绍彪[8]、李俊杰[9]等分别利用地质雷达法、浅层地震波法和多道瞬态瑞雷波法进行了海堤抛石底界探测试验，通过对物性的图像特征进行分析，一定程度上确定了抛石底界的厚度。总的来说，上述地球物理勘探方法因具有测点密度高、检测速度快和对海堤堤身无损等优点，正在海堤抛石检测中进行尝试性应用。借鉴上述研究成果，笔者及所在团队通过对海堤抛石层物性特征的进一步分析，认为块石层与淤泥层之间存在一定物性差异，如抛石体的均质性差、孔隙大，同时受海水的影响，电磁波在进入淤泥层后能量衰减迅速等，这为地质雷达方法在海堤抛石检测中的应用提供了良好的地球物理基础。

基于上述考虑，结合近几年地质雷达检测方法在隧道、引水隧洞等工程上的应用案例[10-11]，以及相关的成熟理论(偏移成像[12]及正演模拟[13]、雷达波反射机理[14]等)，本文通过钻孔法和地质雷达法进行联合探测试验研究，其中采用少量典型地质钻探孔作为雷达探测结果的验证和标定，为海堤抛石检测提供了一套有效的技术方法。

2 探测方法

2.1 钻探检测法

在钻机钻进过程中，利用钻杆的长度量测孔深，并对钻孔岩土层进行分层描述，孔口高程采用水准仪测量。通过钻孔获得以下数据：① 钻探点抛石层底界高程；② 抛石层底部泥石混合层的厚度。

由于爆填堤心块石体均质性较差，且厚度大，钻探难度一般较大。钻探施工中应采用金刚石钻头钻进，开孔孔径150 mm，终孔孔径一般为110 mm，并深入地基土层不少于2 m，全孔采用多套套管护壁。钻探过程均详细记录，每次提钻前后均需量测钻杆长度、孔深，终孔时记录各钻孔的深度、块石体底界深度等。终孔由检测人员现场验证，确保钻探记录准确有效。但需要说明的是，由于钻进过程中的挤压作用，抛石体与下部软土层之间深度界线不可避免产生少量偏差。

2.2 地质雷达检测法

地质雷达是利用高频电磁波(主频为数十至数百乃至数千兆赫)以宽频带短脉冲形式由地面通过发射天线T送入地下，经地下地层或目标体反射后返回地面，为接收天线R所接收，当地下介质的波速v(m/ns)已知时，可根据测得的脉冲波旅行时间t(ns)，求出反射体的深度h(m)。电磁波在介质中传播时，其电磁波强度与波形将随所通过介质的电性及几何形态而变化。因此，根据接收到波的旅行时间(亦称双程走时)、幅度及波形资料，可推断介质的结构及不同介质分界面(见图1)。在实际检测中，介质中的电磁波速度一般可利用已知目标体的反射时间求取，或根据钻孔揭示层位进行标定。

图1 雷达测厚原理
Fig.1 Principle of thickness measurement by GPR

雷达波在介质中的传播速度为

(1)

式中，εr为介质的介电常数；c为光速(0.3 m/ns)。

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一般海堤探测断面的介质层大致为抛石层、土石混合层(较薄)、地基软土层。根据表1所示常见介质的物理参数可知，抛石(可参考岩石电磁波速度)、淤泥及海水等介质之间有较明显的电性差异，具备雷达探测的基本物性条件。

表1 常见介质物理量
Tab.1 Physical quantities of common media

/(mS·m-1)/(m·ns-1)/(dB·m-1)100.3008030000.01100020～300.10～10.060.03～0.304～60.01～10.130.01～15～151～1000.091～1005～402～10000.061-30025～305000.0520～30

地质雷达在海堤探测时一般采用双天线反射测量方式，且多采用剖面法，即发射天线和接收天线以固定间距沿测线同步移动，其测量结果可以用探地雷达时间剖面图像来表示。该图像的横坐标记录了天线在地表的位置，纵坐标为反射波双程走时，表示雷达脉冲从发射天线出发经地下界面反射回到接收天线所需的时间。这种记录能够准确反映测线下方地下各反射界面的形态。

2.3 综合探测方法的优势

从前文分析可知，现有海堤抛石检测方法或完全以钻探方法为主，或以地球物理方法为主，前者虽然对抛石底界深度判定精度高，但其施工成本高、周期长、工作量大且效率低下，实际中难以实现快速检测，且仅为一孔之见。后者仅依靠物性参数的分布实现对海堤抛石底界深度的判定，存在检测深度不准确的问题，其原因在于海堤抛石体内部物性分布的不均匀性强，电磁波和地震波的波速选取无法做到与实际一致。本文提出的综合探测方法是综合了上述方法的长处，即利用地质雷达方法的探测信息连续且工作效率高的优点，同时针对地质雷达探测测线进行局部钻孔探测，可以实现对海堤抛石底界雷达波反射层的标定及电磁波速的选取，达到了快速且准确的检测要求。

3 现场试验

3.1 工程简介

浙江某海堤设计堤顶高程6.0 m，挡浪墙顶高程7.0 m，堤顶宽7.8 m。石堤爆炸置换深度至-14.9～-23.5 m高程(典型断面)。海堤上部断面结构为直立式土石混合复式断面型式，石堤挡潮防浪，土方闭气防渗。海堤迎潮面3.8 m高程设一12.2 m的消浪宽平台，宽平台以上按1∶0.4坡至堤顶；宽平台以下按1∶0.4坡至0 m高程坡脚，坡脚外再设5 m宽的抛石护坦，并设1∶3坡至外涂面，石堤内坡以1∶1.5坡至内涂面。内坡土方从堤顶以1∶3坡至2.0 m高程，2.0 m高程设宽4 m的马道，再以1∶4坡至0 m高程平台，0 m高程平台宽20 m，并以1∶15坡至内涂面。堤顶及外坡消浪宽平台均采用石渣垫层、混凝土稳定层和C25混凝土路面作护面，宽平台上下1∶0.4外坡采用C25埋石混凝土挡墙护坡，内坡2.0 m高程以上1∶3坡度采用C25混凝土预制块作护坡，2.0 m高程平台至0.5 m高程均采用立体植被护坡网，并植草皮护坡。现场检测期间，该海堤堤顶及消浪平台尚未浇筑，堤内侧闭气土方也未回填。海堤现状如图2所示。

2）阿卡狄亚式，即通过追溯艺术的黄金年代——古代与盛期文艺复兴时期，往现代城市中添加历史化的能唤起人乌托邦式想象的尺度。

图2 检测期间海堤概貌
Fig.2 General outline of seawall during testing

3.2 观测布置及雷达波速标定

现场围绕海堤分别沿纵向和横向布置测线，受篇幅限制，本文仅讨论横向测线的检测情况。现场雷达检测分别在8个桩号处(K0+287.5、K0+350、K0+412.5、K0+475、K0+537.5、K0+600、K0+655和K0+710)布置横向测线，测线方向由围区向外海侧延伸，并针对其中K0+350、K0+475、K0+600和K0+710桩号处对应的堤顶和消浪平台分别布置1个钻孔。现场依据各钻孔揭露的抛石深度，对雷达波速进行标定和选取，具体波速选取情况见表2。

1989—1993年对路堤状态进行了专门的野外观测。测量了土的温度、水平位移、溢洪道侧墙的水平位移以及溢洪道侧墙的土压力。在深度为2.5 m处各项指标最大值为：温度30 ℃，膨胀压力-0.30 MPa，距墙15 cm处水平位移0.6 mm。在冬季坝顶深度为0.2 m处最大水平移动距离为4.5 mm(即溢洪道侧墙与土之间的裂缝张开的近似宽度)。

表2 钻孔探测结果及雷达波速标定
Tab.2 The test results in borehole and the speed calibration of radar wave

/m/ns/(m·ns-1)/(m·ns-1)ZK121.04950.0850.089ZK422.54830.093ZK722.84790.095ZK921.25070.084ZK218.54930.0750.077ZK518.64770.078ZK821.04660.090ZK615.54580.065

由于堤顶比消浪平台多出约2 m的抛石体，受海水影响相对较小，抛石体空隙内充满空气，雷达波能量衰减较小，故雷达波速在堤顶表现相对比消浪平台高(见表2)。由于海水面以下抛石体内空隙充满海水，雷达能量衰减、波速减小，故实测雷达波速值比理论值(见表1)稍低，符合实际情况。

3.3 检测结果分析

抛石基底高程的检测主要综合钻探及物探成果与施工图设计标准断面结构进行比较。根据断面抛石基底高程对比(见表3)，确定4条钻探断面(K0+350,K0+475,K0+600及K0+710)抛石基底高程基本达到设计要求。图3～10为不同桩号处地质雷达剖面。

表3 抛石基底高程检测对比
Tab.3 Comparison of test results of the bottom elevation of riprap

/m/mK0+350-15.68～-15.54-15.30～1.01.5K0+475-16.98～-15.79-16.80～1.01.5K0+600-17.93～-17.00-17.60～1.01.5K0+710-15.40～-12.27-18.50～1.01.5

图3 横向测线(K0+287.5)地质雷达剖面
Fig.3 Transversal ground penetrating radar profile (K0+287.5)

图4 横向测线(K0+350)地质雷达剖面
Fig.4 Transversal ground penetrating radar profile (K0+350)

图5 横向测线(K0+412.5)地质雷达剖面
Fig.5 Transversal ground penetrating radar profile (K0+412.5)

图6 横向测线(K0+475)地质雷达剖面
Fig.6 Transversal ground penetrating radar profile (K0+475)

图7 横向测线(K0+537.5)地质雷达剖面
Fig.7 Transversal ground penetrating radar profile (K0+537.5)

图8 横向测线(K0+600)地质雷达剖面
Fig.8 Transversal ground penetrating radar profile (K0+600)

从各图中均可见较为明显的电磁波反射层位，其中在图4，6，8和10中均有钻孔控制，将根据钻孔探测抛石层深度标定的电磁波速应用到其它无钻孔控制的剖面中，可以获得相应的抛石底界深度(见图3，5，7和9)。从电磁波反射到达的时间推算，各检测断面中推断的抛石底界深度均基本达到了设计要求。

图9 横向测线(K0+655)地质雷达剖面
Fig.9 Transversal ground penetrating radar profile (K0+655)

图10 横向测线(K0+710)地质雷达剖面
Fig.10 Transversal ground penetrating radar profile (K0+710)

4 结语

海堤抛石检测是当前水利工程领域的研究热点之一，快速有效的海堤抛石检测方法仍处在探索和试验阶段。本文采用钻孔法和地质雷达波法进行了联合探测试验，结果表明:① 雷达电磁波在抛石体与淤泥层之间存在明显的反射层位；② 通过钻孔探测结果对海堤堤身电磁波波速进行标定，结合电磁波反射时间，有效确定了海堤抛石底界深度；③ 地质雷达法探测快速、信息连续，钻孔法探测结果直观、准确且可以为前者提供结果验证和电磁波波速标定作用，两者联合对海堤进行抛石检测可认为是一套相对行之有效的方案，值得推广应用。

从式(2)可以看出，当液压缸活塞两端压差越大，泄漏的流量相应就越大。从而使活塞运动速度降低。真正进入液压缸的流量应为：

3.利用表演游戏创设问题情境。在教学中应用角色表演游戏创设问题情境，生动有趣，可以使学生产生一种强烈表现的欲望，激发学生学习的热情。如：在学习第六章“交际礼仪”有关内容“介绍与握手”“接打电话”“拜访与接待”等内容时，就可以设计一些具体情景，让学生成组表演，亲身体验，在自己表演的过程中发现问题、寻找规律，在不知不觉中掌握知识。

参考文献：

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