馬艷，楊永國，王琥，謝虎

(中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221008)

地質(zhì)雷達在防滲墻檢測中的應(yīng)用

馬艷?，楊永國，王琥，謝虎

(中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221008)

水庫堤壩中的防滲墻屬于隱蔽型的重要水利工程，壩體的結(jié)構(gòu)層形態(tài)復(fù)雜多變，探測難度大，為確保水庫堤壩安全可靠地運行，采用高分辨率的物探方法對其探測是必需的?；诘刭|(zhì)雷達檢測技術(shù)，以某水庫堤壩檢測為實例，通過RADPRO軟件對地質(zhì)雷達資料進行處理，并對該雷達圖像做出合理的地質(zhì)解釋，從而查明墻體內(nèi)可能存在的不連續(xù)地段，以便及時治理，也為下一部的鉆孔取芯提供了依據(jù)。

地質(zhì)雷達；堤壩；防滲墻

1 引 言

近年來，防滲墻在水庫大壩除險加固工程中得到廣泛應(yīng)用，其好壞直接影響到水利水電工程建設(shè)和人民群眾生命財產(chǎn)安全。由于防滲墻屬于地下隱蔽工程，難以用常規(guī)的建筑工程檢驗方法進行直接檢測，開挖或鉆孔檢驗方法效率低，財力物力消耗大，對工程造成難以恢復(fù)的破壞。地質(zhì)雷達探測技術(shù)作為一種無損檢測方法，具有分辨率高、快速經(jīng)濟、成果解釋可靠、操作簡便和自動化程度高的優(yōu)點，在淺層(30 m以內(nèi))勘查中得到廣泛應(yīng)用。本文以下洪水庫壩體的勘察為例，介紹地質(zhì)雷達探測技術(shù)在水庫防滲墻高分辨率探測中的實際應(yīng)用，以查明該墻體內(nèi)可能存在的不連續(xù)地段，以便及時補充治理。

2 地質(zhì)雷達工作原理及方法

(1)工作原理

地質(zhì)雷達是以寬頻帶短脈沖形式將高頻電磁波(主頻為數(shù)十兆赫至數(shù)百兆赫)由地面通過天線T送入地下，經(jīng)地下地層或目的體反射后返回地面，為另一天線R所接收(如圖1)，電磁波在地下介質(zhì)中傳播，當遇到存在介電性質(zhì)差異的地下介質(zhì)或目標時，電磁波部分能量會發(fā)生反射，被地面接收天線所接收。當收發(fā)天線連續(xù)移動時，可構(gòu)成一張雷達圖像或波形圖。對圖像或波形進行分析和處理，根據(jù)其波形、強度、幾何形態(tài)等特征，可以判讀地下目標物的埋深和分布特征。圖1為探地雷達探測原理示意圖，在介電常數(shù)發(fā)生變化的兩種介質(zhì)交界部位，電磁波傳播便發(fā)生類似光學(xué)的反射與折射，反射波的強弱與介質(zhì)電性有關(guān)。電磁波從發(fā)射到被接收的行程時間:

式中:h為反射界面深度，單位m；x為發(fā)射天線到接收天線間的距離，單位m；v為雷達脈沖速度，單位m/ns。

圖1 探地雷達反射探測原理

通過讀取探地雷達實測剖面上反射信號的行程時間t，只要確定雷達脈沖速度v，即可由式(1)求出反射體的深度h，即目標體的位置。

雷達波的波速v與介質(zhì)的相對介電常數(shù)εr有關(guān):

式中:c為電磁波在空氣中的傳播速度，0.3 m/ns；εr為介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

圖2為波形記錄的示意圖，圖上對照一個簡單的地質(zhì)模型，畫出了波形的記錄，在波形記錄圖上各測點均以測線的鉛垂方向記錄波形，構(gòu)成雷達時間剖面。

圖2 雷達波形記錄示意圖

(2)防滲墻連續(xù)性檢測可行性分析

由于防滲墻樁體在施工過程中對原有土層的攪拌作用，土層的分層性被破壞，代之以相對均勻的水泥樁體，電阻率相對較高。這不但改變了介質(zhì)的物理成分，也改變了它的電性參數(shù)(電導(dǎo)率和介電常數(shù))和結(jié)構(gòu)特征，為地質(zhì)雷達檢測防滲墻提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。防滲墻的底面為土層與水泥樁體的分界面，由于二者的成分差異，在該分界面上，電磁波會出現(xiàn)反射回波，對應(yīng)的在雷達探測圖像上該處出現(xiàn)反射波，而且電磁波在該處發(fā)生相位反轉(zhuǎn)。如果墻體中有空隙或不連續(xù)的地方，雷達波將會出現(xiàn)明顯的反射或繞射現(xiàn)象，在測量剖面上會有明顯的同相軸出現(xiàn)，這為利用地質(zhì)雷達方法檢測防滲墻的連續(xù)性提供了理論基礎(chǔ)。

3 工程實例

3.1 工區(qū)概況

一致性理論是基于局部信息交換的分布式模式,利用一致性算法,通過更新信息狀態(tài),各微電源的等效虛擬阻抗值會逐漸收斂于相同值。該算法不但能夠提高控制效果,還能提高收斂速度,其流程如圖4所示。

下洪水庫于徐州市銅山縣下洪村，建于1971年。庫區(qū)面積1.9 km2，是一座以防洪、灌溉為主的小型水庫。經(jīng)多年運行，水庫目前存在的主要問題是:迎水坡干砌石護坡部分損壞，坍塌；背水坡局部滲水嚴重，無排水設(shè)施，壩后有水塘；南進水涵洞身滲水嚴重、已封堵，北進水涵洞和西灌溉涵砼結(jié)構(gòu)強度低、滲徑長度不滿足規(guī)范要求。為采取必要的管理設(shè)施，應(yīng)用地質(zhì)雷達方法對防滲墻墻體進行探測，以查明該墻體內(nèi)可能存在的不連續(xù)地段，以便及時補充治理。

3.2 檢測方法

采用瑞典生產(chǎn)的RAMAC/GPR地質(zhì)雷達系統(tǒng)，該儀器由主控單元、電子單元、天線、計算機等組成。該系統(tǒng)配備有多套天線系列，根據(jù)不同的探測目的及深度，配以不同頻率的天線。本次所用天線頻率是50 MHz，測點點距為0.5 m(如圖3)，探測深度范圍為一般為10 m以內(nèi)。

3.3 資料處理及解釋

圖3 測點布置示意圖

為了對雷達圖像進行合理的地質(zhì)解釋，首先需要進行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理主要是對雷達波形作處理，包括增強有效信息、抑制隨機噪聲、壓制非目標體的雜亂回波、提高圖像的信噪比和分辨率等。其目的是壓制隨機的和規(guī)則的干擾，以盡可能高的分辨率在雷達圖像上顯示反射波，便于提取反射波的各種有用參數(shù)，以利于地質(zhì)解釋。常用的雷達數(shù)據(jù)處理手段有數(shù)字濾波、反濾波、偏移繞射處理和增強處理等。數(shù)字濾波利用電磁波的頻譜特征來壓制各種干擾波，如直達波和多次反射波等；反濾波則是將地下介質(zhì)理解為一系列的反射界面，由反射波特征求取各個界面的反射系數(shù)；偏移繞射處理，即反射波的層析成像技術(shù)，是將雷達記錄中的每個反射點偏移到其本來位置，從而真實反映地下介質(zhì)分布的情況；增強處理，有助于增強有效信號，盡可能清晰地反映地下介質(zhì)的分布情況。

本次雷達數(shù)據(jù)采集時，現(xiàn)場干擾較少，野外采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量高，有利于室內(nèi)進行數(shù)據(jù)處理。對本次實測數(shù)據(jù)，我們采用地質(zhì)雷達資料處理的商業(yè)軟件RADPRO進行處理。

3.4 雷達測試對防滲墻連續(xù)性的評價

防滲墻連續(xù)性主要考慮底界面的連續(xù)性與頂、底面之間水泥樁的完整情況。如果測試段內(nèi)防滲墻底面是連續(xù)的，且頂、底界面間水泥樁無明顯間斷，則認為該段防滲墻是連續(xù)的。本次測量的雷達圖像顯示，防滲墻內(nèi)部基本無不均勻現(xiàn)象，防滲墻頂面出露可見，且連續(xù)很好。探測顯示底面亦連續(xù)，且頂、底面間未見水泥樁體明顯的間斷缺失，故推斷此墻體是連續(xù)的。

圖4中60 m～70 m、94 m～116 m處同相軸在局部不連續(xù)，疑為防滲墻內(nèi)部有不均勻現(xiàn)象，建議鉆孔驗證。圖5為防滲墻連續(xù)性較好。

4 結(jié) 論

地質(zhì)雷達應(yīng)用于結(jié)構(gòu)檢測不失為一種好方法。通過對整個墻體的全面檢測，能夠找出相對薄弱的墻段和工程施工的隱患，縮小了后續(xù)檢測的范圍，也為下一部的鉆孔取芯提供了依據(jù)。對不良地質(zhì)狀況的探測效果良好，由于使用過程中不可避免會有干擾因素的存在，使其準確率不可能達到百分之百，對雷達圖像的解釋還需要積累大量的實際經(jīng)驗。

圖4 樁號0～150雷達剖面圖

圖5 樁號160～340雷達剖面圖

對于堤壩防滲墻探測，地質(zhì)雷達有明顯的優(yōu)勢，其施工簡單，施工速度快。由于防滲墻與堤壩底部有明顯的介電數(shù)差異，所以對于連續(xù)性較好的地方，在雷達圖像上基本形成一條完整的連續(xù)界面，而完整性弱或防滲墻確實或部分缺失的地方，在雷達圖上表現(xiàn)為放射界面雜亂、沒有或不明顯。其表現(xiàn)形式比較簡單，對于非專業(yè)人士也可以看懂，也是其一大優(yōu)點。

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Application of Ground Penetration Radar in the Inspection of Reservoir Diaphragm Wall

Ma Yan，Yang YongGuo，Wang Hu，Xie Hu
(School of Resources and Geosciences，China University of Mining＆Technology，Xuzhou 221008，China)

In the dam of reservoir，the wall of prevention of seepage is concealment important marine hydraulic engineering.Structure of reservoir dam is complex and very difficult for detecting.In order to assure reservoir works normally，high resolution geophysics exploration is needed.Application of ground penetrating radar(GPR)on the wall of prevention of seepage is introduced herein by taking the reconnaissance of a Reservoir as an example.Using RADPRO software for processing of GPR data and making reasonable geological explanation about the GPR images to identify the possible discontinuity of the wall，which is beneficial for preventing in time and providing basis for the further coring.

Ground penetrating radar；Dam；the Wall of Prevention of Seepage

1672－8262(2010)03－167－03

P631

B

2011—03—02

馬艷(1987—)，女，碩士研究生，研究方向為地球信息科學(xué)。

國家自然科學(xué)基金(40972207)