尤　然 ，鄒明陽

(1.黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080；2.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210023)

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地質(zhì)雷達(dá)在雞西公園內(nèi)溢流壩工程檢測(cè)中的應(yīng)用研究

尤然1，鄒明陽2

(1.黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080；2.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210023)

摘要：在景觀水利工程中，溢流壩是目前最普遍也是最常見的一種水工設(shè)施。溢流壩在服役的過程中，不可避免的將產(chǎn)生一系列不同的病害，影響到溢流壩整體的安全，因此定期對(duì)溢流壩的病害進(jìn)行檢測(cè)并加固是非常重要而必要的。文章簡(jiǎn)述了一種極為有效的病害檢測(cè)手段—地質(zhì)雷達(dá)原理檢測(cè)，利用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)雞西松林公園內(nèi)的溢流壩進(jìn)行了實(shí)際檢測(cè)，標(biāo)注異常并給出了病害的常見特征圖譜。

關(guān)鍵詞：溢流壩；地質(zhì)雷達(dá)；電磁探測(cè)；觀測(cè)系統(tǒng)

1工程概況

雞西松林公園位于雞冠區(qū)的西部，東起騰飛橋，西至西園路，南靠文化路，北臨騰飛路，東西長(zhǎng)約3.4 km，總用地98 hm2。松林公園突出“亮綠” 理念，增加開敞綠地，緩解城市的擁擠空間，打開公園與道路空間，將公園的綠色展示給行人，是以自然生態(tài)為主的休閑娛樂場(chǎng)所。受牡丹江地質(zhì)工程勘察院委托，黑龍江省水利設(shè)計(jì)院工程物探檢測(cè)所對(duì)雞西市松林公園溢流壩工程進(jìn)行了地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)工作。本次工作主要任務(wù)是對(duì)壩體及壩體周圍進(jìn)行探測(cè)，判斷地下是否存在可能引起壩體漏水的構(gòu)造、斷裂等。

雞西松林公園規(guī)劃圖見圖1。

圖1　雞西松林公園規(guī)劃圖

2地質(zhì)雷達(dá)原理

地質(zhì)雷達(dá)方法是地球物理方法中的一種高效、高分辨率的探測(cè)方法，其原理類似地震反射技術(shù)和探空雷達(dá)，是上世紀(jì)地球物理探測(cè)科學(xué)的結(jié)晶，具體方法是利用1MHz至1GHz的高頻電磁波，以脈沖的形式通過發(fā)射天線被定向送入地下。電磁波在地下介質(zhì)中傳播時(shí)，當(dāng)遇到電性有所差異的地層或目標(biāo)，電磁波即發(fā)生折射和反射，反射回到地面的電磁波被接收天線接收，由地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)采集并顯示。采集到的電磁波經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，根據(jù)電磁波波形、振幅強(qiáng)度和時(shí)間的變化這些特征，從而推斷地下介質(zhì)的空間位置、結(jié)構(gòu)、形態(tài)及埋藏深度，最終達(dá)到對(duì)地下地層或目標(biāo)體探測(cè)的目的[1]。

剖面法是目前比較常用的地質(zhì)雷達(dá)測(cè)量方法，其主要測(cè)量方式是由發(fā)射天線和接收天線以一定的間距沿測(cè)線同步移動(dòng)。此方法包含兩種形式，一種是當(dāng)兩個(gè)天線的間距為零，此時(shí)稱為單天線形式，也就是發(fā)射天線和接收天線合二為一的時(shí)候；另一種是兩個(gè)天線的間距不為零的時(shí)候，稱為雙天線形式。用地質(zhì)雷達(dá)時(shí)間剖面圖像可以表示剖面法的測(cè)量結(jié)果見圖2。圖2中圖像的橫坐標(biāo)表示在地表兩個(gè)天線的位置，縱坐標(biāo)是反射波雙程走時(shí)，雷達(dá)脈沖經(jīng)地下界面從發(fā)射天線發(fā)出到反射回接收天線一共需要的時(shí)間，這種形式能夠準(zhǔn)確地反映出測(cè)線下方地下各反射界面的形態(tài)。

圖2　地質(zhì)雷達(dá)測(cè)量剖面法示意圖

由于電磁波會(huì)被介質(zhì)所吸收，信噪比過小，所以來自深層界面的反射波不易被識(shí)別，因此要想增強(qiáng)對(duì)深部地下介質(zhì)的分辨能力，可以在同一測(cè)線上進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，通過用不同天線距的兩個(gè)天線T和R，再疊加測(cè)量記錄中相同位置的記錄。

由于雷達(dá)天線的特性、目標(biāo)體的深度、地層的衰減、反射特征、雷達(dá)的發(fā)射功率和工作頻率都會(huì)影響雷達(dá)接收到信號(hào)的大小，所以在地下介質(zhì)和儀器性能一定的情況下，探測(cè)深度通常由地層的衰減系數(shù)和工作頻率的選擇來決定。一般情況下天線頻率越低，分辨率越低，探測(cè)深度越深；反之天線頻率越高，分辨率則越高，探測(cè)深度也越淺。因此，地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)存在著分辨率與探測(cè)深度相互取舍的優(yōu)選問題。探測(cè)深度與介質(zhì)的含水量和電導(dǎo)率也有較大的關(guān)系。目前地質(zhì)雷達(dá)所能探測(cè)的深度在50 m以內(nèi)，深度增加，分辨率也會(huì)有較大的下降。

3測(cè)試儀器及觀測(cè)系統(tǒng)布置

3.1測(cè)試儀器

本次探測(cè)采用的地質(zhì)雷達(dá)為美國(guó)Geophysical Sruvey System Inc.生產(chǎn)的 SIR_10B型探地雷達(dá)。Geophysical Sruvey System Inc.產(chǎn)品遍布全球，是目前世界上最好的生產(chǎn)地質(zhì)雷達(dá)的廠家，目前超過2000套，占全球銷量80%，在中國(guó)就有300套，占中國(guó)市場(chǎng)的七成以上。美國(guó)GSSI公司創(chuàng)始于1969年，前身為美國(guó)宇航局，是世界上第一家專業(yè)研制探地雷達(dá)的公司。它利用電磁波為地質(zhì)勘察服務(wù)，其方法起到了革命性的推動(dòng)作用。

根據(jù)雷達(dá)說明書及勘測(cè)地點(diǎn)實(shí)際情況，擬采用100MHz空氣耦合型高頻天線對(duì)溢流壩體進(jìn)行檢測(cè)，采樣點(diǎn)數(shù)選取512，采樣長(zhǎng)度定為300ns。

3.2觀測(cè)系統(tǒng)布置

本次物探工作布置在業(yè)主方指定的大壩壩體、壩端及大壩兩側(cè)范圍內(nèi)。為了能夠更加精確地探測(cè)出地下可能存在的構(gòu)造等，采用地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行勘探。測(cè)線布置平行于壩體方向壩頂2條、壩底2條、壩坡2條，垂直于壩體方向布置4條，共計(jì)測(cè)線10條。

地質(zhì)雷達(dá)法使用100 MHz自發(fā)自收天線，采用點(diǎn)測(cè)測(cè)量方式，測(cè)點(diǎn)間距 0.2m，測(cè)量窗口500ns。

表1　地質(zhì)雷達(dá)工作量統(tǒng)計(jì)表

4典型探測(cè)圖譜分析

由于本次探測(cè)工作量較大，且測(cè)線布置的緊密，故在本部分分析中只列舉部分典型地質(zhì)雷達(dá)剖面圖進(jìn)行解釋分析。

4.1無病害異常

測(cè)線X3位于壩體北側(cè)斜坡中部，平行于壩軸線，方向由西向東，地質(zhì)雷達(dá)剖面圖如圖3所示。

圖3　X3測(cè)線(0～32m)地質(zhì)雷達(dá)剖面圖

由圖4可以看出：整體測(cè)線層位清晰分明，同相軸連續(xù)性較好，未見明顯異常。推測(cè)地下地質(zhì)體整體相對(duì)較均勻，無較大致害隱患[2]。

4.2地質(zhì)體不均勻異常

測(cè)線X1位于壩頂北側(cè)，平行于壩軸線，方向由西向東，地質(zhì)雷達(dá)剖面圖見圖4、圖5。

圖4　X1測(cè)線(0～32m)地質(zhì)雷達(dá)剖面圖

圖5　X1測(cè)線(32～63m)地質(zhì)雷達(dá)剖面圖

由圖4、圖5可以看出：在兩張剖面圖所示的紅色圓圈部分，出現(xiàn)了一個(gè)明顯的異常區(qū)域，同相軸連續(xù)性極差，錯(cuò)斷不均勻，對(duì)雷達(dá)電磁波出現(xiàn)較多較強(qiáng)的反射，推測(cè)為測(cè)線下方地質(zhì)體不均勻，有較大異常造成[3]。測(cè)線其他位置地質(zhì)雷達(dá)波形層位清晰，無明顯異常，推測(cè)為地下地質(zhì)體均勻。

4.3探測(cè)結(jié)果匯總

表2是本次地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)工作的異常點(diǎn)的位置及其深度的匯總。

表2　地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)異常點(diǎn)匯總

5結(jié)論及建議

1)本次共完成地質(zhì)雷達(dá)、超高密度測(cè)線各10條，發(fā)現(xiàn)異常4處，未見大規(guī)模斷裂、構(gòu)造。文中所列異常推測(cè)是由于地下地質(zhì)體不均勻引起，是由于先前壩體施工工藝導(dǎo)致。綜合判斷壩體不存在漏水孔洞。建議對(duì)該壩體進(jìn)行利用時(shí)，對(duì)異常部位進(jìn)行加固處理。

2)對(duì)比該壩體部位相關(guān)地質(zhì)資料，壩體主要為素填土，部分為雜填土，其下主要為砂巖(局部含有泥巖夾層)地層。素填土與砂巖、泥巖電阻率較為接近，對(duì)異常的判斷存在一定影響，資料解釋可能存在一定誤差。另外，壩體及周圍地表含有垃圾、水泥、鋼筋及電纜等，對(duì)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)均有不小的干擾，影響工作的精密度，對(duì)探測(cè)結(jié)果存在一定影響[4]。

參考文獻(xiàn)：

[1]石明，等.綜合物探方法在堤防質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2006(04)：1328-1331.

[2]鄒明陽，等.基于MED的探地雷達(dá)信號(hào)處理研究[J].高校地質(zhì)學(xué)報(bào)，2014(03)：482-487.

[3]肖宏躍，等.地質(zhì)雷達(dá)特征圖像與典型地質(zhì)現(xiàn)象的對(duì)應(yīng)關(guān)系[J].煤田地質(zhì)與勘探，2008(04)：57-61.

[4]冷元寶，等.堤壩隱患探測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2003(03)：370-379.

中圖分類號(hào)：TV698.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

[作者簡(jiǎn)介]尤然(1988-)，男，黑龍江哈爾濱人，助理工程師；鄒明陽(1988-)，男，黑龍江哈爾濱人，助理工程師。

[收稿日期]2015-10-24

文章編號(hào)：1007-7596(2016)01-0113-03