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        基于地質(zhì)雷達(dá)的均質(zhì)土壩病害探測(cè)

        2020-10-12 11:59:10
        黑龍江水利科技 2020年9期
        關(guān)鍵詞:時(shí)窗土壩均質(zhì)

        楊 輝

        (和田鼎晟工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司,新疆 和田 848000)

        0 前 言

        我國(guó)水庫(kù)大壩以均質(zhì)土壩為主,且均質(zhì)土壩多建筑于上世紀(jì),受當(dāng)時(shí)條件影響,工程質(zhì)量較差,工程安全無(wú)法保障。近年來(lái),隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力逐步提升,逐步對(duì)一些病險(xiǎn)水庫(kù)進(jìn)行加固,合理的勘探水庫(kù)大壩存在的隱患能針對(duì)性的指導(dǎo)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)。

        目前均質(zhì)土壩探測(cè)方法有許多種,包括電法、地震法和電磁法。電法中高密度電法應(yīng)用最為廣泛,但其存在體積效應(yīng),探測(cè)精度比較低,對(duì)于小規(guī)模隱患具有一定的局限性。地震法最常使用的是表面波地震法,但其存在較明顯的邊界效應(yīng),而且表面波激發(fā)較為困難,費(fèi)時(shí)費(fèi)力。電磁法中地質(zhì)雷達(dá)以其采集速度快、精度高等優(yōu)勢(shì)在水利工程中得到廣泛的應(yīng)用[1-4]。白云等采用Groundvue地質(zhì)雷達(dá)對(duì)南門峽水庫(kù)進(jìn)行滲漏探測(cè),察明了壩基基巖存在的強(qiáng)滲漏帶,為除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。高敏等采用地質(zhì)雷達(dá)等手段對(duì)臥虎山水庫(kù)防滲墻進(jìn)行探測(cè),分析了防滲墻可能存在的隱患。李進(jìn)等采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)均質(zhì)土壩滲漏進(jìn)行探測(cè),分析了大壩滲漏位置、大小和規(guī)模[5-7]。喻江等通過(guò)同位素示蹤劑對(duì)裂縫進(jìn)行標(biāo)記并采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)標(biāo)記的裂縫進(jìn)行探測(cè),成功的獲取到裂縫發(fā)育的真實(shí)發(fā)育情況,為地質(zhì)雷達(dá)在裂縫深度探測(cè)應(yīng)用中開(kāi)辟了一種新的思路。

        采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)均質(zhì)土壩進(jìn)行探測(cè),分析了地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)參數(shù)設(shè)置依據(jù),并對(duì)探測(cè)信息進(jìn)行去漂移、增益和濾波處理,并根據(jù)處理后的地質(zhì)雷達(dá)圖像分析了均質(zhì)土壩存在的問(wèn)題,為除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

        1 地質(zhì)雷達(dá)原理與參數(shù)設(shè)置

        地質(zhì)雷達(dá)原理示意圖如圖1所示,地質(zhì)雷達(dá)天線與主機(jī)進(jìn)行連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互傳,發(fā)射天線發(fā)射電磁波,電磁波碰到交界面(空氣-土層、不同土層間)或者隱患體將會(huì)產(chǎn)生反射波,反射波通過(guò)反射天線接收傳回主機(jī)。通過(guò)對(duì)地質(zhì)雷達(dá)反射波型進(jìn)行分析可以確定出不同土層交界面以及隱患體位置。

        地質(zhì)雷達(dá)分辨率包括垂直分辨率和水平分辨率,垂直分辨率體現(xiàn)分辨異常體最小界面的能力通過(guò)時(shí)間間隔表示[8]。

        (1)

        式中:B為反射信號(hào)的有效帶寬,通常有效帶寬與天線中心頻率fc相等,則有,

        (2)

        式中:v為波速,ur為磁導(dǎo)率,εr為介電常數(shù),c為真空中電磁波傳播速度。故隱患體的垂直分辨率主要與相對(duì)介電常數(shù)和天線中心頻率,垂直分辨率通常取λ/4。

        水平分辨率是指水平向兩個(gè)隱患的辨別能力,地質(zhì)雷達(dá)最優(yōu)分辨率xmin可表示為:

        (3)

        式中:y為縱向間距。

        雷達(dá)波接收的第一個(gè)反射信號(hào)到最后一個(gè)信號(hào)的時(shí)間差稱為時(shí)窗,時(shí)窗的設(shè)定是探測(cè)深度的關(guān)鍵,通常時(shí)窗設(shè)置會(huì)有30%的余量,故系統(tǒng)采樣時(shí)窗T可通過(guò)下式進(jìn)行估算,

        (4)

        本次均質(zhì)土壩病害探測(cè),探測(cè)雷達(dá)選用pulse EKKO PRO專業(yè)型地質(zhì)雷達(dá),天線選用100MHz的非屏蔽天線,采用odometer觸發(fā)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,時(shí)窗設(shè)置為200ns,當(dāng)v=0.1m/ns時(shí)探測(cè)深度10m。

        圖1 地質(zhì)雷達(dá)原理

        2 數(shù)據(jù)處理

        數(shù)據(jù)采集后首先進(jìn)行漂移處理,而后對(duì)其進(jìn)行增益處理,增益處理表達(dá)式為,

        (5)

        為消除采集信號(hào)中的干擾信號(hào),采用理想帶通濾波方式進(jìn)行濾波,該種方式既可以濾除噪聲中的高頻部分亦可濾除其低頻部分,其表達(dá)式可寫(xiě)為,

        (6)

        式中,fl為低截頻率,fh為高截頻率。

        3 工程簡(jiǎn)介

        某水庫(kù)壩址以上集雨面積1.25km2,干流河長(zhǎng)0.59km,坡降0.258。水庫(kù)于1965年開(kāi)工建設(shè),1968年建設(shè)完成,是一座以灌溉為主的小(2)水庫(kù),水庫(kù)正常蓄水位51.82m,相應(yīng)庫(kù)容8.26萬(wàn)m3,總庫(kù)容18.84萬(wàn)m3。水庫(kù)樞紐建筑物主要由大壩、溢洪道、組成。大壩為均質(zhì)土壩,壩頂全長(zhǎng)64.0m,壩頂高程為54.75m,壩頂寬16.00m,最大壩高8.50m,迎水坡坡比2.0∶1,背水坡坡比2.5∶1。水庫(kù)溢洪道位于大壩右側(cè),無(wú)閘門控制,總長(zhǎng)45m,寬為4.0m,拱頂高度2m,進(jìn)口底高程40.06m,出口高程39.48m。水庫(kù)為直徑60cm鋼管,管長(zhǎng)58m,坡降0.001。

        4 探測(cè)結(jié)果與分析

        采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)某水庫(kù)均質(zhì)土壩將探測(cè)獲取的地質(zhì)雷達(dá)反射信號(hào)進(jìn)行去漂移、增益和濾波處理,探測(cè)結(jié)果如圖2所示。3-7m范圍同相軸中斷,回波較強(qiáng)為溢洪道,查閱設(shè)計(jì)資料溢洪道寬為4m與探測(cè)結(jié)果一致,驗(yàn)證了探測(cè)結(jié)果的可靠性;36-46m范圍存在多重強(qiáng)反射,推測(cè)為水庫(kù)輸水涵管,涵管位于41m處,與設(shè)計(jì)資料驗(yàn)證一致,進(jìn)一步說(shuō)明探測(cè)結(jié)果的可靠性;10-20m以及52-60m范圍回波雜亂,說(shuō)明在該部分壩體填土質(zhì)量較差密實(shí)度不夠;均質(zhì)土壩在50-52m范圍同相軸中斷,且呈現(xiàn)為雙曲線波型,說(shuō)明該處可能存在空洞。

        為驗(yàn)證探測(cè)結(jié)果的可靠性,分別在11m和51m位置進(jìn)行探坑和鉆孔。11m處探坑長(zhǎng)寬高分別為2m×2m×2m,在探坑內(nèi)分別取原狀樣和擾動(dòng)樣進(jìn)行密度和擊實(shí)試驗(yàn),確定土體的干密度和最大干密度,進(jìn)而計(jì)算出土體的壓實(shí)度,結(jié)果表明該處壩體的壓實(shí)度僅0.78,遠(yuǎn)小于規(guī)范設(shè)計(jì)值,該處壩體不密實(shí),驗(yàn)證了地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果;并將取回的芯樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。51m鉆孔結(jié)果表明,約在壩頂下2m位置處,壩體存在局部空洞,亦與地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果一致。

        圖2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果

        5 結(jié) 論

        1)3-7m范圍同相軸中斷、回波較強(qiáng),推測(cè)為溢洪道,溢洪道寬4m;36m-46m范圍存在多重強(qiáng)反射,推測(cè)為水庫(kù)輸水涵管,涵管位于41m處,與設(shè)計(jì)資料一致,說(shuō)明探測(cè)結(jié)果的可靠性;

        2)0-20m以及52-60m范圍回波雜亂,說(shuō)明在該部分壩體填土質(zhì)量較差密實(shí)度不夠;均質(zhì)土壩在50-52m范圍同相軸中斷,且呈現(xiàn)為雙曲線波型,說(shuō)明該處可能存在空洞。

        3)探坑和鉆孔結(jié)果與地質(zhì)雷達(dá)探明的隱患基本一致,驗(yàn)證了地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)均質(zhì)土壩的可行性和有效性,相關(guān)成果可為除險(xiǎn)加固提供技術(shù)支撐,亦可供類似工程參考。

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