探地雷達(dá)在大浪淀水庫(kù)工程中的應(yīng)用

朱永濤，沈立森，張志華，張勝欣

（河北省水利科學(xué)研究院，石家莊050051）

工程地質(zhì)

探地雷達(dá)在大浪淀水庫(kù)工程中的應(yīng)用

朱永濤，沈立森，張志華，張勝欣

（河北省水利科學(xué)研究院，石家莊050051）

通過(guò)敘述探地雷達(dá)的工作原理，設(shè)置相應(yīng)技術(shù)參數(shù)，結(jié)合大浪淀水庫(kù)工程，對(duì)該工程混凝土板與壩體的脫空和不密實(shí)等情況進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)，分析了產(chǎn)生該病害的主要原因，驗(yàn)證了探地雷達(dá)高精度、高效率等特點(diǎn)。

探地雷達(dá)；大浪淀水庫(kù)；脫空；不密實(shí)；無(wú)損檢測(cè)

2 工程概況

大浪淀水庫(kù)位于滄州市以南22km，為大Ⅱ型平原水庫(kù)，建成于1996年，設(shè)計(jì)庫(kù)容1.003億m3，蓄水面積16.89km2，設(shè)計(jì)水位12.471m，死水位6.471m，圍堤全長(zhǎng)16.61km，堤頂高程14.0m，堤頂寬8m，平均堤高7.2m，外坡1∶3～1∶4，內(nèi)坡1∶3～1∶5，堤身為均質(zhì)土壩結(jié)構(gòu)［3-4］。圍堤內(nèi)坡設(shè)厚12cm混凝土護(hù)坡，分塊尺寸3m×4m，分縫采用1cm瀝青木板?；炷猎O(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為200#，預(yù)制塊抗凍等級(jí)為D150，抗?jié)B等級(jí)為S6。北堤混凝土護(hù)砌下鋪5cm砂墊層+100g/m2+0.3mm+100g/m2復(fù)合土工膜；其余堤段混凝土護(hù)砌下鋪100g/m2+0.3mm+100g/m2復(fù)合土工膜+土工布 （東堤鋪設(shè)300g/m2、南堤和西堤鋪設(shè)200g/m2）。

大浪淀水庫(kù)運(yùn)行15年來(lái)，發(fā)現(xiàn)圍堤南堤及西堤內(nèi)坡混凝土護(hù)坡塌坡頻繁，連帶損壞下部的復(fù)合土工膜結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致部分堤段壩基滲水，嚴(yán)重威脅水庫(kù)圍堤的結(jié)構(gòu)安全，大浪淀水庫(kù)示意圖如圖1。

圖1 大浪淀水庫(kù)示意圖

3 雷達(dá)探測(cè)

采用美國(guó)SIR-20型探地雷達(dá)和400MHz天線，對(duì)混凝土板護(hù)砌與壩體是否存在脫空和不密實(shí)等缺陷進(jìn)行無(wú)損探測(cè)，雷達(dá)探測(cè)示意圖如圖2。

圖2 雷達(dá)探測(cè)示意圖

3.1 測(cè)線布置

沿混凝土板護(hù)砌表面環(huán)向布置1條連續(xù)測(cè)線，測(cè)線布置在標(biāo)高12.1～12.4m （沿坡面距堤頂5.0～6.0m）之間的水位變化區(qū)。

3.2 工作參數(shù)

探地雷達(dá)參數(shù)設(shè)置如表1。

表1 探地雷達(dá)參數(shù)設(shè)置

3.3 資料處理

采用WINRAD數(shù)字編輯處理軟件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行以下處理：

（1）原始記錄切除首尾廢段；

（2）按12m標(biāo)記水平均衡；

（3）調(diào)整測(cè)量方向保持一致；

（4）零點(diǎn)校正；

（5）水平、垂直濾波；

（6）識(shí)別界面及有效信號(hào)；

（7）輸入介電常數(shù)；

（8）拾取混凝土背后壩體土層厚度界面；

（9）分析壩體脫空及密實(shí)情況。

3.4 解釋依據(jù)

3.4.1 反射波組的同相性

當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)存在電性差異時(shí)，對(duì)應(yīng)波形便會(huì)發(fā)生反射。同一波組的相位特征沿測(cè)線基本不變或以較小速度緩慢傳播。因此，通常有一組光滑平行的同相圖與反射體相對(duì)應(yīng)。

3.4.2 反射波組的相似性

相鄰記錄道上的同一反射波組形態(tài)保持不變。

3.4.3 反射波組形態(tài)特征

同地層反射波組的波形、波幅、頻率和包絡(luò)線形態(tài)等均有一定特征，但不同地層反射波組形態(tài)存在一定差異。

3.4.4 地下介質(zhì)電性和幾何形態(tài)

確定具有一定形態(tài)特征的反射波組是識(shí)別反射層的基礎(chǔ)，而反射波組的同相性與相似性是追蹤反射層的依據(jù)。

3.5 信號(hào)判識(shí)

（1）由于混凝土板復(fù)合土工膜結(jié)構(gòu)之間的介電常數(shù)差異較大，故兩者之間反射波強(qiáng)度不同，但反射波信號(hào)均一，同相軸連續(xù)，說(shuō)明混凝土板與復(fù)合土工膜相對(duì)密實(shí)，壩體反射波信號(hào)不均勻，同相軸不連續(xù)，說(shuō)明壩體不密實(shí)。

（2）當(dāng)混凝土板、復(fù)合土工膜和壩體之間密貼、無(wú)脫空時(shí)，探地雷達(dá)不會(huì)產(chǎn)生特別強(qiáng)的反射信號(hào)，在探地雷達(dá)圖像中表現(xiàn)為振幅較弱的界面反射信號(hào)（無(wú)多次波），甚至沒有界面反射信號(hào)。

（3）當(dāng)混凝土板背后壩體出現(xiàn)空洞時(shí)，由于空氣與混凝土板和復(fù)合土工膜之間的介電常數(shù)差異較大，所以探地雷達(dá)會(huì)產(chǎn)生明顯的強(qiáng)反射信號(hào)。

3.6 探測(cè)典型結(jié)果分析

經(jīng)探地雷達(dá)探測(cè)，發(fā)現(xiàn)圍堤迎水面堤坡在水位變化區(qū)（高程11.1～12.3m范圍內(nèi)）存在不密實(shí)區(qū)，一般分布在護(hù)坡混凝土板背后0.3～2.5m范圍內(nèi)，局部土體疏松，個(gè)別部位存在空腔。其中以南堤～西堤Ⅰ段（10+359.2～16+570.438）最為嚴(yán)重。

（1）典型堤段4+910～4+920段，雷達(dá)探測(cè)土體不密實(shí)界面圖像，混凝土板0.5m以下反射波振幅強(qiáng)烈，不均勻，同相軸不連續(xù)，且呈層狀分布，說(shuō)明土體疏松不密實(shí)。

（2）典型堤段 16+278～16+293.5 段，雷達(dá)探測(cè)脫空界面圖像如圖3，16+293.5混凝土板下1m處反射波信號(hào)不連續(xù)，相互交織成孔洞狀，說(shuō)明該處存在空腔。

出現(xiàn)病害的原因：水庫(kù)建成蓄水之后，圍堤護(hù)坡受到了近10年不遇的嚴(yán)寒天氣，隨著季節(jié)交替，水庫(kù)壩體不斷受水的凍融循環(huán)影響，其中以陰面南堤破壞最為嚴(yán)重，西堤次之，而水庫(kù)東西方向較南北方向稍長(zhǎng)，風(fēng)浪吹程較大［5］。因此，在長(zhǎng)年?yáng)|風(fēng)的作用下，西堤所受風(fēng)浪壓力最大，使得壩體混凝土板與土壩分離，產(chǎn)生脫空，甚至混凝土板從中折斷，產(chǎn)生裂縫，折斷混凝土棱角將復(fù)合土工膜刺破，隨著水位變化，水進(jìn)入混凝土板下土壩體，受風(fēng)浪的不斷沖刷，壩體土顆粒被淘出，若不及時(shí)對(duì)壩體進(jìn)行處理，必然造成塌坡。

圖3 16+278～16+293.5雷達(dá)探測(cè)空腔界面圖

4 結(jié)語(yǔ)

圍堤迎水面堤坡壩體在水位變化區(qū)存在不密實(shí)區(qū)，一般分布在護(hù)坡混凝土板以下0.3～2.5m范圍內(nèi)，局部土體疏松，存在空腔。其中以南堤～西堤Ⅰ段最為嚴(yán)重，其原因是圍堤護(hù)坡受水的凍融和風(fēng)浪壓力影響，混凝土板與壩體分離，水進(jìn)入壩體后不斷將土顆粒淘出，因此，需對(duì)壩體及時(shí)處理。

［1］馬翔.探地雷達(dá)在水庫(kù)壩基古河槽勘察中的應(yīng)用［J］.工程勘察，2001（1）：63-66.

［2］魏光輝，季小兵，胡平.探地雷達(dá)技術(shù)在希尼爾水庫(kù)工程中的應(yīng)用［J］.水電站設(shè)計(jì)，2010，26（1）：63-66.

［3］劉樹良.現(xiàn)澆混凝土護(hù)坡易出現(xiàn)的問題及防治措施［J］.水利建設(shè)與管理，2004（3）：18-19.

［4］李光華.大浪淀水庫(kù)混凝土護(hù)坡存在的問題及防治措施［J］.河北水利，2004（4）：39-40.

［5］張金曉.大浪淀水庫(kù)大壩混凝土護(hù)坡修復(fù)充填灌漿可行性試驗(yàn)研究［J］.大壩與安全，2005（3）：35-37.

Application of Ground Penetrating Radar in Dalangdian Reservoir

ZHU Yong-tao，SHEN Li-sen，ZHANG Zhi-hua，ZHANG Sheng-xin
（Hebei Provincial Academy of Water Resources，Shijiazhuang 050051，China）

Through the description of the principle of Ground Penetrating Radar， setting the corresponding technical parameters， combined with the Dalangdian Reservoir Engineering， the nondestructive testing of the cave and loose region between the concrete slab and the dam body are actualized，the main causes of the disease are analyzed，the characteristic of high efficiency and high precision are verified.

ground penetrating radar；dalangdian reservoir；cave；loose；nondestructive testing

P62

B

1672-9900（2014）04-0032-03

1 基本原理

探地雷達(dá) （Ground Penetrating Radar，簡(jiǎn)稱GPR）又稱透地雷達(dá)，是一種廣譜電磁技術(shù)，利用介于106～109Hz不同頻率的無(wú)線電波，確定地下介質(zhì)分布情況的一種無(wú)損檢測(cè)方法。其工作原理是：由雷達(dá)主機(jī)控制的地面天線連續(xù)向地下發(fā)射寬頻帶短脈沖的電磁波，因地下各介質(zhì)的介電常數(shù)不同，當(dāng)電磁波傳播到不同介電常數(shù)的分界面時(shí)，便會(huì)發(fā)生反射，電磁波經(jīng)地層目標(biāo)體反射后返回至地面，被地面的接收天線所接收，電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)的路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度及波形與傳播介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，因此，可根據(jù)接收反射波的時(shí)頻特征和振幅特征，探測(cè)出地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造與埋設(shè)物體分布，即探地雷達(dá)根據(jù)各物質(zhì)獨(dú)特的電性勾繪出不同的電性界面，反映出地下不同物體輪廓圖像，指示目標(biāo)位置［1］。通過(guò)處理接收反射波獲取地下目標(biāo)體圖像，得出地下介質(zhì)的特征信息，從而達(dá)到工程地質(zhì)勘察的目的［2］。

2014-03-10

朱永濤（1974-），男（漢族），河北雄縣人，高級(jí)工程師，主要從事水利工程科研和檢測(cè)工作，（Tel）18931131556。