曹恒亮 楊瀟 陸曉春

(1.上海市堤防(泵閘)設(shè)施管理處， 上海 200080；2.上海山南勘測設(shè)計有限公司， 上海 201206)

地質(zhì)雷達在堤壩隱患(裂縫)探測中的應用

曹恒亮1楊瀟1陸曉春2

(1.上海市堤防(泵閘)設(shè)施管理處， 上海 200080；2.上海山南勘測設(shè)計有限公司， 上海 201206)

堤壩建設(shè)從施工階段開始，在各個環(huán)節(jié)都存在產(chǎn)生隱患的可能。另外，加上外界環(huán)境因素的綜合影響，使得堤壩存在的安全隱患大大增加。本文利用地質(zhì)雷達，對大壩進行探測，圈定隱患(裂縫)區(qū)域。通過工程鉆探，證明雷達探測堤壩裂縫行之有效，值得在類似工程中運用。

地質(zhì)雷達； 堤壩隱患； 裂縫

中國各地的堤壩建設(shè)中，土壩建造可以就地取材，構(gòu)造簡單，施工方便，特別是對地形、地質(zhì)條件要求低，因此應用廣泛。由于環(huán)境和人為因素的原因，土壩會產(chǎn)生裂縫，如果日常缺乏必要的檢查與養(yǎng)護，裂縫會越來越大，加上未能及時發(fā)現(xiàn)和處理，導致土壩發(fā)生重大事故的情況很多。因此加強土壩的日常檢查和養(yǎng)護，及時發(fā)現(xiàn)、處理土壩裂縫，是一項非常重要的工作。

地質(zhì)雷達作為工程物探的技術(shù)方法之一，可以通過選擇不同的發(fā)射頻率，來探查不同深度的管線[1-4]、測定土壤含水率[5-7]等。經(jīng)過國內(nèi)外眾多學者的應用研究，它也可以成功用于堤壩隱患的探測[8-10]。堤壩隱患包括洞穴、松軟層、裂縫和滲漏等，常用的探測方法有人工探查、工程鉆探和工程物探，人工探查費時費力，而且僅能觀測表面現(xiàn)象。而工程鉆探具有局部破壞性，對堤壩本身就有損傷。堤壩的空洞、裂縫中存在空氣介質(zhì)，其與壩體混凝土存在密度差異，有了探測異常的前提，地質(zhì)雷達以其無損快速的特點成為堤壩裂縫探測的首選方法。

1 工區(qū)概況

工區(qū)位于長沙市寧鄉(xiāng)縣回龍鋪鎮(zhèn)，回龍鋪鎮(zhèn)位于寧鄉(xiāng)縣中北部，東經(jīng)112°24′～112°31′、北緯28°11′～28°16′之間，丘陵地形。境內(nèi)地勢西高東低，南緩北陡?；镜匦斡星鹆?、崗地、平原。鎮(zhèn)域內(nèi)水資源豐富，溈水河自西向東流經(jīng)鎮(zhèn)域南部，有小(2)型水庫2座。氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L性濕潤氣候。熱量充足，無霜期長，雨量充沛。作業(yè)區(qū)大壩壩頂為混凝土澆筑，下部為土體。由于長年受到環(huán)境因素及人為因素的作用，京楓渠道(回龍鋪段)的地下溶洞和透水大裂隙較為發(fā)育，壩頂混凝土已產(chǎn)生裂縫，因此在渠兩側(cè)堤壩上布置兩條測線并進行剖面測量。測線1位于渠道左側(cè)，長200m；測線2位于渠道右側(cè)，長106m。布置測線總長306m。

根據(jù)國內(nèi)學者的應用研究[11]，得到堤壩各目的層的物性參數(shù)(見下表)。

常見介質(zhì)物理參數(shù)表

2 工作原理與測試方法

2.1 工作原理

GPR又稱為表層穿透雷達(SPR：Surface Penetrating Radar)和表層下雷達(SSR：Subsurface Radar)，是指利用電磁波在媒質(zhì)電磁特性不連續(xù)處產(chǎn)生的反射和散射實現(xiàn)非金屬覆蓋區(qū)域中目標的成像、定位進而定性或者定量地辨識探測區(qū)域中電磁特性變化，實現(xiàn)對探測區(qū)域中目標的探測。簡單地說，GPR的任務就是描述目標的幾何和物理性質(zhì)。GPR具有優(yōu)于其他遙感技術(shù)的特點，包括：快速、高空間分辨率、對目標的三維電磁特征敏感。典型的沖激脈沖體制GPR系統(tǒng)構(gòu)成和探測原理如圖1所示。

圖1 沖激脈沖體制GPR系統(tǒng)構(gòu)成

在計算機控制下，時序控制電路(包括：比較器、可變電平、快斜坡信號、慢斜坡信號和控制電路等電路模塊)輸出同步脈沖和取樣脈沖。同步脈沖觸發(fā)脈沖源發(fā)射納秒級寬頻帶窄脈沖信號，經(jīng)由位于地面上的寬帶發(fā)射天線耦合到地下。當發(fā)射的脈沖波在地下傳播過程中遇到電磁特性不同的介質(zhì)界面、目標或局域介質(zhì)不均勻體時，一部分脈沖波能量被反射回地面，由地面上的寬帶接收天線所接收。取樣電路在取樣脈沖的控制下，按等效采樣原理將接收到高速重復的脈沖信號變換成低頻信號。該信號送往數(shù)據(jù)采集卡，經(jīng)過放大、濾波，再進行A/D變換，通過CompactPCI總線傳輸給計算機模組。計算機模組的應用軟件對數(shù)據(jù)進行信號處理和成像，并在顯示器上顯示出來。

與其他電磁方法類似，地質(zhì)雷達對于探測深度與探測精度及頻率有一個對應關(guān)系，即：頻率越高，探測深度越淺，探測精度越高；頻率越低，探測深度越深，探測精度越低。并且其探測效果與目標體大小、埋深、土壤結(jié)構(gòu)、土壤含水率等有關(guān)，因此須根據(jù)實際情況采取合適的測量參數(shù)。

2.2 測線布置

探測利用Pulse EKKO PRO雷達作業(yè)。根據(jù)壩體深度并結(jié)合以往探測經(jīng)驗，選擇50MHz的發(fā)射頻率，用測繩布設(shè)各物探測線，測線點距0.2m。測線1收發(fā)距2m，測線2收發(fā)距1.5m(見圖2)。

圖2 壩體探測

2.3 數(shù)據(jù)處理內(nèi)容

雷達數(shù)據(jù)處理的目的是壓制各種隨機干擾和規(guī)則干擾，以最大可能提高探測目標在雷達圖像上的反映程度，即提高數(shù)據(jù)圖像的分辨率，幫助識別各種反射信息。該次雷達數(shù)據(jù)處理內(nèi)容如下：

a.數(shù)字濾波，濾掉雷達記錄上的干擾波，保持反射波，提高信噪比，使雷達記錄的波形接近反射波的波形。

b.頻域濾波，對雷達記錄進行頻譜分析(傅里葉變換)，確定有效波的頻率范圍與干擾波的頻率范圍。設(shè)計一個濾波器，使其頻率響應在有效波頻率范圍內(nèi)為1，在干擾波頻率范圍內(nèi)為0。將雷達記錄的頻譜與濾波器的頻譜相乘，作為濾波器輸出響應的頻譜。將輸出響應的頻譜進行反傅里葉變換，即可獲得該輸入數(shù)據(jù)道濾波器的輸出結(jié)果。

c.時域褶積濾波，首先對雷達記錄進行頻譜分析，確定通頻帶中心頻率f0及帶寬2Δf。確定濾波因子長度N(奇數(shù))。為了既保證濾波效果又節(jié)省工作量，濾波因子長度一般由試驗確定。根據(jù)所確定的濾波形式、濾波因子長度、頻帶寬度及中心頻率，寫出褶積濾波的離散計算公式，注意到濾波的零相位特性，n的取值應為n=0，±1，±2，±3，±4，…，±(N-1)/2。根據(jù)褶積濾波公式進行褶積運算。

d.反濾波，包括最小平方反濾波和預測反濾波。最小平方反濾波的目的是把雷達記錄中的具有一定延續(xù)長度的雷達子波壓縮成尖脈沖，從而使雷達記錄接近反射系數(shù)序列。預測反濾波是設(shè)計一個預測因子c(t)，對輸入雷達記錄的過去值x(t-m)、x(t-m+1)、…、x(t-1)和現(xiàn)在值x(t)預測其未來值x′(t+a)。

e.增益調(diào)整技術(shù)，改善圖像質(zhì)量，有利于圖像識別。

f.校正處理，雷達野外探測場地存在的地形起伏變化和在進行連續(xù)掃描雷達探測時存在的雷達天線拖動速度差異影響(未安置測量輪的情況)，都將使探測目標圖像發(fā)生畸變，校正處理的目的是要消除這種畸變影響，使目標圖像還原為其真實特征。

g.偏移處理，探地雷達測量的是來自地下介質(zhì)交界面的反射波。偏離測點地下介質(zhì)交界面的反射點只要其法平面通過測點，都可以被記錄下來，在資料處理中要把雷達記錄中的每個反射點移到其本來位置。

3 結(jié)果分析

測線1剖面：該測線位于渠道左側(cè)，地表為水泥路面，偶有過往車輛，在28m測點位置上方有高壓線，高壓線對雷達探測造成影響，剖面圖上的相位產(chǎn)生畸變(見圖3)。該測線壩體0.3m深度的淺層成圖效果較好，同相軸清晰可見，較好地反映了混凝土地面的情況。壩體深度2～3m，可見多處層位不連續(xù)(位于測線5～6m、29～40m、56～80m、178～183m，用紅色方框圈出)，該區(qū)域透水裂隙可能性較大。壩體深度7～8m以下未見大的強反射波，地層成分較單一，為基巖的可能性較大。

圖3 測線1雷達剖面

圖4 測線2雷達剖面

測線2剖面：該測線位于渠道右側(cè)，地表不平整。該測線壩體0.3m深度的淺層成圖效果較好，同相軸清晰可見，較好地反映了混凝土地面的情況(見圖4)。結(jié)合探測實際工況，測線0m處有一臺挖機，10～25m上方存在高壓線，因此測線6～30m范圍區(qū)域(紅色方框圈出)受到高壓線干擾，淺層影像無法識別。測線102～103m，壩體1.5m深度處較好反映了堤壩上可見的一處埋深約1m的空洞。據(jù)此推測圖中其他影像不連續(xù)處為裂隙的可能性較大，在圖中用紅色方框圈出。

根據(jù)工程鉆探驗證，紅色方框圈出區(qū)域均發(fā)現(xiàn)裂縫，該壩體裂縫的成因主要有以下4個方面。

a.壩基承載力不均勻，壩體材料不一致，施工質(zhì)量差。堤壩建成后，細小的橫向裂縫可能發(fā)展成為壩體的集中滲流通道，而細小的縱向裂縫可能是壩體滑坡的先兆。

b.堤壩岸坡與水渠交接部位填土高度變化大，施工時碾壓不密實而出現(xiàn)過大的沉降差。壩基有壓縮性過大的軟土，施工時未加處理，泡水濕陷或加荷下沉。

c.壩體存在橫向裂縫。橫向裂縫具有極大的危險性，水庫水位上漲后，滲水通過裂縫，很容易將裂縫沖刷擴大而導致險情。因此，在安全檢查中，必須特別重視橫向裂縫檢查。除了在壩面進行普遍檢查外，還應對較易出現(xiàn)橫向裂縫的部位做重點檢查。

d.堤壩的迎水坡為干砌石護坡，因施工輔砌不牢、厚度和重量不夠，加上年久失修和水體沖刷、侵蝕，導致護坡變形、滑落，局部甚至小面積被沖毀。

4 結(jié) 語

a.地質(zhì)雷達在壩體探測中效果較好，分辨率高，施工效率高。

b.在該次探測過程中，地質(zhì)雷達對明顯裂縫有較好的發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過鉆孔驗證后，能夠有效圈定壩體裂隙。

c.對堤壩的安全性進行評估，為堤壩進一步定性研究提供依據(jù)并采取有效的搶險做法，避免危險事故的發(fā)生。

d.結(jié)合環(huán)境、地質(zhì)、水文條件，找到產(chǎn)生堤壩裂縫的原因，總結(jié)經(jīng)驗，為以后堤壩的施工找到更好的質(zhì)量控制措施。

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Application of geological radar in dam hidden danger (crack) detection

CAO Hengliang1, YANG Xiao1, LU Xiaochun2

(1.ShanghaiDike(PumpandSluice)FacilitiesManagementOffice,Shanghai200080,China;2.ShanghaiShannanSurveyandDesignCo.,Ltd.,Shanghai201206,China)

Dam construction has the possibility of hidden dangers since the construction stage in all links. Safety hidden danger of the dam is greatly increased with comprehensive influence of external environment factors. In the paper, geological radar is utilized for detecting dam and delineating hidden danger (crack) area. It is proved that radar detection of dam crack is effective through engineering drilling, which is worthy of application in similar projects.

geological radar; dam hidden dangers; cracks

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.03.019

TV871

A

1005-4774(2017)03- 0074- 04