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。
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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，而埋深约11.2m的反射同相轴则为人工填筑堤身粉细砂与自然地层(粉细砂)的分界面。
2.2电法勘探
2.2.1高密度电法
由野外采集的数据经编辑、调整后，进一步对曲线或绘图单元进行圆滑等处理，以达到消除干扰，突出异常，提高解释精度之目的。实测数据处理后可获得高密度电法视电阻率断面灰度图(或等值线图)，通过对比分析，掌握堤身、堤基介质的视电阻率变化特征及不同电阻率介质层(体)的分布形态，进而判识堤身内部是否有洞穴或其它不良结构现象(体)的存在。当堤身土体质量均匀无空洞、裂缝、土体不均一等异常隐患存在时，视电阻率等值线有规律的均匀分布，近水平层状；当堤身或堤基内有上述类型隐患存在时，则视电阻率等值线将发生变化，表现为成层性差、梯度变化大，出现高阻或低阻闭合圈等异常形态。
就本次测试结果而言，所获得的视电阻率断面灰度图(或等值线图)均客观地反映了测试剖面堤顶以下垂直和水平方向的地质情况。经分析后认为该测区视电阻率断面图可分为以下类型：
⑴ 视电阻率等值线上高下低，层次分明，且水平层状分布，说明堤顶表层粉细砂较干燥密实，视电阻率值一般为200～400Ω·m，而堤身下部粉细砂或堤基粉细砂较潮湿，视电阻率值一般为30～80Ω·m，中部视电阻率变化梯度较均一。此为正常堤身土体的视电阻率断面反映，如左堤13+313～13+009、32+368～32+600、44+640～44+994等，右堤26+840～27+268等桩号段。该断面特征是此次高密度电法测试剖面的主要类型。
⑵ 视电阻率等值线上低下高，层次尚分明，基本呈水平层状分布，但表层视电阻率值一般为100～200Ω·m，此为堤顶较干燥粉细砂的反映，随电极隔离系数的增大视电阻率逐渐升高，至剖面下部视电阻率最高，其值一般为300～500Ω·m，推测堤身下部或堤基介质由较粗颗粒的砂或砂卵砾石组成，如左堤8+800～9+409等桩号段。中部视电阻率变化梯度尚均一。该断面也可认为是正常堤体的视电阻率反映。
⑶ 视电阻率等值线上下低中间高，层次基本分明，表层视电阻率值一般为200～350Ω·m，此为堤顶较干燥粉细砂的反映，随电极隔离系数的增大视电阻率先升高后变低，剖面中部视电阻率最高，其范围值400～600Ω·m，推测为堤身粉细砂较干燥密实或筑堤介质中含有石料等，剖面下部由于接触到堤基潮湿粉细砂而视电阻率变低，如左堤21+184～21+300等桩号段。
⑷ 视电阻率等值线层次较差，出现局部高阻闭合圈，其视电阻率值高达600～1000Ω·m，推测此处堤身介质含有大块抛石等高阻不均匀体或洞穴异常，而周围介质多为粉细砂组成，视电阻率值一般为100～300Ω·m，随电极隔离系数的增大而受到堤基介质影响时视电阻率开始变低，如左堤39+328～39+682等桩号段。
⑸ 獾洞在视电阻率断面图中表现为相对高阻，其值受周围堤身介质电阻率的影响，有时难以识别(如第④种类型)，有时较易判别，如左堤52+750～52+800桩号段，堤身土体的电阻率均一且相对较低，其值为30～80Ω·m，而獾洞的视电阻率则较高，其值为160～210Ω·m，它在灰度图中表现非常明显。
2.2.2电测深
对原始数据进行编辑和整理，并打印实测数据，确保测试资料及其计算成果的可靠。然后根据实测资料绘制等视电阻率断面图，掌握视电阻率等值线的起伏变化形态及其地电规律，并判断地质层(体)的分布位置及其空间变化趋势，了解岩土体电阻率的横向变化特征，划分地电断面，区分干扰影响，初步了解地电参数，取得地电断面和地质层(体)变化形态的定性资料，达到判识隐患异常的目的。
电测深曲线类型以Q型曲线为主，个别测段出现K型曲线，还有少量的HK型曲线，这些都相应地反映了堤身或堤基的地质情况。
分析等视电阻率(ρs)断面图可归纳为以下剖面形态：
⑴ ρs等值线上高下低，表层视电阻率变化相对较大且局部有“v”型高阻出现，中部和下部ρs等值线分布稀疏，呈水平层状，变化梯度较慢。此为正常堤身土体的ρs断面反映，如左堤12+435～12+750、26+730～26+995、27+500～27+560等，右堤26+870～27+000等桩号段。此形态在测试的堤段中出现最多。
⑵ ρs等值线上下低中间高，表层视电阻率值一般为100～200Ω·m，中部视电阻率最高，其范围值400～600Ω·m，下部视电阻率最低，一般为40～100Ω·m，而且该类型剖面中上部ρs等值线变化相对较大，中部时常出现视电阻率高阻闭合圈，这些测段可能存在堤身介质不均质体，是判断异常的重点堤段，如左堤40+200～40+400等桩号段。
2.2.3中间梯度剖面
根据实测资料绘制视电阻率曲线图，它主要反映堤顶以下一定深度内堤身或堤基介质的电性特征在水平方向上的变化规律，通过分析ρs曲线的这种变化规律即可掌握堤身或堤基介质在水平方向上的变化特征，确定正常场的电性参数，达到识别异常并分离异常的目的，由此还可判断异常的可靠程度，判识异常的类型，计算异常的埋深和规模。
当堤身介质均一，无不良地质现象等隐患异常存在时，中间梯度ρs曲线表现为平坦光滑、起伏变化很小，其视电阻率的离散系数也极小
当堤身介质存在不均质体等不良地质现象或各类隐患异常时，中间梯度ρs曲线起伏变化很大，有时表现为高阻，有时表现为低阻，此现象与地下介质或隐患类型一一对应，其视电阻率的离散系数也极大。
2.3地震勘探
由野外采集到的地震折射波曲线记录，首先进行初至折射波对比，然后用初至自动拾取程序拾取每道的初至时间，并进行调整。应用地震仪内装SIPQC处理软件包，把一条测线多个炮点记录拾取的初至数据文件按炮点顺序进行编辑，形成综合时距曲线，通过人工对比时距曲线进行层位划分，即可按照延迟时间法进行解释，求出各速度层的波速及埋深，并经正演计算(即波路计算)来调整解释厚度，以正演与实测时间之差同实测时间之比小于10%为最终解释结果。
另外，依据堤身介质的堆积韵律和变化特征，按照均匀分布的原则，在堤防上、中、下游等堤段有意识的选择部分测段(左堤10处，右堤3处)，平行地进行了堤身土体的地震波测试和现场土工试验(湿密度)，并挖取土样回室内进行同密度的声波波速测试和干密度试验，借以进行对应分析，对堤身土体介质的密实度达到准定量评价的目的。
3成果综述
3.1险工段护砌质量探测
该堤防工程共划定险工段12处计23段，累计长度10.684Km，占提防总长度的11.6%。为了解各险工段迎水坡旧浆砌石护险工程的护砌质量，采用天线的中心频率250MHz的地质雷达系统进行施测，以判定护砌质量的优劣。
险工段迎水坡多为浆砌石护险，个别段为砖砌护坡。由现场探测条件，选择迎水坡与河滩表面的交汇处，且位于浆砌石面上布置测线，沿堤防走向进行连续测试(相对于各险工段)。由处理后的地质雷达剖面图结合已知护险情况，通过综合分析，推定73处浆砌石存在不同程度的隐患，累计长度约1.633Km，占全部险工段的15.3%。这些隐患的类型一般为：①浆砌石厚度较薄；②浆砌石与下部土体分离形成架空；③浆砌石胶结不良或松散；④浆砌石出现裂缝等。
护砌整体质量较差的堤段多为年久失修严重，浆砌石与下部堤身土体接触差，多形成架(悬)空状态，造成护砌断裂、塌陷等不良现象较普遍，且多具一定规模。而造成上述现象的原因，经分析认为浆砌石面存在许多缝隙，且砂浆质量差、少浆，下部又无防渗护层，堤身土体多由粉细砂组成，经降水入渗，粉细砂局部被冲刷淘失，在砌石与堤身土体之间形成空洞，并有继续扩大发展之趋势。
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该物探成果经业主开挖验证(见图3)，基本符合客观实际，准确率达80%以上，取得了较好的应用效果。
根据护砌坡脚地质雷达测试结果，除对测试区段浆砌石质量评判外，还可划分护砌坡脚浆砌石以下新人工填土(较干燥粉细砂)、老人工填土(较潮湿粉细砂)以及堤基自然地层(潮湿粉细砂)等。这些地层在雷达剖面上的反映具有很大不同,其特征为：①新人工填土(较干燥粉细砂)：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，时有透镜体展现。该层厚度大约2～4m；②老人工填土(较潮湿粉细砂)：反射层位连续且稳定，说明该层介质变化不大、填土较均匀，现已形成相对密实的地层。该层厚度大约0～3m；③自然地层(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现象，反映出自然地层沉积环境较好，密实度相对较大等。该层顶面埋深大约为4～5m(自护砌坡脚处的河滩面计算)。
3.2堤防隐患探测
为了解堤防工程存在的隐患或不良地质现象，沿堤顶迎水边布设测线，采用天线中心频率50MHz的地质雷达系统对全部堤防进行施测，并选择部分堤段与雷达技术平行地进行了高密度电法、电测深法、中间梯度剖面法等测试，同时在险工段还布置了横测线及堤顶背水边测线以供地质雷达测试。
堤身主要由粉细砂组成(中下游段)，个别区段(上游段)由砂卵砾石构成。依据上述物探方法的测试结果并结合堤防实际和已知情况，经综合对比、分析实测堤防介质的电磁、电性、弹性等特征，共划定出堤防内部呈现凹陷、夹层、不均质体(团块状岩性变化体、透镜体等)、介质松散等不良地质现象37段(处)，累计长度2.99Km，约占堤防总长度的3.3%。
另外，通过对桩号55+717、55+750、55+762、55+775等4条横测线的地质雷达(250MHz的天线)连续测试(测试方向自堤顶迎水面至背水侧)，均发现向堤内迎水面倾斜的同相轴，且该同相轴在堤顶迎水面处较深，约3m左右，至堤顶背水侧逐渐变浅，一般到测试剖面长度的8～9m处尖灭。经开挖证实，此同相轴为原堤身土体与堆筑的前戗土体接触部位。此次探测成果未在该段(桩号55+468～55+888)堤顶裂缝处发现堤身滑坡土体的滑动形迹，请从地质理论方面解释并寻找堤顶裂缝的形成原因和发展趋势。
3.3堤身介质密实度评价
沿堤防分段布置地震测线，进行地震折射波测量，用以划分堤防介质层次，求取各层介质的纵波速度，并结合其它物探方法的探测成果确定相对松散介质或不均质体的情况等。同时，选择10处测段(左堤7处，右堤3处)又进行了现场密度试验，以准定量或半定量地评价堤身土体的相对密实度。
由测试结果知：所测堤防部位自堤顶以下可划分两个明显的速度层，其中第一层(即堤身)纵波速度多为200～310m/s(右堤测段1+495～1+550除外)，层厚多为11m左右，主要反映的是堤身较干燥的粉细砂，而右堤1+495～1+550测段的堤身介质为砂卵砾石，故纵波速度较高，其值为830m/s；第二层(即堤基)纵波速度由于受地下水及岩性变化的影响，其值离散较大，其中左堤7+045～7+100和15+230～15+285两测段的纵波速度分别为780m/s、1020m/s，此值反映的是相对干燥砂砾石的波速，而右堤1+495～1+550和12+345～12+455两测段的纵波速度为1750m/s、1700m/s，此值反映的是相对潮湿砂砾石的波速，其它测段的纵波速度为1320～1530m/s，其反映的是地下水位附近粉细砂的波速。
由此分析可以得出：测试部位堤顶以下深约10m以内的堤身土体纵波速度一般为300m/s左右，此值属于波速较低的粉砂质壤土或粉细砂，而其下覆的地层介质纵波速度则较高，一般为1500m/s左右。
此外，在上述地震测试位置有目的的选择10个测段进行现场密度实验，并取回土样在室内进行同密度的声波测试。表1列出了地震测试、土样声波测试及密度试验结果。
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分析表1可知：室内声波波速测试值为260～480m/s；现场湿密度为1.41～2.03g/cm3；室内干密度为1.31～1.95g/cm3。而堤体粉细砂的声波速度一般较低，其值为260～370m/s，现场湿密度为1.41～1.61g/cm3，室内干密度为1.31～1.55g/cm3。堤身砂卵砾石的声波速度为480m/s，湿密度为2.03g/cm3，干密度为1.95g/cm3。由此得出：除由砂卵砾石组成的堤身介质声波速度和密度值(湿、干)较高外，由粉砂质壤土或粉细砂组成的堤身介质声波速度和密度值(湿、干)均较低，表明由此介质填筑的堤体密实度较差。
由表1还可看出：除砂卵砾石测段外其余堤段的地震波速度均小于室内声波波速，一般小于20～30%；现场湿密度则大于室内干密度，一般大于4～9%。
为更直观地表征湿密度与地震波速、干密度与声波波速之间的相关关系，根据表1绘制出两俩之间的散点图，如图4所示(右堤1+510处为砂卵砾石，地震波速830m/s，图中未划出)。说明它们之间具有一定的对应关系，但由于测试样本相对较少，不具备相关分析所要求的数量和等级类别。
4结语
永定河卢沟桥下游北京段堤防隐患探测工作，根据测区地质、地球物理条件，采用地质雷达、高密度电法、电测深法、中间梯度剖面法和地震折射波法等综合物探方法，并结合少量土工试验资料，提高了物探成果的可靠性和实用性，基本查清了堤防隐患的类型和分别特征，满足了任务要求，取得了良好的应用效果。
由此可见，在具备一定物性差异的前提下，适时选用物探方法进行堤防隐患探测是有效的。
但由于堤防隐患的类型复杂、种类繁多，诸如空洞、裂缝、软弱带、基础渗漏等；加之堤防工程多为逐年加高加固而成，其填筑材料和介质极不均匀，所以给物探查险带来了诸多困难，也对物探工作方法、仪器及资料解释等提出了特殊要求。因此，笔者建议有关部门加大堤防隐患探测技术及其设备的开发力度，组织有关厂家和科研、教学单位联合攻关，建立具有我国堤防探测特色的技术体系和仪器设备。仪器的开发与研制，应在当前物探仪器设备的基础上，加强以下方面的试验研究，①进一步提高堤防隐患探测仪器的分辨率；②探测仪器应具有快速、准确、使用方便、图像直观、轻便灵活等特点，便于汛期使用；③仪器设备工艺需进一步完善，提高其防潮、防水性能，以适应防汛易出现的恶劣环境的需要；④加强汛期管涌等险情探测专用仪器的开发研制，特别是堤防10～15m深度范围隐患的探测。
参考文献
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