魏光輝,季小兵,胡 平

(希尼爾水庫管理處,新疆 庫爾勒 841000)

1 探地雷達(dá)技術(shù)簡介

探地雷達(dá) (Ground Penetrating Radar,簡稱GPR)是一種廣譜電磁技術(shù),它根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)圖像的動力學(xué)特征,對水工隱蔽工程予以定性的異常劃分并推斷其地質(zhì)成因。該法是利用超高頻脈沖電磁波探測地下介質(zhì)分布的一種地球物理勘探方法,用于探測介質(zhì)分布效果較好。其工作原理是:由雷達(dá)主機(jī)控制地面天線向地下發(fā)射寬頻帶短脈沖的高頻電磁波,由于地下不同介質(zhì)的介電常數(shù)不同,當(dāng)電磁波遇到不同介電常數(shù)的分界面時(shí),就要產(chǎn)生反射,高頻電磁波經(jīng)底下地層目的體反射后返回地面,被地面接受天線接受,電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí),其路徑、電磁場強(qiáng)度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)而變化,因此,根據(jù)接受到波的旅行時(shí)間(亦稱雙程走時(shí))、幅度與波形等資料,可探測介質(zhì)的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造與埋設(shè)物體,通過對接受的反射波場的成像處理來獲取地下目的體的圖像,經(jīng)過對該圖像的分析解釋,得到地下目的體的有關(guān)信息。其特點(diǎn)是快速、無損、連續(xù)檢測,并以實(shí)時(shí)成像方式顯示地下結(jié)構(gòu)剖面,使探測結(jié)果一目了然,分析、判讀直觀方便。因探測精度高、樣點(diǎn)密、工作效率高而倍受地質(zhì)、公路、鐵路、水利等行業(yè)的關(guān)注。

由于雷達(dá)波是一種電磁脈沖,理論研究與室內(nèi)試件的模擬實(shí)驗(yàn)證明,影響電磁波在介質(zhì)中傳播的兩個(gè)最主要的物理量為電導(dǎo)率σ和介電常數(shù) Er。雷達(dá)波在物體或介質(zhì)中的傳播速度 V與介質(zhì)的相對介電常數(shù) Er有如下系:

式中 C——真空中的電磁波傳播速度(C=108m/s);

V——介質(zhì)中雷達(dá)波的傳輸速度;

Er——介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

自然界中幾乎所有的物質(zhì)都有獨(dú)特的電性。表1列出了水工隱蔽工程質(zhì)量檢測中常見材料的電性。探地雷達(dá)勾繪出不同電性界面,畫出反映地下不同物體輪廓的圖像,給人們以直觀的形態(tài),指示目標(biāo)位置和深度。

表1 水工隱蔽工程中常見材料的電性

探地雷達(dá)探測地下隱蔽工程(如塑性混凝土防滲墻)可能存在的如裂縫、空洞、壩基結(jié)構(gòu)疏松等病害和缺陷的地下被埋藏目標(biāo),必須滿足以下條件:(1)發(fā)射的電磁波的能量必須大到能夠到達(dá)埋藏的物體,并能返回地面被接收器探測到;(2)埋藏物的阻抗差別要足夠大,以便造成充分的反射;(3)目標(biāo)要大到能在規(guī)定的深度內(nèi)探測到;(4)其它物體的干擾不足以影響來自埋藏物的反射。

2 水工隱蔽工程質(zhì)量檢測應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

希尼爾水庫位于新疆尉犁縣境內(nèi),水庫是從孔雀河第一分水樞紐引水、經(jīng)庫塔干渠總干渠輸水的注入式大⑵型平原水庫。一期設(shè)計(jì)庫容為 0.98億m3,最大壩高 20m,相應(yīng)設(shè)計(jì)水位為 913.6m,死庫容為 0.1億 m3,死水位 905.8m,一期水面面積16.74km2。

希尼爾水庫工程包括:主壩、副壩、引水閘、引水渠、放水閘、分水閘及附屬設(shè)施等。壩體為砂礫石均質(zhì)壩,壩頂寬 6m,上游壩坡 1∶2.5,下游壩坡 1∶2;壩體防滲采取斜鋪復(fù)合膜(兩布一膜)結(jié)構(gòu),其中膜厚0.75mm,無紡布規(guī)格為 200g/m2;壩體上游護(hù)坡設(shè)計(jì)為混凝土板,板厚 15～22cm。壩基防滲,根據(jù)地質(zhì)情況的不同,分別采取 PE塑膜、塑性混凝土防滲墻、水泥土防滲墻三種不同形式的防滲方式。

2.2 壩基防滲墻質(zhì)量檢測

為了檢查壩基水泥土與塑性混凝土防滲墻的質(zhì)量,判定防滲墻施工是否連續(xù),墻體內(nèi)有無裂縫、空洞、裂隙等不均勻現(xiàn)象,2003年元月,希尼爾水庫管理處請中國人民解放軍 63653部隊(duì)進(jìn)行探地雷達(dá)(Remac-Ⅱ型探地雷達(dá))無損檢測,得出了詳細(xì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.2.1 探地雷達(dá)檢測目的

目的是檢測防滲墻是否連續(xù),墻體內(nèi)是否有裂縫、裂隙、空洞等局部缺陷。

2.2.2 防滲墻檢測的可行性分析

防滲墻的底面和內(nèi)部可能出現(xiàn)的空洞都有雷達(dá)波反射界面,利用探地雷達(dá)探測空洞或傾角較小的裂縫是一個(gè)有效的方法。探地雷達(dá)探測的難點(diǎn)在于防滲墻接觸部位是否錯開,是否有近乎直立的裂縫。根據(jù)試驗(yàn)和理論分析,無限延伸的直立良導(dǎo)板體在雷達(dá)剖面上的響應(yīng)是一雙曲拋物線。它對雷達(dá)波的反射或繞射均發(fā)生在導(dǎo)體的表面,是一種感應(yīng)面電流引起的響應(yīng),因而在雷達(dá)剖面上可以形成一種單一的反射能量非常集中的異常信號。防滲墻的不連續(xù)接觸面,它們與連續(xù)的防滲墻相比有電性異常,對雷達(dá)波的反射或繞射發(fā)生的異常,是一種感應(yīng)體電流引起的響應(yīng),在雷達(dá)剖面上的響應(yīng)應(yīng)該是多層散亂異?，F(xiàn)象。因此,根據(jù)信號的連續(xù)性可以探測防滲墻是否連續(xù),墻體內(nèi)是否有裂縫、裂隙、空洞等不均勻現(xiàn)象。

2.2.3 探測方法

根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)的結(jié)果,采用 25MHz天線進(jìn)行檢測,采用 100MHz天線進(jìn)行防滲墻搜索和異常的驗(yàn)證。在塑性混凝土防滲墻段,測點(diǎn)距采用 1m,在深層攪拌水泥土防滲墻地段,測點(diǎn)距選擇為 0.5m。

探測時(shí)地下目標(biāo)體的埋深未知,且現(xiàn)場地下水位埋深很小,為了盡可能地探測到地下目標(biāo)體和提高探測工作時(shí)的信噪比,探測中,時(shí)間窗選擇和疊加次數(shù)設(shè)置均比較大,其余參數(shù)均按一般探測工作要求設(shè)置,具體雷達(dá)探測參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 雷達(dá)(Remac-Ⅱ型)探測參數(shù)設(shè)置

2.2.4 探測數(shù)據(jù)處理方法

進(jìn)行雷達(dá)圖像處理的目的是使真實(shí)地質(zhì)體或探測目標(biāo)體的信號反映更加明顯,幫助人們判讀地下地質(zhì)體的異常位置和異常形態(tài)。探地雷達(dá)資料分析主要應(yīng)用了以下數(shù)據(jù)處理方法:(1)原始數(shù)據(jù)圖面分析;(2)數(shù)據(jù)零點(diǎn)設(shè)置;(3)雷達(dá)圖像譜分析;(4)雷達(dá)數(shù)據(jù)濾波和背景場剔除;(5)部分圖像道混合;(6)深度校正。

2.2.5 探測成果分析

2.2.5.1 探測資料總體分析

從所得到的雷達(dá)影像分析,本次雷達(dá)探測剖面上多次反射信號(即平行的一組信號)明顯,反射信號的振幅值較大,相位連續(xù),這部分信號是探測剖面兩淺部導(dǎo)向槽和防滲墻頂面以及防滲膜對雷達(dá)波信號的反射所致(雷達(dá)將這部分信號作為真實(shí)信號記錄)。圖像中在深度幾米到十幾米段,相位連續(xù),振幅穩(wěn)定,無反射面,表明該段電磁波在材料較為均一的介質(zhì)中,該段介質(zhì)為防滲墻;在深度十米左右相位不連續(xù),信號振幅增大,出現(xiàn)層狀的異常界面,推斷該特征為防滲墻底面的雷達(dá)信號異常。利用濾波法將背景場剔除,得到了防滲墻的雷達(dá)影像,可以直觀反映防滲墻的特征。

2.2.5.2 異常統(tǒng)計(jì)及分析

根據(jù)處理后的雷達(dá)影像圖,依據(jù)異常的判斷模式,探測發(fā)現(xiàn)的異常部位見表3。

2.2.6 質(zhì)量評價(jià)

探地雷達(dá)檢測表明,防滲墻總體上是連續(xù)的,防滲墻澆注基本上是均勻的,未發(fā)現(xiàn)大的空洞和裂縫。共發(fā)現(xiàn)雷達(dá)信號異常部位11個(gè),對該11個(gè)異常部位進(jìn)行反復(fù)探測后,認(rèn)為其中由于地表影響因素造成 4個(gè)異常。對 6+040～6+050部位進(jìn)行抗?jié)B性能原位壓水試驗(yàn)后,發(fā)現(xiàn)其滲透系數(shù)能夠滿足設(shè)計(jì)要求。建議對 6+020～6+025、5+580、4+627等信號異常部位進(jìn)行開挖檢查,如果防滲墻存在不連續(xù)情況,即進(jìn)行修補(bǔ)或采取其它措施來保證其連續(xù)性。其余異常部位經(jīng)過雷達(dá)復(fù)查和分析研究之后,認(rèn)為對防滲性能沒有影響。本次探測到防滲墻的埋深從 8m到 16m之間變化。由于地表高差有一定變化,因此對防滲墻的底面的探測有一定的誤差。

表3 雷達(dá)探測到的防滲墻異常部位

總體評價(jià):從抽檢的樣本中統(tǒng)計(jì),新疆巴州希尼爾水庫防滲墻工程,墻體力學(xué)性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求,墻體基本均勻連續(xù)、完整。

2.2.7 注意事項(xiàng)

(1)探地雷達(dá)探測方法既簡捷又經(jīng)濟(jì),事半功倍。實(shí)踐證明,該套技術(shù)經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、效果好,可測出防滲墻中裂縫、洞穴等隱患的位置、性質(zhì)、走向及埋藏深度,探測結(jié)果形象直觀。這對及時(shí)掌握壩基防滲墻質(zhì)量狀況,發(fā)現(xiàn)和處理各種隱患,確保水庫安全具有重要意義。

(2)探地雷達(dá)方法也有不足,在探測小于 10m的防滲墻隱患時(shí),效果較好,圖像反映比較直觀,但對深部隱患反映不明顯,并且還受兩方面的影響:一是壩基土體的含水影響,由于水的介電常數(shù)為 80左右,電磁波在介質(zhì)中傳播的速度較低,探測的深度相對較淺;二是探測深度與分辨率的矛盾,也即要探測較深而隱患范圍又較小的部位時(shí),就比較困難。

3 結(jié)束語

探地雷達(dá)檢測隱蔽工程質(zhì)量具有速度快、探測精度高、可以獲得連續(xù)結(jié)果等特點(diǎn),在水工隱蔽工程質(zhì)量檢測中有著廣泛的應(yīng)用前景。但是,在應(yīng)用探地雷達(dá)檢測水工隱蔽工程中,需要根據(jù)雷達(dá)圖像來識別隱蔽工程的質(zhì)量缺陷,因此對檢測人員要求較高,現(xiàn)場測試人員應(yīng)當(dāng)與有經(jīng)驗(yàn)的水利工程技術(shù)人員配合進(jìn)行綜合判斷,以提高檢測工作的準(zhǔn)確性。