上海浦东新区海塘隐患的无损探测和定位技术.doc

上海浦东新区海塘隐患的无损探测和定位技术40技术交流测绘技术装备季刊第7卷2005年第3期上海浦东新区海塘隐患的无损探测和定位技术胡鹏单俊生(1_上海市浦东新区海塘管理署2.上海市浦东新区水务局)摘要:应用全球定位系统(GPS),探地雷达(GPR)技术,精确定位并查明堤防变形和隐患(空洞,裂缝等),可为堤防工程隐患的防治提供准确资料,为海塘的日常维护提供有效的技术方法本文从浦东新区海塘的地质条件和结构特征分析了应用无损探测技术检测海塘隐患的必要性,阐述了全球定位系统和探地雷达技术原理和实际应用效果,为堤防工程安全检测提供了经验.关键词:全球定位系统,探地雷达,无损探测,海塘隐患检测;1引言浦东新区最外围的防汛设施一一海塘大堤,全长60km,构成了确保新区防汛安全的生命线.但是,由于受上海地区特殊的工程地质和水文地质条件限制,浦东海塘大堤主要采用吹填沙土的方法筑坝,随着时间的推移和长期海水的侵袭,堤身的沉降变形日趋严重,因自然沉降引起的变形,空洞,裂缝和漏水通道等多种隐患也在增多;台风,高潮位期间浸润线的升高等都将对海塘安全运行构成威胁.因此,对海塘大堤结构的安全检测尤为重要.目前海塘大堤的检测主要采用人工巡测和开挖的方法.人工巡测难以获取变形参数,只能发现损坏严重,较为明显的海塘大堤隐患;开挖检测破坏性强,同时检测不仅周期长,维修工程量大,成本高,而且会延误隐患险段勘测发现时机,特别在汛期会导致溃堤和决口等灾害的发生,因此采用先进的高精度定位技术和无损探测技术,高效,快速查明海塘的基本状况,及时发现隐患,确保海塘大堤安全,节约维护成本具有十分重要的意义.无损探测技术是采用地球物理勘测的方法,在不破坏探测对象的前提下,实现对探测目标内部结构的探测.无损探测技术有电法,磁法,人工地震,放射,面波,瑞里波,地质cT,探地雷达等多种方法.其中探地雷达是探测海塘大堤隐患较为有效的技术手段.2技术原理2.1变形观测毫米级高精度实时差分定位系统,可以用于检测堤坝的在三维空间的变形情况,通过计算一定时间段内观测点上的坐标和高程变化(X,AY,Z),则可以生成个观测点的移动轨迹,生成堤坝的变形曲线.2.2无损探测探地雷达是利用超高频(106109Hz)脉冲电磁波探测地下介质分布的一种地球物理勘探方法.实践证明,它可以分辨地下直径为10-1m的介质分布,因此探地雷达方法以其特有的高分辨率在浅层与超浅层地质调查中有着极其广阔的应用前景.特别是现代数据处理技术的应用,已经使探地雷达具有了更质量控制广阔的应用领域.图1新区海塘大堤典型岸段断面图不同介质具有不同的电性特征,象土壤和空气等非磁性介质的电性特征可以用介电常数和电导率来表示,常见介质的电性参数见表一.介电常数决定介质的波速,电导率则对介质的反射,吸收特征起主导作用.不同电性介质的分界面由于电性差异(主要是电导率不同),形成电性界面,当电磁波在介质中传播时遇到电性界面会发生反射,电性差异越大反射就越强烈.测绘技术装备季刊第7卷2005年第3期技术交流4l堤坝中存在着空洞,裂缝等隐患时,土壤与隐患之间存在着电性界面,有的甚至形成土壤一空气自由界面.这种情况下,由于土壤与空气的电性差异较大,就形成了良好的电磁波反射界面.堤坝中,浸润线上,下土壤介质由于含水量不同导致电性差异而形成电磁波的良好反射界面.这就是堤坝中各类隐患及浸润线之所以能够被地质雷达所探测的物理前提.探地雷达利用一个天线发射高频宽频带电磁波,另一个天线接收来自地下介质界面的反射波(见图4).电磁波在介质中传播时,其路径,电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化.因此,根据接收波的旅行时间,幅度与波形资料,可推断介质的结构.探地雷达的分辨率分为水平与垂直两个方向,其水平分辨率等于第一Fresnel带的四分之一;垂直分辨率为地层中波长的八分之一.因此我们可以选择不同频率的天线针对探测目标进行探测.图2地雷达测原理恿图400MHz天线的发射脉冲宽度可达2.5ns,可探测深度为15m,最佳参考深度为3m,其水平分辨率和目标体的深度,土壤对电磁波的衰减,目标体与其周围介质间的电性差异有关.一般来说对与直径大于10cm的目标体均可在雷达图像上有异常反映.经验计算公式为:2为可在雷达图像上有异常反映的目标体的最小直径(或大小)/L为雷达子波的波长H为目标体的深度100MHz天线的发射脉冲宽度为10ns,可探测深度为525m,最佳参考深度为8m.2.3定位和测深雷达所探测目标体的定位和测深一般采用全站仪进行测量.首先,正式工作前,要将水准点和控制点坐标引到工区附近.其次,依据工区附近水准点和控制点坐标对测线的端点进行控制测量,确定测线端点的标高和坐标.雷达探测严格按照测线的布置进行,依据雷达解释的成果资料,确定目标体的位置及埋深.最后,将目标体投影到测线上,应用全站仪现场对目标体进行坐标和标高测量,从而确定了目标体的空间位置及标高.3实际应用3.1海塘结构位移信息采集通过对固定在海塘堤顶测量点位置的定期精确测量,反映海塘结构位移的信息.具体的方法是:设置监测点,根据岸段的结构形式和建设年代不同分类,在各岸段堤顶防浪墙上设置两个以上的GPS天线;引入控制点,在海塘沿线内陆引入测量控制点,每个控制点与海塘上的监测点距离不超过5km,相邻两控制点最大间隔距离不超过5km;基本参数的测量和解算,请专业测量单位对各测量点和控制点进行精确测量,将各点的精确位置(含高程数据)作为基本参数,作为将来测量比对的基础;应用GPS接收机同时对两个测量点的数据进行采集,采用高精度差分GPS技术,在测量点和控制点网密度达到要求的条件下,可以达到厘米级的测量精度,提供X,Y,Z三个方向的参数,解算出结构的沉降和水平方向的位移.系统提供专用算法对整个一线海塘的变形趋势进行整体分析和评估.3.2海塘内部隐患信息采集本次工作采用美国劳雷工业公司生产的SIR2000型探地雷达.运用400MHz,100MHz两种天线进行探测.该雷达每次扫描的采样数可达到2048,每秒64次扫描,发射速率最大可达到64kHz.主机重量仅有6kg,操作方便,适用工作环境较广.运用以上两种天线对堤坝进行普查探测,在有异常出现的地方做有针对性的详细探测.3.2.1测线布置本次试验地点为张军圩海塘外护坡平台,平台宽5m,长度570m,沿堤坝轴线等间距布置3条测线,雷达剖面达总长172lm(图3).42技术交流测绘技术装备季刊第7卷2005年第3期曰团因注:图中红线为雷达检测走向线,黑线为坝堤宽度指示线,基点由GPS测定图3探测布线示意图3.2.2参数设定测量参数包括天线中心频率,时窗,采样率,测点间距等.本次试验参数设定如下:天线中心频率:400MHz,100MHz时窗:50ns采样率:2048samp1e/scan测点间距:连续测量滤波:50800MHz水平去噪:3测量速度;1.5km/h3.2.3数据处理与解释地质雷达探测在波动特征上与地震勘探有很大相似之处,所以信号处理方式和资料解释的基本方法也相类似,但是电磁波传播与弹性波相比有着重要的区别.主要表现在介质吸收较大,土壤波速受含水量影响,波长很短且变化大,使目标体影像受背景波形的影响.因此必须对探测资料进行数据处理,剔除干扰,增强目标体,使得探测结果准确,翔实.通过单个剖面的解译分析及相邻剖面的对比,绘制试验区地质雷达检测隐患分布平面图,圈定隐患区域.3.2.4成果表现应用地质雷达探测时,天线沿测线方向向前移动,发射天线向地下不断发射宽度为2.5ns10ns量级的电磁波脉冲串.这些电磁波脉冲串在地下传播过程中遇到电性界面被先后反射到地面上来,然后被接收天线所接收,送至等效时间系统进行等效时间采样处理,显示系统将通过等效时间采样后重新组合恢复起来的波形按一定方式编码排列,最后以二维图像形式在显示装置上显示地下连续剖面的情况.其横坐标为沿测线方向的水平距离,纵坐标为时间,只要确定了电磁波在该介质中的波速,就可将纵坐标转换为深度.因此可将探测成果编成剖面图的形式.3.2.5检测试验效果本次共检测堤坝570m长,平行堤坝轴线等间隔布置3条测线,合计雷达剖面172lm.通过单个剖面的解译分析及相邻剖面的对比,绘制试验区地质雷达检测隐患分布平面图,初步圈定可能隐患区域17处.经过对所圈定隐患进行实地开挖验证,结果证明了该探测方法具有较好的实际效果(图4,5).4结语浦东新区海塘是浦东新区防御台风,高潮侵袭的第一道屏障,也是保卫新区人民生命财产安全,保障浦东新区经济建设和安全投资环境的重要水利设施.按目前浦东新区的国内和国际政治,经济地位,如果灾害发生,其损失将远远超过从前历次台(下转第39页)测绘技术装备季刊第7卷2005年第3期技术交流39(上接第42页)风所造成的损失,其社会和经济影响将不堪设想.应用高精度定位技术和探地雷达无损探测技术可快速,经济地探测查明堤防隐患;,为堤防工程隐患的防治提供准确资料,为海塘的日常维护提供有效的技术方法.图4318-32Om处的探地雷达图像与空洞照片图54