聂泽栋

摘要：根据防汛抗洪要求，需要对巢湖大坝某处渗漏点进行检测，结合工作中积累的经验以及对现场情况的预判，尝试采用了“地质雷达+微动测量+无人机”的空中、地面、地下立体作业方式，通过对各种数据的采集、叠加、分析与反演，找出了路基下的暗浜，为地方政府防汛抗洪提供科技支撑。

关键词：地质雷达；微动测量；无人机；航测与遥感；暗浜

引言

因巢湖环湖北路湿地公园入口东侧路基底部出现一处渗水点，根据巢湖防汛要求，需对渗水点附近的路基进行探测，探明是否存在管涌或渗漏通道。我院受地方政府之托，围绕渗水部位，采用雷达扫面、微动测量以及无人机航拍多种手段进行探测，旨在分析渗漏原因及影响范围，为后期堤坝的修复治理提供依据。

1.现场踏勘

根据现场防汛抗洪工作人员介绍以及查阅相关施工资料，大坝北侧是环湖公路，公园入口东侧有一处渗漏点，水流速约0.3升/秒，“千里之堤毁于蚁穴”是古训，本着对生命财产负责和大坝安全考虑，防汛指挥部要求我院找出渗漏点和渗漏原因。

2.技术依据和作业原理

2.1地质雷达

2.1.1基本原理

地质雷达（Ground Penetrating Radar，简称GPR）是利用超高频短脉冲电磁波在介质中传播时其路径、电磁场强度与波形随通过介质的电性质和几何形态的不同而变化的特点，根据接收到波的旅行时间（亦称双程走时）、幅度与波形资料来判断探测物的深度、位置等。具体工作原理是：当雷达系统利用天线向地下发射宽频带高频电磁波，电磁波信号在介质内部传播时遇到介电差异较大的介质界面时，就会发生反射、透射和折射。两种介质的介电常数差异越大，反射的电磁波能量也越大；反射回的电磁波被与发射天线同步移动的接收天线接收后，由雷达主机精确记录下反射回的电磁波的运动特征，再通过信号技术处理，形成全断面的扫描图，工程技术人员通过对雷达图像的判读，判断出地下目标物的实际结构情况水平距离，其工作原理见图2-1。

电磁波的传播取决于介质的电性，介质的电性主要有电导率μ和介电常数ε，前者主要影响电磁波的穿透（探测）深度，在电导率适中的情况下，后者决定电磁波在该物体中的传播速度，因此，所谓电性介面也就是电磁波传播的速度介面。不同的地质体（物体）具有不同的电性，因此，在不同电性的地质体的分界面上，都会产生回波。基本目标体探测原理见图2-2。

2.1.2儀器设备及资料处理及异常判别标准

根据本次地质雷达探测任务，主机选用瑞典MALA ProEx型双硬通道（四个数据通道）探地雷达主机，不同频率天线的测深能力不同，频率越低，天线尺寸越大，探测深度越大，但是分辨率会降低；频率越高，天线尺寸越小，探测深度越浅，分辨率会提高。本次选用的天线频率为100MHz屏蔽式一体天线，选取的工作参数为：时窗460ns，采样频率1700MHz。

对于地质雷达探测数据的处理，主要为去直流漂移、零点切除、自动增益控制、删除平均、带通滤波、滑动平均等。目的是为了改善资料的信噪比，为进一步解释提供清晰可辨的图像，识别现场探测中遇到的有限目标体引起的异常现象，对各类图像进行解释提供依据。缺陷判别标准及依据如下：

①密实：反射信号幅度较弱，甚至没有界面反射信号；

②裂隙：强反射信号，同相轴杂乱、不连续，较分散；

③软弱层（充水）：界面反射信号较强，反射波首波为正波，在其下部仍有较强反射界面信号，回波为负波；

④空洞（脱空）：界面反射信号强，三振相明显，反射波首波为负波，在其下部仍有强正波反射界面信号，两组信号时程差较大。

2.2微动测量

2.2.1工作原理

微动测量技术就是从微动信号中提取面波（瑞雷波）频散曲线，通过对频散曲线反演获得地下介质的S波速度结构，以探查地质构造的物探方法。通过S波速度在不同深度层次的高低变化，进行介质分层及构造识别。自然运动和人类活动产生的振动都是微动信号的来源，所以该方法具有很强的抗干扰能力，适用于人口密集区。同时，因其兼有高频、低频的信号，故而既能进行深部构造探测，也能识别浅部的目标体。

2.2.2仪器设备及资料解释

仪器设备详见图2-3。采用直线型（图2-4）布阵方式进行测量，台阵半径0～1m～2m～4m，采样频率250Hz，测量时间10分钟，L1线点距1m，L3线点距2m。

微动测量工作的物性基础是地下介质的波阻抗差异。如土壤、碎石、腐殖土等波阻抗相对较小的介质，微动成果剖面上表现为相对低速异常；如密实的岩石、混凝土等波阻抗相对较大的介质，微动成果剖面上表现为相对高速异常；存在断层、裂隙的位置在微动剖面上表现为低速异常；软弱土层等目标体在微动成果剖面上表现为相对低速异常。

2.3无人机倾斜摄影测量

2.3.1工作原理

倾斜摄影测量技术是国际摄影测量领域近十几年发展起来的一项高新技术，该技术通过从“1+4”的方式（一个垂直、四个倾斜），从5个不同的视角同步采集影像，获取到丰富的构筑物顶面及侧视的高分辨率纹理。它不仅能够真实地反映地物情况，高精度地获取物方纹理信息，还可通过先进的定位、融合、建模等技术，生成真实的三维城市模型。该技术在欧美等发达国家已经广泛应用于应急指挥、国土安全、城市管理等行业。

2.3.2仪器设备及资料解释

本工程采用飞马D2000无人机倾斜模块（整体相机1.2亿像素；倾斜相机镜头5个；镜头焦距下视25mm；斜视35mm；相机曝光速度：0.8s）按照2cm的分辨率进行航拍。D2000搭配网络RTK、PPK及其融合解算功能，支持高精度POS辅助空三，实现免像控应用。配备“无人机管家专业版”软件，具备各种应用需求的航线模式，能够进行精准三维航线规划、三维实时飞行监控、GPS融合解算、控制点量测、空三解算、一键成图、一键导出立体图形，提供DOM、DEM、DSM、TDOM等多种数据成果处理及浏览。本次航拍目的是输出真三维模型，旨在准确识别渗漏点周边的情况，同时结合大坝施工期间的影像图进行叠加分析，另外还给以后的治理和施工设计提供基础图件。

3.工作完成情况

如图3-1所示，本次工作共计布置地质雷达测线5条，累计剖面长度193m；微动测量剖面2条（L1和L3），累计长度95m；以渗漏点为圆心，按照300m的半径航拍了现场真三维模型。

3.1以往卫星影像及现场航拍资料对比分析

从图3-2中可见，环巢湖北路湿地公园段是在填埋水塘基础上修建的，存在暗浜，本次渗漏部位正好位于暗浜的北侧。从图3-3中可見，在暗浜部位，公路上形成了较多的裂隙，主要原因应是修路期间鱼塘清淤或回填土压实等问题造成，导致地面存在不均匀沉降。由于暗浜填埋物与周边土体存在一定差异，受不均匀沉降的影响，造成坝体扰动、土体不密实继而形成裂隙，在巢湖水位上升且压强增大后，水沿裂隙流动，形成渗漏。

3.2探测结果的推断解译

3.2.1 L1线结果分析

（1）工作位置

L1线主要围绕渗水点开展的工作，其中渗水点位于地质雷达剖面7m～11m的位置，位于微动探测剖面33m～37m的部位。具体点位见图3-4。

（2）结果分析

从图3-5可见，主渗水点位于微动测量剖面34m～36m低速异常处，该处地质雷达有较强的反射信号（高亮度），且在埋深1m左右同相轴呈弱弧形。不排除地下有管道存在的可能。但从微动结果看，该渗漏在这条剖面上的影响半径在2m左右。

同时在该剖面上，微动发现多个低速异常区，8m～12m处、18m～22m处及30m处。三处异常部位无渗水现象发现。

3.2.2 L3线结果分析

（1）工作位置

L3位于环湖北路南侧。具体点位见图3-6。

（2）结果分析

从图3-7中可见，微动在6m～12m处，20m～30m处均存在一低速异常，其中20m～30m处异常规模较大，且向下收窄，该异常在地质雷达影像上（地质雷达14m～21m处）有反射能量较强（高亮度），且17m处在埋深4m～5m左右有反射同相轴呈弱弧形。

地质雷达影像对微动6m～12m处低速异常也有显示（雷达影像2-4处较明显）。

4.结论

如图4-1，依据以往的卫星影像资料（图3-2），初步圈定了暗浜的边界。L3线微动低速异常正好位于该边界上，L4线穿过暗浜区。通过对各种数据的采集、叠加、分析与反演，做出以下判断：

（1）由于道路的不均匀沉降，带动环湖路段产生扰动，形成了环湖坝体出现不密实，暗浜中的水向不密实体渗入，进而坝体北侧出现了渗漏点。（2）L1-L3线地质雷达影像均出现微弱的弧形同相轴，但强度不大，可以判定不是管道渗漏。（3）暗浜是造成本次渗漏的主要原因。（4）探测区域内存在多个暗浜，是坝体的安全隐患，建议择时对环湖大坝进行多手段全面检测。

参考文献：

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