尾礦壩浸潤線的雷達(dá)探測技術(shù)

王永強(qiáng)，譚欽文，張以虎，李 超

(1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,四川 綿陽 621010；2.西安中核藍(lán)天鈾業(yè)有限公司，陜西 西安 710500；3.西南油氣田分公司川西北氣礦,四川 江油 621741)

尾礦庫是礦山企業(yè)選礦后堆放廢棄礦渣的地方，為維持選礦廠正常生產(chǎn)、保護(hù)環(huán)境和資源儲備需設(shè)置尾礦庫[1]。尾礦庫天然具有高位勢能且擁有較大的容量的水砂體，所以一旦潰壩極易形成泥石流，造成巨大危害。因此尾礦庫是礦山企業(yè)重要生產(chǎn)設(shè)施之一，也是在安全生產(chǎn)過程中需要重點管理和維護(hù)的對象。

尾礦庫內(nèi)的水沿尾礦顆粒間的孔隙向壩體下游方向不斷滲透形成滲流。穩(wěn)定滲流的自由水面線稱為浸潤線。尾礦壩內(nèi)浸潤線位置越高，壩體穩(wěn)定性越差，易產(chǎn)生流土、管涌等破壞，所以浸潤線的高低是表征尾礦庫安全狀態(tài)的一個重要指標(biāo)。

壩體浸潤線的監(jiān)測最常用的方法是選擇能反映主要滲流情況的壩體橫斷面，或預(yù)計有可能出現(xiàn)異常滲流的橫斷面作為觀測斷面，埋設(shè)適當(dāng)數(shù)量的測壓管，通過人工測量測壓管中水位來獲得浸潤線的高低[2]。這種方法的優(yōu)勢在于測量結(jié)果直觀可靠，缺點在于鉆孔施工成本偏高且布設(shè)的觀測點數(shù)量有限，很多中小型礦山企業(yè)難以操作，不易實現(xiàn)。另外，如果維護(hù)不當(dāng)則會出現(xiàn)測壓管因銹蝕或淤堵而不能正常工作的情況。因此尋找一種快速、可靠、無損的浸潤線探測方法成為礦山企業(yè)亟待解決的問題。

探地雷達(dá)作為一種無損探測設(shè)備在水利壩體探測中已經(jīng)得到較多應(yīng)用，成為一種壩體缺陷檢測的方法手段。尾礦庫壩體內(nèi)部浸潤線以下部分的含水量高，對探地雷達(dá)的電磁波信號具有極強(qiáng)的吸收作用，也就是說探地雷達(dá)信號在浸潤線邊界處會有明顯的波形異常特征，這使得探地雷達(dá)應(yīng)用于尾礦庫浸潤線探測成為可能。本文將對探地雷達(dá)探測尾礦壩體浸潤線的方法進(jìn)行理論分析和應(yīng)用解析，建立一種浸潤線的無損探測方法。

1 探地雷達(dá)探測浸潤線的理論分析

1.1 探地雷達(dá)的探測原理

探地雷達(dá)的工作原理是用無載波高速脈沖作為探測地下目標(biāo)的信號源，其脈沖參數(shù)因目標(biāo)探測要求而定。用寬帶天線將高速脈沖轉(zhuǎn)換成脈沖電磁波進(jìn)行輻射，一部分經(jīng)發(fā)射天線直接到達(dá)接收天線形成直達(dá)波，可用作地下目標(biāo)深度的參考；一部分進(jìn)入地下傳播，當(dāng)遇到地下目標(biāo)或不同媒質(zhì)界面時產(chǎn)生反射，反射的電磁波經(jīng)地表到接收天線形成反射波，反射波相對地表反射的直達(dá)波出現(xiàn)的時間是電磁波從地表到目標(biāo)再從目標(biāo)到地表傳播所需的時間。當(dāng)電磁波在地下傳播的速度已知時，即可求出地下目標(biāo)或地下界面的深度，并且反射波帶有地下目標(biāo)和地下媒質(zhì)的性質(zhì)信息，對反射波進(jìn)行分析，可以確定地下目標(biāo)的性質(zhì)。當(dāng)發(fā)射天線和接收天線在地表的相對位置固定，而共同移動時可以得到一組反射波，將這一組反射波表現(xiàn)出來，就可得到地下目標(biāo)相對地表的位置信息，從而發(fā)現(xiàn)地下目標(biāo)。由于電磁波在不同電性，不同形態(tài)的介質(zhì)中傳播時，其路徑、強(qiáng)度、波形均隨之變化，因而可根據(jù)測得的波的傳播時間、幅度、相位、波形來判斷介質(zhì)的結(jié)構(gòu)與深度[3]。

1.2 雷達(dá)探測浸潤線的可行性分析

尾礦主要是由選礦后排棄的尾礦砂和水組成的，介質(zhì)相對均勻、單一。當(dāng)尾礦砂飽和度達(dá)到100%以后，多出的水分會析出，因此所謂浸潤線即飽和尾砂與非飽和尾砂的分界線[2]。浸潤線是尾礦庫壩體的一個重要安全指標(biāo)，在這條分界線上下雖然都是同一物質(zhì)——尾礦砂，但是含水率卻是顯著不同的，浸潤線以下是水飽和的尾礦砂，含水率達(dá)到100%；浸潤線以上是非飽和的含水率相對低的尾礦砂，距離浸潤線越遠(yuǎn)的砂含水率就越低。因此，從浸潤線上下砂體不同含水率的特性上來看，浸潤線具有被探測出的物理特征。

探地雷達(dá)的雷達(dá)波在不同介質(zhì)中的傳播速度是不同的，濕砂的介電值是25～30，雷達(dá)波的在其中的傳播速率是55～60mm/ns；干燥的砂介電值是3～6，雷達(dá)波的在其中的傳播速率是120～170mm/ns[4]。水介質(zhì)的相對介電常數(shù)為81，一般土壤在2.6～40的范圍內(nèi)，可見水介質(zhì)與其他介質(zhì)的相對介電常數(shù)差異是很大的[5]。因為浸潤線上下的砂體含水率顯著不同，所以電磁波在不同介電值的砂體中具有不同的傳播速率，浸潤線以下的砂土水分呈飽和狀態(tài)，其介電常數(shù)和電導(dǎo)率與上部砂土應(yīng)存在較大的差異，這是應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù)檢測浸潤線的基本依據(jù)[6]。所以電磁波到達(dá)浸潤線介面時由于物性的差異會產(chǎn)生顯著的反射現(xiàn)象，這也說明了探地雷達(dá)的對于尾礦庫的浸潤線探測具有物探技術(shù)的基本應(yīng)用條件。

利用探地雷達(dá)的正演模擬方法也可以論證浸潤線雷達(dá)探測的可行性。探地雷達(dá)數(shù)值模擬又稱為正演模擬，是利用給定的地質(zhì)模型，根據(jù)電磁波傳播方程，采用適當(dāng)?shù)臄?shù)值方法計算出電磁波場[7]。正演模擬是研究高頻電磁波在地下介質(zhì)中傳播規(guī)律的有效途徑，本次研究中正演模擬分析可以解決兩個問題：一是模擬電磁波對尾礦庫浸潤線物理結(jié)構(gòu)特性的響應(yīng)如何，能否根據(jù)電磁波的信號波形推斷出浸潤線的分布情況，從一定程度上解決雷達(dá)探測浸潤線的可行性問題；二是通過分析各種地電模型的正演結(jié)果，可以加深探地雷達(dá)對不同物性反射剖面的反饋信號特征，應(yīng)用正演模擬可以與反演分析相互比較印證，提高反演分析中雷達(dá)波形圖譜的解釋精度。

正演分析采用 GPRSIM 商業(yè)軟件，版本為3.0。首先根據(jù)尾礦庫壩體和浸潤線的一般構(gòu)造進(jìn)行計算機(jī)建模，選取尾礦壩體的橫截面作為建模平面，將不同物性的砂體放置在截面之中，模型如圖1所示。圖1中，左上角為雷達(dá)開始掃描的起點，從左向右一直掃描至另一端；浸潤線在截面中已有表示，模型中增加了一個含水量由飽和到干燥的過渡區(qū)域。

①為干砂區(qū)域；②為飽和砂和干砂的過渡區(qū)域；③為含水飽和砂區(qū)域。

圖2是經(jīng)過正演模擬之后的雷達(dá)掃描圖，在圖中可以看到在浸潤線出現(xiàn)的位置雷達(dá)的電磁波信號有了明顯的透射和反射作用，呈現(xiàn)出易于觀察的信號異常圖像，并且信號反射線所連成的界面與浸潤線的界面形狀也基本一致。

R為一次反射波；RR為側(cè)反射波：TRT為透射反射波。

因此，通過探地雷達(dá)的正演模擬的結(jié)果分析可以得知，雷達(dá)電磁波信號在遇到浸潤線界面的時候會產(chǎn)生明顯的透射和反射作用，從雷達(dá)波形線圖像上可以看出浸潤線的深度和基本形狀。與理論分析的結(jié)果一致，正演分析又印證了雷達(dá)探測尾礦庫浸潤線是可行的。

2 某尾礦庫浸潤線的雷達(dá)探測

2.1 尾礦庫基本情況

擬探測的尾礦庫初期壩已經(jīng)形成，目前處于堆壩階段。尾礦砂的主要成分含有鈦鐵礦、硫化礦、橄欖石、鈦輝石、鈦閃角石、斜長石等。初期壩采用濾水堆石壩，壩頂高程為1705m，壩底高程為1658.5m，壩高為46.5m，壩頂寬6m，距壩頂高程每15m處設(shè)一馬道，馬道寬2m。尾礦庫采用上游法堆壩，利用尾礦堆筑子壩，堆壩方法采用推土機(jī)堆子壩，人工配合修整邊坡和護(hù)坡。該尾礦庫設(shè)計總壩高241m，總庫容3085.6萬m3，根據(jù)《選礦廠尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范》(ZBJ1)的規(guī)定，按尾礦庫的總庫容小于10000萬 m3，大于1000萬 m3，尾礦庫等級為三等；按總壩高241大于100m，尾礦庫等級為二等，綜合考慮尾礦庫為二等庫。

2.2 雷達(dá)探測與解析

2.2.1 雷達(dá)選型與測線布置

本次尾礦庫浸潤線探測采用美國GSSI公司生產(chǎn)的SIR20型探地雷達(dá)儀。天線頻率選用低頻組合天線，頻率在15～80MHz之間，可自行組合使用。根據(jù)礦山的實際情況，選用了40MHz天線，探測深度可達(dá)0～50m左右[8]。

由于40MHz天線的總長度有2.4m，所以測線選擇的位置必須空曠足以滿足天線的移動，目前該尾礦庫初期壩頂有6m寬，堆積子壩還未形成，所以本次探測把浸潤線測線布置在初期壩頂位置。測線的方向沿著初期壩的縱向，由一側(cè)壩肩測向另一側(cè)壩肩，基本呈直線。

2.2.2 雷達(dá)探測圖像反演分析

尾礦庫浸潤線的雷達(dá)探測波形圖像如圖3，圖中水平方向為測線的長度，垂直方向為探測的深度。圖中可以看到測線長105m，也就是尾礦庫初期壩的長度；垂直方向深度為35m，也是就探測中40MHz天線在一定介電常數(shù)下的設(shè)定探測深度。雷達(dá)波形圖像由兩部分圖像拼接在一起，原因是尾礦庫初期壩頂?shù)臏y線由于雷達(dá)天線信號線長度原因分成兩段進(jìn)行探測。

圖3 尾礦庫浸潤線雷達(dá)的探測圖像

圖3中的雷達(dá)波形圖像具有幾個特征，對其分析如下：

1) 在測線開始的地方，距壩頂下約12m的處出現(xiàn)了界面反射信號，隨著測線的延伸，界面信號連續(xù)發(fā)展并且深度逐漸增加，在水平測線65m處達(dá)到約18m的深度，然后又逐漸上升，在測線結(jié)束的地方該界面處于約12m的深度。連通來看，圖像中有一條較連續(xù)的條帶狀的界面反射圖像。相關(guān)水壩浸潤線探測文獻(xiàn)顯示，在浸潤面，雷達(dá)圖像中常表現(xiàn)為條帶狀連續(xù)強(qiáng)反射[9]。

2) 在距壩頂深25m以下的部分，雷達(dá)的反射信號較弱，測線水平距離88m下方13m處可能因為滲水出現(xiàn)異常信號，其他部分皆無明顯的信號異常且信號強(qiáng)度減弱。浸潤線以下其雷達(dá)反射波信號振幅較弱、頻率較高，同相軸較連續(xù)和穩(wěn)定[10]。圖3中連續(xù)界面以下的信號振幅快速減小，推測該連續(xù)界面即為浸潤線。由于浸潤線以下含水量較高，因此對雷達(dá)波的信號吸收加強(qiáng)，所以在圖像中連續(xù)界面以下出現(xiàn)信號明顯減弱的現(xiàn)象。

通過對雷達(dá)探測圖像的特征進(jìn)行反演分析，圖3中的連續(xù)界面反射信號就是尾礦庫初期壩下的浸潤線的探測信號，將這層界面用紅色虛線標(biāo)注在圖3中，即看到了初期壩下的浸潤線的分布狀態(tài)。

2.3 驗證分析

為了驗證雷達(dá)探測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，在雷達(dá)測線上選擇了2個位置進(jìn)行了鉆孔作業(yè)，然后安裝了測壓管，通過測壓管內(nèi)的水壓力測量得到了2個探點下的浸潤線水位，將其與雷達(dá)探測結(jié)果比較，情況如表1所示，表中探測位置中的0表示雷達(dá)測線的起點，+45m表示該點距離起點有45m，實測結(jié)果和雷達(dá)結(jié)果表示的都是距離測線表面的向下深度。

表1 測壓管實測與雷達(dá)探測浸潤線深度比較表

從表1中看出，測壓管的實測結(jié)果與雷達(dá)探測的結(jié)果基本吻合，但存在一定的差異，實測結(jié)果浸潤線的深度要比雷達(dá)探測的深度略深一些，但誤差基本在5%以內(nèi)?？傮w而言，雷達(dá)測出的壩體浸潤線深度分布是比較接近壩體實際情況的，可以用于指導(dǎo)尾礦庫的安全管理與維護(hù)預(yù)警工作。

探測和實測結(jié)果的差異是客觀存在的，這種差異主要來源于觀測誤差、繪圖不準(zhǔn)確或雷達(dá)圖像后處理的誤差等。只要在雷達(dá)探測和后處理過程中注意各種因素的影響來消除偏差，那么雷達(dá)對浸潤線的探測結(jié)果是完全可用的。

3 結(jié)論

1) 尾礦庫浸潤線以下的部分含水量飽和，浸潤線以上部分含水量逐漸減小，在物性上存在分界面。雷達(dá)電磁波在浸潤線界面上被反射，其透射波被飽和水大量吸收，在雷達(dá)探測圖像上可以看到明顯的連續(xù)界面特征信號。所以探地雷達(dá)檢測技術(shù)可以用于尾礦庫浸潤線的探測。

2) 通過對某尾礦庫浸潤線的鉆孔探測，發(fā)現(xiàn)探地雷達(dá)探測的浸潤線深度與實際探測得到的浸潤線深度數(shù)據(jù)基本吻合。排除一定客觀條件誤差的影響，說明探地雷達(dá)探測技術(shù)探測尾礦庫浸潤線深度及分布具有一定的可靠性和適用性，探測的圖像和分析結(jié)果可為尾礦庫安全管理和維護(hù)預(yù)警提供可信的分析數(shù)據(jù)。

3) 探地雷達(dá)探測技術(shù)是一種無損檢測技術(shù)，具有圖像直觀、工作周期短等特點。相對于傳統(tǒng)的鉆孔探測方法，雷達(dá)探測無需在壩體上安裝設(shè)備，省去了對設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)，而且對尾礦庫壩體無擾動。因此雷達(dá)探測技術(shù)可以作為尾礦庫浸潤線的一種補(bǔ)充或替代的探測方法。

[1] 田文旗，謝旭陽．我國尾礦庫現(xiàn)狀及安全對策的建議[J]．中國礦山工程，2009(6)：42-49．

[2] 馬海濤，吳永鋒，王云海,等．尾礦壩浸潤線的壩面快速觀測方法研究[J]．中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2010，6(1)：31-34．

[3] 王永強(qiáng)，曹竹，譚欽文,等.露天礦滑坡體的探地雷達(dá)檢測技術(shù)[J]．煤炭學(xué)報，2011，6(7)：31-34．

[4] 地球物理測量系統(tǒng)公司.SIRveyor SIR-20用戶手冊[M]，美國新罕布什爾州北塞勒姆.

[5] 周松.應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù)探測壩體浸潤線[J].水利水電技術(shù)，2001,32(10):38-39.

[6] 徐興新，吳晉,等.探地雷達(dá)在浸潤線檢測中的應(yīng)用[J].水利水電技術(shù)，1998,29(6):42-44.

[7] 沈飚.探地雷達(dá)波波動方程研究及其正演模擬[J].物探化探計算技術(shù),1994,16(1):29-33.

[8] GSSI公司.天線概況介紹[EB/OL].http:∥geophysical.com/antennas.htm,2001/2008.

[9] 易兵，薛建，朱士.地球物理方法在貯灰壩浸潤面及滲漏隱患檢測中的應(yīng)用[J].河南科學(xué)，2010(8):945-948.

[10] 邢慶祝，趙志宏.透地雷達(dá)法在水庫堤防工程中的應(yīng)用[J].廣東土木與建筑，2007(9):59-60.