广东省冶金建筑设计研究院广东广州510000
摘要：本文研究采用探地雷达法探测堤岸抛石地基的有效性和可行性。文中详细阐述了探地雷达法用于探测堤岸抛石地基的技术背景、优势特点、理论基础、实施方式、应用效果等。成功地将探地雷达法运用到水上探测工程中，并解决了抛石地基勘察中其他方法不易解决的难点问题，效率高，成本低，效果明显。
关键词：探地雷达；探测；抛石地基；水上物探
1、引言
抛石挤淤法因相对简单易行，效果较好，广泛应用于沿海地区的河、海堤坝地基处理工程中[1]。当堤坝需要改造或加固时，往往需要获得较详细的堤坝地基基础资料，其中抛石地基的分布范围是设计过程中较重要的参数。
传统的抛石地基勘察主要采用钻探、探地雷达（地面）、浅层地震及其它地面物探方法，这些方法均存在一些局限。钻探存在的问题：1、钻探仅能得到单孔的抛石厚度，由于抛石地基边界的随机性和不规则性，难以得到较为准确的抛石地基分布范围；2、抛石地基水下部分位于浅水区，船难以直达上方，若开展钻探则必须搭建水上钻探平台，成本高、效率低、难度大，并且存在较大的安全隐患[2]。探地雷达方法（地面）存在的问题：由于水介质介电常数较大，对电磁波吸收作用强，一般认为探地雷达仅适用于地表使用[3][4]。浅层地震方法：相对于探测目标较小的抛石厚度，该方法分辨率较低[5][6]。探地雷达（地面）、浅层地震[7]及其它地面物探方法往往仅能探测岸上抛石地基沿堤岸的纵向分布情况，而难以得到抛石地基的横向分布情况，尤其是关键的水下部分的抛石地基分布情况。
本文主要在于打破传统的水介质制约探地雷达使用的思维，直接使用探地雷达系统在水上探测抛石地基，并结合钻探和GPS测量技术较全面地得到抛石地基的分布参数。实现了对堤岸抛石地基垂直于堤岸方向断面的勘察，能较准确地探得堤岸抛石地基在水下部分的延伸与分布，可避免对水下抛石地基的钻探，并能反复多断面勘察，既节约了勘察成本，又快捷、高效、准确。
2、理论基础
探地雷达法是一种利用高频电磁波探测地下介质分布的一种技术。探地雷达主机控制天线发射电磁波，电磁波经由不同电性质的介质中传播，通过分析接收到电磁波的双程走时、振幅、相位及波形资料，可以推断解释地下介质的结构[8]。电磁波本身和地下介质的性质影响探地雷达法的探测效果。
由于抛石地基一般存在于浅水靠岸区域，电磁波被吸收部分后尚有足够能量穿透一定深度的地层，并且因水介质、抛石、淤泥互相之间波阻抗差异较大，所以，探地雷达发射的电磁波不仅能够反映水底界面的变化，而且能够穿透水底介质继续向下传播，进而能够达到探测水底抛石地基厚度的目的。
3、试验
本方法的总体思路是：岸上部分仍采用传统的钻探方式勘察，水下部分采用探地雷达技术进行探测，下面着重介绍水下探测部分。
试验1
仪器：使用美国GSI公司研发的SIR3000型探地雷达主机，配以瑞典Radarteam公司生产的SE-40天线。
参数设置：时间窗口250ns，介电常数18，32次叠加，自动增益显示。
测线布置：沿堤岸方向，测线布置于出露抛石上方，点距0.25m，测线长度78m。
试验结果与分析：如图1所示，埋深约3m处可见一明显反射同相轴，推断为抛石底界面；13m～40m处为干扰数据，分析为由于天线与地面耦合不一致导致，该类干扰经常出现，不可避免。
试验2
仪器：使用美国GSI公司研发的SIR3000型探地雷达主机，配以瑞典Radarteam公司生产的SE-40天线。
参数设置：时间窗口400ns，介电常数18，32次叠加，自动增益显示。
测线布置：试验1剖面附近有水覆盖抛石处，垂直于堤岸方向，测线布置于水上，点距0.25m，测线长度11m。
试验结果与分析：如图2所示，图中明显可见水面、水底界面、抛石底界面的反映，抛石厚度在测线起点处约1.5m，向抛石边缘逐渐尖灭。相对于试验1，图中无明显干扰，数据质量较好。两次试验均能对抛石厚度
有所反应，试验2相对于试验1数据质量较好且内容丰富、直观。分析原因如下：1.试验2中由于有水介质充当“耦合剂”，相对于试验1中凹凸不平的抛石表面，可以使得采集的雷达数据中直达波基本水平，减少不必要的干扰，有利于后续的数据处理；2.试验2中由于测线垂直于堤岸布置，相对于试验1地层变化鲜明，有助于探地雷达数据的解译。
4、应用实例
本文例举在广州南沙区某景观带建设工程和某海堤加固工程中的应用实例，来展示水上探地雷达法探测堤岸抛石地基的效果。
在每次进场开展物探工作之前，首先提前查询工程所在区域潮位变化数据，选择水面高于堤边抛石最高处约50cm以上时为佳。
图3（a）～图3（b）为某景观带建设工程中采用水上探地雷达法探测抛石厚度的雷达剖面图。本工程中使用美国GSI公司研发的SIR3000型探地雷达主机，配以瑞典Radarteam公司生产的SE-40天线。图中可见抛石地基最厚处约2.5m，至抛石边缘逐渐尖灭，且明显反映出抛石挤淤的效果。
图4（a）～图4（c）为某海堤加固工程中采用水上探地雷达法探测抛石厚度的雷达剖面图。本工程中使用美国GSI公司研发的SIR3000型探地雷达主机，配以该公司生产的100MHz屏蔽天线。图4（a）中未见明显抛石地基的反射波信息，图中呈平行分布的几组电磁波反射同相轴推断为河底淤泥层的反映。图4（b）中未见明显抛石地基的反射波信息，图中可见一斜向下的反射波同相轴，推断为水下挡墙的反映，水底反射波下方未见明显反射，可推断水底介质较均匀。图4（c）中可见明显抛石地基反映，最厚处约2.5m，至边缘逐渐尖灭，且很好的反映了抛石挤淤的效果。
5、总结
本文基于探地雷达法的基本原理，通过不同的物理试验，并引用成功的应用实例，说明了水上探地雷达法探测抛石地基从理论到实际应用的可行性、优越性及良好的应用效果。探测抛石地基的探地雷达数据经处理成图后，由上往下可以获得水面界面、水与抛石界面（水与淤泥界面）、抛石与淤泥界面的时间数据，通过时深转换得到不同界面的深度参数，进而可以得到抛石向水中的延伸范围和抛石的厚度等信息。
本文总结探地雷达法应用到探测抛石地基的技术要点如下：
1.水上探测要比陆上探测能够得到数据质量更好的雷达剖面；
2.测线布置垂直于堤岸相对于沿堤岸探测有更好的解译效果；
3.采用相对高频的屏蔽天线能够进一步提高探地雷达法的数据质量；
4.相对于地质钻探通过探地雷达法反复多断面勘察可减少勘察成本，提高勘察效率。
参考文献：
[1]张永涛，唐炫，杨钊.抛石挤淤法的有效挤淤深度[J].土木工程与管理学报，2012，29（3）：77-80.
[2]何永寿，陈小满，徐泽友.城市地铁水上钻探技术[J].江苏建筑，2012，第5期：73-74.
[3]李坚，魏栋华，曹云勇等.厦门翔安隧道海域工程物探[J].铁道工程学报，2010，第6期：27-31.
[4]李大心.探地雷达方法与应用[M].北京：地质出版社，1994
作者简介：武永胜（1985-），男，山西介休人，工程师，从事工程物探及地下管线探测工作。