李 欣，許德鑫，徐 爽

（1. 華能吉林公司規(guī)劃部，吉林長春 130000；2.中水東北勘測設(shè)計研究有限責任公司，吉林長春 130021）

0 引言

隧洞圍巖穩(wěn)定性問題一直是巖土工程一個重要研究內(nèi)容，而圍巖穩(wěn)定性的評價結(jié)果直接關(guān)系到地下工程的成敗[1]，地下隧洞圍巖穩(wěn)定性分析通常以洞周某點位移或塑性區(qū)大小的經(jīng)驗值作為判斷穩(wěn)定性的依據(jù)，而隧洞洞周位移或收斂位移受圍巖的外觀形狀及物理特性等因素影響。對于20世紀90 年代建設(shè)的水利工程來說，受當時條件影響隧洞安全監(jiān)測設(shè)備尚不完善，甚至依靠地質(zhì)工作人員經(jīng)驗判斷圍巖穩(wěn)定性，這樣無法對隧洞工程安全穩(wěn)定提出可靠性數(shù)據(jù)[2]。

地質(zhì)雷達檢測方法是根據(jù)電磁脈沖傳播到目標物反射回來的時間來確定目標物的深度和位置，傳播速度取決于物質(zhì)的電磁特性；高密度地震映像法是利用傳感器接收來自垂直方向的地震反射波，通過多道數(shù)據(jù)繪制成的二維切面圖的幅值變化特征對脫空等異常區(qū)水平定位，進一步計算和分析異常區(qū)的時頻特征，從而綜合判定異常區(qū)的規(guī)模。通過地質(zhì)雷達法和高密度地震映像法聯(lián)合解譯，可分析出淺層圍巖構(gòu)造形式、內(nèi)部節(jié)理裂隙走向，進而判斷圍巖的穩(wěn)定性。

1 探地雷達法的工作原理

地質(zhì)雷達方法是利用高頻電磁波（1 MHz～1 GHz），以脈沖的形式通過發(fā)射天線被定向地送入介質(zhì)（混凝土）中。電磁波在介質(zhì)中傳播時，遇到存在電性差異的地層或目標體時，電磁波發(fā)生反射、折射和繞射，反射的電磁波信號被接收天線所接收后通過雷達采集系統(tǒng)顯示。在對采集到的雷達波進行數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上，根據(jù)雷達波的波形、振幅強度和時間的變化特征，推斷襯砌介質(zhì)或目標體的空間位置、形態(tài)特征和埋藏深度，從而達到對地下地層或目標體探測的目的，地質(zhì)雷達的工作示意圖如圖1 所示。

圖1 地質(zhì)雷達電磁波傳播示意圖

電磁波從發(fā)射天線發(fā)射到被接收天線所接收，行程時間：

式中：t——電磁波旅行時程，ns；z——反射界面深度，m；x——發(fā)射天線到接收天線間的距離，m；v——電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，m/ns；C ——真空中電磁波波速，即光速，C=0.3 m/ns；εr——介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

當速度已知時，通過對雷達剖面上反射信號旅行時間的讀取計算反射界面的埋藏深度值。

2 高密度地震映像法的工作原理

高密度地震映像法是利用磁致伸縮震源激發(fā)彈性波，利用傳感器在同點接收來自垂直方向的反射波，以不同的色譜表示接收信號的強弱，震源與探頭按照固定的炮檢距沿測線移動，通過接收到的多道數(shù)據(jù)繪制成剖面圖。當混凝土內(nèi)部存在脫空、不密實現(xiàn)象時，沖擊產(chǎn)生的彈性波在異常區(qū)產(chǎn)生頻散，高頻成分被吸收，表現(xiàn)為低頻特征回波信號，這種信號隨時間變化衰減較慢，通過識別這些低頻特征的信號可以快速識別異常區(qū)位置。

高密度地震映像法是利用彈性波在介質(zhì)中的傳播特性來識別異常，該方法不受圍巖表面及內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響，具有靈敏度高、探測精度高、水平定位準確等優(yōu)點。

3 工程實例

3.1 工程概況

聚寶水電站坐落在吉林省臨江市東北岔鄉(xiāng)境內(nèi)的五道溝河上，是臨江市五道溝河水能梯級開發(fā)的龍頭電站，是一個以發(fā)電為主，兼有防洪、養(yǎng)殖、旅游等綜合效益的水利工程。

聚寶水電站控制流域面積317 km2，水庫總庫容為0.57×108m3，屬于中型水庫，水庫正常蓄水位825.00 m，設(shè)計洪水位825.00 m，校核洪水位826.32 m。工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級別為3級，工程永久性建筑物的設(shè)計洪水標準為50 年一遇，校核洪水標準為1 000年一遇。電站總裝機容量為20 000 kW，設(shè)計年發(fā)電量為7.252×107kW·h。引水隧洞主洞全長15 390.75 m，主洞斷面形式為城門洞型，部分隧洞為無支護形式的毛洞。

3.2 儀器設(shè)備

檢測采用探地雷達法和高密度地震映像法兩種方法。雷達主機選用勞雷公司的SIR3000，天線選用100 MHz，時間窗口設(shè)置為200 ns，介電常數(shù)通過標定后數(shù)值為9.0，則電磁波在介質(zhì)中的傳播速度為1 m/ns，900 MHz 天線的有效探測深度為10 m。高密度地震映像法采用Miniseis 地震綜合工程探測儀，以及MT5 磁致伸縮震源。采樣率為25 ～10 ms，頻帶為0.1～5 000 Hz，巖石波速取3 500 m/s。

3.3 工作布置

根據(jù)隧洞結(jié)構(gòu)特征及經(jīng)驗判斷，隧洞頂拱及左右30°范圍內(nèi)圍巖容易出現(xiàn)塌方情況，所以在隧洞的拱頂及兩側(cè)各30°的拱角布置3 條雷達和高密度地震映像檢測測線，測點間距20 cm。測線布置情況如圖2 所示。

圖2 測線布置示意圖

3.4 數(shù)據(jù)的處理

1）探地雷達數(shù)據(jù)處理流程：數(shù)據(jù)整理備份→距離歸一化處理→背景消除處理→預(yù)測反褶積處理→帶通濾波處理→偏移處理→彩色剖面色階調(diào)整→區(qū)域增益和整體增益的選擇→樁號的輸入→成果圖的描述和導出。

通過對數(shù)據(jù)處理流程模塊的組合，比選出最佳的數(shù)據(jù)處理流程，以此流程對全部數(shù)據(jù)進行處理。

2）高密度地震影像數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)整理備份→里程規(guī)格化處理→帶通濾波處理→振幅譜分析→速度分析。

3.5 數(shù)據(jù)的分析

此次選擇具有代表性的一段檢測數(shù)據(jù)作分析，通過地質(zhì)雷達法采用100 MHz 天線點測的方式采集頂拱數(shù)據(jù)，測點間距20 cm，測線長10.6 m，檢測結(jié)果如圖3 所示。采用高密度地震映像法對同一測線采集數(shù)據(jù)，測點間距選擇20 cm，檢測結(jié)果如圖4 所示。

從圖3 可以看出，在第8 道至38 道1.0～5.0 m深度雷達反射波振幅較強，反射系數(shù)大，多次波發(fā)育，且反射波同相軸與測線方向平行，判斷此區(qū)域內(nèi)深度1.0～5.0 m 范圍內(nèi)圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育且與洞軸線方向近于平行；從圖4 可以看出，第8 道至38 道地震剖面頻率較低，振幅較強，信號延續(xù)度大。

圖3 地質(zhì)雷達檢測結(jié)果圖

圖4 高密度地震映像檢測結(jié)果圖

3.6 結(jié)論

在綜合分析聚寶水電站設(shè)計、勘測、施工等資料的基礎(chǔ)上，采用地質(zhì)雷達法和高密度地震映像法相結(jié)合的綜合物探方法對無支護引水隧洞圍巖穩(wěn)定性進行研究，形成成果；雷達反射波振幅較強，反射系數(shù)大，多次波發(fā)育，且反射波同相軸與測線方向平行，判斷這段區(qū)域圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育且與洞軸線方向近于平行；且從地震映像法檢測結(jié)果也可以看出，地震剖面頻率較低，振幅較強，信號延續(xù)度大。從地質(zhì)雷達和高密度地震映像法檢測結(jié)果可以判斷，測線第8 道至38 道圍巖內(nèi)部穩(wěn)定性較差，存在塌方風險。

4 結(jié)語

綜上所述，單一地借助一種檢測手段，對工程檢測有一定的局限性。而綜合地質(zhì)雷達法和高密度地震映像法的各自優(yōu)缺點，可大大提高檢測結(jié)果的準確性和公正性。通過此次試驗可以驗證，針對無支護形式隧洞圍巖穩(wěn)定性可通過綜合物探的方法對圍巖內(nèi)部情況作出正確判斷，對后期隧洞工程是否補充支護或支護方式的選擇提供可靠依據(jù)，同樣工程可以相應(yīng)地節(jié)約經(jīng)濟成本。