摘要：水庫(kù)堤壩中的防滲墻屬于隱蔽型的重要水利工程，堤壩的結(jié)構(gòu)層形態(tài)復(fù)雜多變，探測(cè)難度大，防滲墻的檢測(cè)成為業(yè)主、施工以及監(jiān)理三方面所關(guān)注的焦點(diǎn)，對(duì)其實(shí)施行之有效的檢測(cè)至關(guān)重要。為確保水庫(kù)堤壩安全可靠地運(yùn)行，采用高分辨率的物探方法對(duì)其探測(cè)是必須的。本文以淺層勘察為例，介紹地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)以及RADPRO軟件的分析，在水庫(kù)防滲墻檢測(cè)中的應(yīng)用，以查明該滲透墻體內(nèi)部是否存在不連續(xù)的地段，為防止事故的發(fā)生及后續(xù)檢測(cè)工作提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)雷達(dá)；堤壩；防滲墻

引言

長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)的隱蔽工程質(zhì)量檢測(cè)與評(píng)價(jià)仍然沿用傳統(tǒng)開(kāi)挖檢查和鉆孔取樣試驗(yàn)等的常規(guī)技術(shù)。防滲墻應(yīng)用于水庫(kù)大壩的除險(xiǎn)與加固工程中，其質(zhì)量直接關(guān)乎到水利水電項(xiàng)目的建設(shè)，以及人民的生命與財(cái)產(chǎn)安全。鑒于防滲墻是地下的隱蔽建造工程，不可運(yùn)用一般的建筑工程的檢測(cè)與驗(yàn)收方法來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，開(kāi)挖以及鉆孔檢驗(yàn)的這種方法效率極低，需要財(cái)政開(kāi)支很大，并且會(huì)對(duì)工程產(chǎn)生不可恢復(fù)的損壞。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)是一種無(wú)損的檢測(cè)方法，具有高精度、高分辨能力、探測(cè)成果彩色直觀，以及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)快捷等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)堤壩的防滲墻連續(xù)性檢測(cè)來(lái)說(shuō)，雷達(dá)探測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)比較明顯，而且其操作便捷。防滲墻體和堤壩的底部之間存在顯著介電參數(shù)的差別，因此對(duì)于防滲墻連續(xù)性相對(duì)比較好的區(qū)段，在雷達(dá)實(shí)際測(cè)得的圖像會(huì)顯現(xiàn)出一條比較完整而且連續(xù)的界面；然而完整性弱或防滲墻部分缺失或者全部缺失的地方，會(huì)在雷達(dá)實(shí)際檢測(cè)圖像上顯示為放射界面的不明顯、沒(méi)有或者雜亂。其表現(xiàn)形式比較簡(jiǎn)單，對(duì)于非專(zhuān)業(yè)人士也可以看懂，也是其一大優(yōu)點(diǎn)。以淺層勘察為例，介紹地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)應(yīng)用于防滲墻連續(xù)性檢測(cè)，以查明該滲透墻體內(nèi)部是否存在不連續(xù)的地段，為防止事故的發(fā)生提供依據(jù)。

1 地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的工作原理以及方法

1.1 地質(zhì)雷達(dá)的工作原理

地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)是將高頻電磁波運(yùn)用寬帶脈沖的形式（主頻率在幾十兆赫到幾百兆赫之間）通過(guò)地面發(fā)射天線(xiàn)（T）定向發(fā)射至地下，通過(guò)具有電性差異的地下分界層或目標(biāo)體反射送回至地面，由接受天線(xiàn)（R）所接收（如圖1）。高頻電磁波通過(guò)介質(zhì)傳播時(shí)，它的路徑、電磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)、電磁波的波形，都會(huì)隨著通過(guò)介質(zhì)的不用而變化。當(dāng)收、發(fā)天線(xiàn)做出連續(xù)位移時(shí)，接收到的電磁波可以形成一張雷達(dá)接受波圖像。對(duì)圖像進(jìn)行處理以及分析，根據(jù)接收波的波形、強(qiáng)度以及幾何形貌等特征，可以對(duì)地下目標(biāo)物的分布以及埋深特征進(jìn)行判斷。圖1是探地雷達(dá)的探測(cè)原理的圖示，對(duì)于介電常數(shù)不同的兩種介質(zhì)的邊界部位，高頻電磁波的傳導(dǎo)會(huì)發(fā)生與光學(xué)反射以及折射相似的現(xiàn)象，所產(chǎn)生的反射波以及折射波的強(qiáng)弱與受到其相應(yīng)的介質(zhì)電性的影響。高頻電磁波的發(fā)射與接收行程時(shí)間為：

（1）

式（1）中：h 為反射界面的深度，單位為 m；x 為發(fā)射天線(xiàn)T與接收天線(xiàn)R之間的距離，單位為m；v 為雷達(dá)的脈沖速度，單位為 m/ ns。

圖1 探地雷達(dá)反射探測(cè)原理

讀取探地雷達(dá)實(shí)際測(cè)得剖面的反射信號(hào)時(shí)間t，以及雷達(dá)脈沖的速度v，便可通過(guò)式（1）來(lái)求得反射物所處深度h，即目標(biāo)體所處的位置。

雷達(dá)波的傳導(dǎo)速度v 與介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)εr 有關(guān)：

（2）

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

圖2 為波形記錄的示意圖，圖上對(duì)照一個(gè)簡(jiǎn)單的地質(zhì)模型，畫(huà)出了波形的記錄，在波形記錄圖上，各測(cè)點(diǎn)均通過(guò)測(cè)線(xiàn)的鉛垂方向記錄波形，構(gòu)成雷達(dá)時(shí)間剖面。

圖2 雷達(dá)波形記錄示意圖

1.2 防滲墻體連續(xù)性檢測(cè)的可能性分析

因?yàn)榉罎B墻體建造的過(guò)程，會(huì)對(duì)原土層產(chǎn)生攪拌的作用，使土層間的分層性遭到損壞，如果用相對(duì)比較均勻的樁體，會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較高的電阻率。這不僅可以改變介質(zhì)中的物理相，也能改變其相關(guān)電性參數(shù)（電導(dǎo)率以及介電常數(shù)），同時(shí)可以改變其結(jié)構(gòu)特征為地質(zhì)雷達(dá)監(jiān)測(cè)防滲墻提供了相應(yīng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。防滲墻底部為水泥柱體和土層的分界面，二者的成分差異明顯，所以該界面會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)電磁波反射回波，對(duì)應(yīng)在雷達(dá)探測(cè)的圖像中會(huì)出現(xiàn)該處雷達(dá)波，并且電磁波會(huì)在此位置發(fā)生電位反轉(zhuǎn)。假如墻體有不連續(xù)的地方或者縫隙，雷達(dá)波就會(huì)產(chǎn)生顯著的繞射或反射的現(xiàn)象，在測(cè)量的剖面上就會(huì)出現(xiàn)明顯的同相軸，為通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)檢測(cè)防滲墻提供了相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

某水庫(kù)1971 年竣工，以灌溉、防洪為其主要功能，庫(kù)區(qū)面積為1.9km2。經(jīng)過(guò)侵蝕，水庫(kù)現(xiàn)在存在一些問(wèn)題：迎水坡的干砌石護(hù)坡大面積毀壞，甚至坍塌；背水坡有局部滲水的現(xiàn)象，沒(méi)有排水措施，大壩后面有水塘；南進(jìn)的水涵洞的洞身滲水嚴(yán)重、已經(jīng)被封堵，北進(jìn)的水涵洞以及西灌溉涵洞的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度很低、滲徑的長(zhǎng)度沒(méi)有達(dá)到規(guī)范要求。

2.2 檢測(cè)方法

RAMAC/GPR型號(hào)的地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)，該儀器由計(jì)算機(jī)、天線(xiàn)、電子單元，以及主控單元等組成。該系統(tǒng)配備有多套天線(xiàn)系列，根據(jù)不同的探測(cè)目的及深度配以不用頻率的天線(xiàn)。本次檢測(cè)所采用天線(xiàn)的頻率為50MHz，測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)距為0.5m（如圖 3），探測(cè)的深度范圍一般在10m以?xún)?nèi)。

2.3 數(shù)據(jù)處理及分析

對(duì)雷達(dá)所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而可以對(duì)雷達(dá)所測(cè)得的圖像進(jìn)行科學(xué)的地質(zhì)分析。數(shù)據(jù)的處理最的主要就是對(duì)雷達(dá)圖像波形的處理，其中包括有效信息的增強(qiáng)、隨即噪音的抑制、對(duì)雜亂非目標(biāo)體回波的壓制、圖像信噪比以及分辨率的提高等。數(shù)據(jù)處理是為了降低規(guī)則和隨機(jī)干擾，在雷達(dá)所測(cè)得的圖像上以最高的分辨水平來(lái)顯現(xiàn)出反射波，如此利于反射波各個(gè)有效參數(shù)的提取，從而可以有效地對(duì)地質(zhì)進(jìn)行分析。通常處理雷達(dá)數(shù)據(jù)的方法包括增強(qiáng)以及偏移繞射處理、反濾波、數(shù)字濾波等。數(shù)字濾波是通過(guò)電磁波高頻的頻譜特征來(lái)降低各干擾波的影響，比如多次的反射波以及直達(dá)波等；而反濾波是把地下介質(zhì)看作一系列可以進(jìn)行反射的界面，反射系數(shù)可以通過(guò)各界面反射波的特征獲??；對(duì)偏移繞射的處理，即層析成像對(duì)反射波的應(yīng)用，也就是使雷達(dá)所測(cè)得的各反射點(diǎn)發(fā)生偏移，從而使其回到原來(lái)位置，從而使地下介質(zhì)的分布狀況真實(shí)得反映出來(lái)；增強(qiáng)處理，有利于有效信號(hào)的增強(qiáng)，從而使地下的介質(zhì)分布狀況盡量明顯地體現(xiàn)出來(lái)。

此次對(duì)雷達(dá)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)干擾較少，在戶(hù)外進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量較高，有利于對(duì)其進(jìn)行科學(xué)的數(shù)據(jù)分析。對(duì)于此次實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)，我們運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)分析處理的相關(guān)軟件（RAD- PRO）進(jìn)行分析處理。

2.4 雷達(dá)測(cè)試結(jié)果及對(duì)防滲墻的評(píng)估

防滲墻體的連續(xù)性最主要的是要考慮其底端界面連續(xù)性的問(wèn)題以及頂面和底面間的水泥樁是否完整。假如所檢測(cè)的區(qū)段中防滲墻體底端連續(xù)，并且頂面與底面之間的水泥樁完整不間斷，那么就可以把這段防滲墻看作是完整連續(xù)的。此次實(shí)際測(cè)量所得到的雷達(dá)的圖像表示出，防滲墻體的內(nèi)部很均勻，防滲墻的頂面露出的部分可以看出，其連續(xù)性較好。雷達(dá)探測(cè)結(jié)果顯示地面亦連續(xù)，且頂面與底面相互之間沒(méi)有出現(xiàn)水泥樁體的明顯間斷與缺失，因此推斷認(rèn)為這段防滲墻體是完整連續(xù)的。

圖4中 的60-70m、94-116m處同向軸在局部不連續(xù)，可能是防滲墻體內(nèi)部存在不均勻現(xiàn)象，建議鉆孔驗(yàn)證。圖5表示防滲墻連續(xù)性很好。

3 結(jié)論

地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)檢測(cè)不失為一種有效方法。通過(guò)對(duì)整個(gè)墻體的全面檢測(cè)，能夠找出相對(duì)薄弱的墻段和工程施工的隱患，縮小了后續(xù)檢測(cè)的實(shí)際范圍，也為進(jìn)一步的鉆孔、取芯工作提供了相關(guān)科學(xué)依據(jù)。

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