防滲墻檢測中地質(zhì)雷達(dá)的運用分析

摘要：水庫堤壩中的防滲墻屬于隱蔽型的重要水利工程，堤壩的結(jié)構(gòu)層形態(tài)復(fù)雜多變，探測難度大，防滲墻的檢測成為業(yè)主、施工以及監(jiān)理三方面所關(guān)注的焦點，對其實施行之有效的檢測至關(guān)重要。為確保水庫堤壩安全可靠地運行，采用高分辨率的物探方法對其探測是必須的。本文以淺層勘察為例，介紹地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)以及RADPRO軟件的分析，在水庫防滲墻檢測中的應(yīng)用，以查明該滲透墻體內(nèi)部是否存在不連續(xù)的地段，為防止事故的發(fā)生及后續(xù)檢測工作提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)雷達(dá)；堤壩；防滲墻

引言

長期以來我國的隱蔽工程質(zhì)量檢測與評價仍然沿用傳統(tǒng)開挖檢查和鉆孔取樣試驗等的常規(guī)技術(shù)。防滲墻應(yīng)用于水庫大壩的除險與加固工程中，其質(zhì)量直接關(guān)乎到水利水電項目的建設(shè)，以及人民的生命與財產(chǎn)安全。鑒于防滲墻是地下的隱蔽建造工程，不可運用一般的建筑工程的檢測與驗收方法來進(jìn)行檢測，開挖以及鉆孔檢驗的這種方法效率極低，需要財政開支很大，并且會對工程產(chǎn)生不可恢復(fù)的損壞。地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)是一種無損的檢測方法，具有高精度、高分辨能力、探測成果彩色直觀，以及現(xiàn)場檢測快捷等優(yōu)點。對堤壩的防滲墻連續(xù)性檢測來說，雷達(dá)探測方法的優(yōu)勢比較明顯，而且其操作便捷。防滲墻體和堤壩的底部之間存在顯著介電參數(shù)的差別，因此對于防滲墻連續(xù)性相對比較好的區(qū)段，在雷達(dá)實際測得的圖像會顯現(xiàn)出一條比較完整而且連續(xù)的界面；然而完整性弱或防滲墻部分缺失或者全部缺失的地方，會在雷達(dá)實際檢測圖像上顯示為放射界面的不明顯、沒有或者雜亂。其表現(xiàn)形式比較簡單，對于非專業(yè)人士也可以看懂，也是其一大優(yōu)點。以淺層勘察為例，介紹地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)應(yīng)用于防滲墻連續(xù)性檢測，以查明該滲透墻體內(nèi)部是否存在不連續(xù)的地段，為防止事故的發(fā)生提供依據(jù)。

1 地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的工作原理以及方法

1.1 地質(zhì)雷達(dá)的工作原理

地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)是將高頻電磁波運用寬帶脈沖的形式（主頻率在幾十兆赫到幾百兆赫之間）通過地面發(fā)射天線（T）定向發(fā)射至地下，通過具有電性差異的地下分界層或目標(biāo)體反射送回至地面，由接受天線（R）所接收（如圖1）。高頻電磁波通過介質(zhì)傳播時，它的路徑、電磁場的場強(qiáng)、電磁波的波形，都會隨著通過介質(zhì)的不用而變化。當(dāng)收、發(fā)天線做出連續(xù)位移時，接收到的電磁波可以形成一張雷達(dá)接受波圖像。對圖像進(jìn)行處理以及分析，根據(jù)接收波的波形、強(qiáng)度以及幾何形貌等特征，可以對地下目標(biāo)物的分布以及埋深特征進(jìn)行判斷。圖1是探地雷達(dá)的探測原理的圖示，對于介電常數(shù)不同的兩種介質(zhì)的邊界部位，高頻電磁波的傳導(dǎo)會發(fā)生與光學(xué)反射以及折射相似的現(xiàn)象，所產(chǎn)生的反射波以及折射波的強(qiáng)弱與受到其相應(yīng)的介質(zhì)電性的影響。高頻電磁波的發(fā)射與接收行程時間為：

（1）

式（1）中：h 為反射界面的深度，單位為 m；x 為發(fā)射天線T與接收天線R之間的距離，單位為m；v 為雷達(dá)的脈沖速度，單位為 m/ ns。

圖1 探地雷達(dá)反射探測原理

讀取探地雷達(dá)實際測得剖面的反射信號時間t，以及雷達(dá)脈沖的速度v，便可通過式（1）來求得反射物所處深度h，即目標(biāo)體所處的位置。

雷達(dá)波的傳導(dǎo)速度v 與介質(zhì)的相對介電常數(shù)εr 有關(guān)：

（2）

式中：c 為電磁波在空氣中的傳播速度，為0.3m/ns，εr為介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

圖2 為波形記錄的示意圖，圖上對照一個簡單的地質(zhì)模型，畫出了波形的記錄，在波形記錄圖上，各測點均通過測線的鉛垂方向記錄波形，構(gòu)成雷達(dá)時間剖面。

圖2 雷達(dá)波形記錄示意圖

1.2 防滲墻體連續(xù)性檢測的可能性分析

因為防滲墻體建造的過程，會對原土層產(chǎn)生攪拌的作用，使土層間的分層性遭到損壞，如果用相對比較均勻的樁體，會產(chǎn)生相對較高的電阻率。這不僅可以改變介質(zhì)中的物理相，也能改變其相關(guān)電性參數(shù)（電導(dǎo)率以及介電常數(shù)），同時可以改變其結(jié)構(gòu)特征為地質(zhì)雷達(dá)監(jiān)測防滲墻提供了相應(yīng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。防滲墻底部為水泥柱體和土層的分界面，二者的成分差異明顯，所以該界面會出現(xiàn)相應(yīng)電磁波反射回波，對應(yīng)在雷達(dá)探測的圖像中會出現(xiàn)該處雷達(dá)波，并且電磁波會在此位置發(fā)生電位反轉(zhuǎn)。假如墻體有不連續(xù)的地方或者縫隙，雷達(dá)波就會產(chǎn)生顯著的繞射或反射的現(xiàn)象，在測量的剖面上就會出現(xiàn)明顯的同相軸，為通過地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)檢測防滲墻提供了相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。

2 工程實例

2.1 工程概況

某水庫1971 年竣工，以灌溉、防洪為其主要功能，庫區(qū)面積為1.9km2。經(jīng)過侵蝕，水庫現(xiàn)在存在一些問題：迎水坡的干砌石護(hù)坡大面積毀壞，甚至坍塌；背水坡有局部滲水的現(xiàn)象，沒有排水措施，大壩后面有水塘；南進(jìn)的水涵洞的洞身滲水嚴(yán)重、已經(jīng)被封堵，北進(jìn)的水涵洞以及西灌溉涵洞的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度很低、滲徑的長度沒有達(dá)到規(guī)范要求。

2.2 檢測方法

RAMAC/GPR型號的地質(zhì)雷達(dá)檢測系統(tǒng)，該儀器由計算機(jī)、天線、電子單元，以及主控單元等組成。該系統(tǒng)配備有多套天線系列，根據(jù)不同的探測目的及深度配以不用頻率的天線。本次檢測所采用天線的頻率為50MHz，測點的點距為0.5m（如圖 3），探測的深度范圍一般在10m以內(nèi)。

2.3 數(shù)據(jù)處理及分析

對雷達(dá)所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而可以對雷達(dá)所測得的圖像進(jìn)行科學(xué)的地質(zhì)分析。數(shù)據(jù)的處理最的主要就是對雷達(dá)圖像波形的處理，其中包括有效信息的增強(qiáng)、隨即噪音的抑制、對雜亂非目標(biāo)體回波的壓制、圖像信噪比以及分辨率的提高等。數(shù)據(jù)處理是為了降低規(guī)則和隨機(jī)干擾，在雷達(dá)所測得的圖像上以最高的分辨水平來顯現(xiàn)出反射波，如此利于反射波各個有效參數(shù)的提取，從而可以有效地對地質(zhì)進(jìn)行分析。通常處理雷達(dá)數(shù)據(jù)的方法包括增強(qiáng)以及偏移繞射處理、反濾波、數(shù)字濾波等。數(shù)字濾波是通過電磁波高頻的頻譜特征來降低各干擾波的影響，比如多次的反射波以及直達(dá)波等；而反濾波是把地下介質(zhì)看作一系列可以進(jìn)行反射的界面，反射系數(shù)可以通過各界面反射波的特征獲??；對偏移繞射的處理，即層析成像對反射波的應(yīng)用，也就是使雷達(dá)所測得的各反射點發(fā)生偏移，從而使其回到原來位置，從而使地下介質(zhì)的分布狀況真實得反映出來；增強(qiáng)處理，有利于有效信號的增強(qiáng)，從而使地下的介質(zhì)分布狀況盡量明顯地體現(xiàn)出來。

此次對雷達(dá)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時，現(xiàn)場干擾較少，在戶外進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量較高，有利于對其進(jìn)行科學(xué)的數(shù)據(jù)分析。對于此次實際測得的數(shù)據(jù)，我們運用地質(zhì)雷達(dá)分析處理的相關(guān)軟件（RAD- PRO）進(jìn)行分析處理。

2.4 雷達(dá)測試結(jié)果及對防滲墻的評估

防滲墻體的連續(xù)性最主要的是要考慮其底端界面連續(xù)性的問題以及頂面和底面間的水泥樁是否完整。假如所檢測的區(qū)段中防滲墻體底端連續(xù)，并且頂面與底面之間的水泥樁完整不間斷，那么就可以把這段防滲墻看作是完整連續(xù)的。此次實際測量所得到的雷達(dá)的圖像表示出，防滲墻體的內(nèi)部很均勻，防滲墻的頂面露出的部分可以看出，其連續(xù)性較好。雷達(dá)探測結(jié)果顯示地面亦連續(xù)，且頂面與底面相互之間沒有出現(xiàn)水泥樁體的明顯間斷與缺失，因此推斷認(rèn)為這段防滲墻體是完整連續(xù)的。

圖4中 的60-70m、94-116m處同向軸在局部不連續(xù)，可能是防滲墻體內(nèi)部存在不均勻現(xiàn)象，建議鉆孔驗證。圖5表示防滲墻連續(xù)性很好。

3 結(jié)論

地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)檢測不失為一種有效方法。通過對整個墻體的全面檢測，能夠找出相對薄弱的墻段和工程施工的隱患，縮小了后續(xù)檢測的實際范圍，也為進(jìn)一步的鉆孔、取芯工作提供了相關(guān)科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 曾昭發(fā)，吳豐收，黃玲.自適應(yīng)Chiplet 變換及其在探地雷達(dá)目標(biāo)探測中的應(yīng)用[J].Applied Geophysics，2009，6（2）：192～200.

[2] 魏永強(qiáng)，鄧居智，丁長河.探地雷達(dá)和高密度電阻率法在圍墾堤壩探測中的應(yīng)用[J].物探與化探，2010，34（1）：115～118.

[3] 張炎孫，蔡立信，蔣喜珍.地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)在書庫地把災(zāi)害治理工作中的應(yīng)用效果[J].工程勘察，2003，1：67～68.