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0前言

 

永定河卢沟桥下游北京段左、右堤防全长约91km，其中左堤长约61km，右堤长约30km。该堤防于清朝乾隆年间填筑，后经多次维修和加固形成现有规模，其主体为梯形，堤顶宽10m左右，可见堤高约5～6m，迎水坡坡度为1:1.5～1:2.0，背水坡坡度为1:2.0～1:2.5。目前左堤堤顶为沥青路面，右堤堤顶除上游段为混凝土路面外其余堤段均为砂石路面，可供防汛等车辆通行，基本满足防汛通行的要求。

 

在上述左、右堤防内共划定险工段12处计23段，这些险工段在历史上均有决口或抢险加固的记载，曾于1964～1989年多次对其迎水坡进行护险加固处理，多以干浆砌石结合铅丝石笼构成护坡。

 

为满足永定河北京段防洪规划的需要，应检测堤防工程内部隐患及其质量，故进行物探工作，以便汛期之前进行加固处理，并有针对性地进行防汛材料的配备和组织，保证渡汛万无一失。其任务为：①探测堤防及堤防险工段地质结构及堤身、堤基存在的隐患、规模、种类、分布范围；②探测旧渠砌石护险工程的护砌分布厚度及堤基情况；③探测险工段堤防工程已经出现的裂缝、滑坡、坍陷、隆起等不良地质现象，探测堤身、堤基有无獾洞及其它空洞存在；④本次堤防勘探深度为堤顶以下15m。

 

该堤防基础为第四系全新统冲洪积地层，岩性以粉细砂为主，下游段出现黑色淤泥质粘土夹层，层厚约0.7～2.0m。

 

堤身为人工就地取土填筑而成，主要由粉细砂(中下游段)、砂卵砾石(上游段)等组成。而险工段除上述介质组成外，在迎水坡铺设浆砌石护坡(厚度约0.4m—原设计标准)和铅丝石笼水平护底，浆砌石护坡除可见堤身部分裸露外，其余部分和外铺8m左右的铅丝石笼水平护底均埋于河滩滩地以下，一般为4～6m。介质构成复杂多变，分布不均，且处于包气带中，极为干燥。

 

地下水位埋深(自地表计)：卢沟桥附近约20m，至下游逐渐变浅，达省/市界附近一带(石佛寺)约2m。

 

实践及理论分析表明：浆砌石、堤身粉细砂(或砂卵砾石)和堤基粉细砂两俩之间具有电磁、电性和弹性差异，具备综合物探的物理前提；各类堤防隐患与正常堤防介质具有一定的电磁、电性等差异，可用地质雷达、高密度电法、电测深法、中间梯度剖面法等进行探测。但某些不均质体的规模与其埋深之比太小，在物探曲线上反映不明显，难于准确地划分；同时，由于测区范围较大，堤防各岩性层的空间变化具有较大差异，加之堤身介质组成复杂多变，致使测区地球物理特征复杂。

 

1测试方法

 

1.1 地质雷达

 

沿堤顶迎水边布置1条纵剖面，并全线实施地质雷达探测，选用天线的中心频率为50mhz。对于险工段，又在堤顶背水侧和迎水面坡脚各布置1条纵剖面，选用天线的中心频率为250mhz。非险工段记录点距0.5m，险工段记录点距0.2m。测试仪器为瑞典产ramac/gpr雷达系统。实测采用剖面法，且收发天线方向与测线方向平行。

 

1.2 电法勘探

 

在地质雷达探测的基础上,选择部分堤段,沿堤顶迎水边进行电法勘探。测试仪器为国产wdjd－1型多功能电测仪及其附属设备。实测方法为：①高密度电法，选用温纳尔装置，基本点距为2～3m，电极隔离系数为9～12；②电测深法，选用mn/ab=1/5的对称四极等比装置，最小供电极距(ab/2)min=1.5m，最大供电极距(ab/2)max=45.0m；③中间梯度剖面法，采用供电极距ab=60m，测量极距mn=4m，测点距为2m。

 

1.3 地震勘探

 

在地质雷达探测的基础上,选择部分堤段,沿堤顶迎水边进行地震勘探。测试仪器为美国产r24工程地震仪以及与之配套的专用电缆和频率为38hz的检波器等，采用锤击震源。测试方法为初至折射波法。

 

1.4 土工试验

 

为准定量或半定量地评价堤身土体质量，在进行地球物理勘探的同时，对堤身土体进行原位和室内土工试验。

 

⑴ 原位（现场）试验：密度测试采用环刀法(堤身为粉细砂)、注水法(堤身为砂卵砾石)；天然含水量测试采用烘干法。

 

⑵ 室内试验：依据现场测试的密度、含水量重新制样并测试。

 

2资料整理与解释

 

2.1 地质雷达

 

由野外实测所获得的雷达剖面，经滤波、平衡处理后得到清晰的雷达图像，据此全面客观地分析各种雷达波组的特征(如波形、频率、强度等)，尤其是反射波的波形及强度特征，通过同相轴的追踪，确定波组的地质意义，构制地质——地球物理解释模型。

 

地质雷达接收信号强度除与发射信号功率大小有关外，还与地下介质的结构特征和物性参数有关，而反射信号的强度在一定的发射功率下，主要取决于不同介质接触界面的反射系数和穿透介质的衰减系数，其中反射系数主要取决于界面两侧介质的介电常数，而介质的衰减系数与介电常数(平方根成反比)和电导率(平方根成正比)有关。所以，地质雷达资料反映的是地下地层的电磁分布特征(介电常数和电导率)，要把地下介质的电磁分布特性转化为地质分布，必须把地质、钻探等已知勘察资料与地质雷达资料有机地结合起来，才能获得正确的地下地质结构模式。

 

根据反射波组的同相性、相似性和波形特征，区分不同地质层(体)的反射波组，并研究它们的相互关系和变化趋势，建立各类波组的地质结构模式，达到地质解译的目的。

 

就本次勘察对象而言，浆砌石的电导率(电阻率的倒数)和介电常数均最低，使得雷达波速最高，而对电磁波的吸收衰减也最小，在单一频率(250mhz)的雷达图像上表现为强反射，多以较低频、较宽粗的同相轴出现。当浆砌石较薄或其底部与土体分离形成空洞时，该波组的最下部同相轴变化复杂，呈现错断、缺失、不连续或杂乱无章等现象；潮湿粉细砂则由于颗粒较细，含水率较高，其电导率(电阻率的倒数)和介电常数均最大，使得雷达波速最低，故对电磁波表现为强吸收性，在单一频率(50mhz或250mhz)的雷达图像中该波组反映为波幅小而细、连续性好；砂卵砾石和干燥粉细砂介于浆砌石和潮湿粉细砂之间，由于砂卵砾石较粉细砂的颗粒粗，所以，砂卵砾石在单一频率(50mhz或250mhz)的雷达图像上的表现特征接近于浆砌石，但成层性较差，而干燥粉细砂和潮湿粉细砂只是含水率的变化使得他们的电磁特性具有较大差异，而在单一频率(50mhz或250mhz)的雷达图像中表现出不同的特征。另外，雷达波在地下介质传播过程中，当遇到空洞或高阻不均匀体时，将会产生反射，且波长加大、频率变低、强度增高。当遇到松散介质或低阻不均质体时，雷达波形杂乱无章，有时以窄细形同相轴出现，有时无明显规律。此为识别堤防隐患的依据。

 

由上述分析并结合部分已知资料，对雷达图像进行地质解释，并根据不同探测对象的雷达波速综合值计算其深度。雷达波速综合值的选取依各岩土层的雷达波速结合探测目的来考虑，具体为：堤防险工段浆砌石护险质量探测时，选取雷达波速综合值为0.10m/ns；堤身隐患和横测线探测时，选取雷达波速综合值为0.09m/ns。则此时雷达系统的最小纵向分辨率为：①使用中心频率50mhz的天线约0.5m，②使用中心频率250mhz的天线约0.1m。

图1为左堤9+638～9+721护险段坡脚雷达测试图像(250mhz)。此图由浅至深解释为：①第一同相轴(<4ns)为雷达波初始信号；②第二同相轴和第三同相轴(<12ns，层厚约0.40m)呈现出宽粗、强振幅，且连续可追踪的水平层状，该同相轴推测为浆砌石在雷达图像上的反映。尤其是第三同相轴有时出现不连续段或缺失或杂乱无章时，即可推定此处浆砌石质量差或与堤身土体分离形成架空等现象；③新人工填土(干燥粉细砂)：反射层位不连续，起伏变化较大，有时杂乱无章，反映该层填土不均匀，层位不稳定，时有透镜体的形式展现，该层厚度大约为2～4m；④老人工填土(相对潮湿粉细砂)：反射层位连续且稳定，层内介质变化不大，反映出该层填土较均匀，已形成相对密实的地层，该层厚度大约为1～3m；⑤自然地层(较潮湿粉细砂)：即堤基持力层，反射明显，层位稳定，未见层内介质突变或不均匀的现象，反映出自然地层沉积环境较好，密实度相对较大等，此层顶面埋深大约为４～５m(自护砌坡脚处地地面起算)。

 

图2为左堤29+400～29+600堤顶迎水面雷达测试图像(50mhz)。由图可知：29+400～29+500和29+560～29+600两桩号段为正常堤体(粉细砂)的雷达图像，除局部干扰和下部含水率较高影响外，其波形、波宽及强度基本一致，而29+500～29+560桩号段自堤顶以下，埋深约4.0m开始出现强反射，反射波宽粗、波长加大、频率变低，此现象一直延续到埋深约12.0m，该图像即为高阻不均质体的反映。另外，在埋深约4.8m和11.2m出现两个强反射同相轴，且波形稳定、连续性好，能长距离追踪。分析认为：埋深约4.8m的反射同相轴推测为不同时期填筑堤身粉细砂的分界面，而埋