探地雷達(dá)監(jiān)測高填方土體沉降變形特征應(yīng)用研究

顧耀民 劉康和 劉華亮

探地雷達(dá)監(jiān)測高填方土體沉降變形特征應(yīng)用研究

顧耀民 劉康和 劉華亮

輸水明渠是引調(diào)水工程輸水線路的主要建筑物，其渠堤多由高填方土體填筑而成，而局部填筑土體的不均勻沉降是導(dǎo)致輸水工程安全隱患的重要因素之一，因此，實時監(jiān)測高填方土體不均勻沉降變形特征及其空間發(fā)展變化規(guī)律和范圍是運行管理單位的重要工作之一。為完成這一任務(wù)，嘗試探地雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測高填方土體沉降變形特征的應(yīng)用研究。通過工程實例全面介紹了渠道高填方土體不均勻沉降變形探地雷達(dá)監(jiān)測方法、檢測過程及監(jiān)測成果的分析和論證，給出了高填方土體局部不均勻沉降變形的空間變化特征和發(fā)展規(guī)律，經(jīng)與施工填筑情況和堤頂其他沉降監(jiān)測斷面對比分析完全符合客觀實際。本次監(jiān)測高填方土體沉降變形特征的應(yīng)用研究取得了較為翔實的技術(shù)成果，對可能出現(xiàn)的工程質(zhì)量問題及時排查、定性并進(jìn)行處理，為工程質(zhì)量控制以及工程運行整體質(zhì)量保證提供了科學(xué)依據(jù)。

輸水干渠 高填方土體 不均勻沉降 探地雷達(dá)技術(shù) 監(jiān)測

某調(diào)水工程全長約1 400 km，沿線主要工程除干渠明渠外還布置各類建筑物1 800多座，規(guī)模大、戰(zhàn)線長、建筑物型式多樣、工程地質(zhì)條件復(fù)雜。目前主體工程已建成通水，為保證輸水干線工程整體有效運行，發(fā)揮其設(shè)計效益，對運行管理中可能出現(xiàn)的工程缺陷等危及工程安全運行的不良問題及時排查、定性并進(jìn)行處理，防患于未然。特采用探地雷達(dá)技術(shù)對渠道堤岸高填方土體沉降變形特征進(jìn)行監(jiān)測應(yīng)用研究，取得了良好的監(jiān)測成果，經(jīng)分析和對比完全符合客觀實際，為輸水渠線的運營管理和重點防范提供了科學(xué)依據(jù)。

探地雷達(dá)監(jiān)測試驗段起止樁號為76+860—77+916，全長1.056 km，填高6～9 m，左右堤均屬高填方渠堤，且全部位于某煤礦采空區(qū)。施工期采空區(qū)均采用帷幕灌漿和充填灌漿處理，灌漿最大深度340 m。

1 基本原理

探地雷達(dá)是利用高頻電磁波以寬頻帶短脈沖的形式，由地表通過發(fā)射天線向地層發(fā)射電磁波。在一定發(fā)射功率和發(fā)射頻率下，探地雷達(dá)接收信號強(qiáng)度與地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征和物性參數(shù)有關(guān)，主要取決于不同介質(zhì)接觸面的反射系數(shù)和穿透介質(zhì)的衰減吸收系數(shù)。其中反射系數(shù)主要與反射面兩側(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)，差異越大，反射能量越強(qiáng)。而衰減吸收系數(shù)與穿透介質(zhì)的介電常數(shù)和電導(dǎo)率有關(guān)，其值越大，反射能量越弱。所以，探地雷達(dá)資料反映的是地下介質(zhì)的電磁分布特征，要把其轉(zhuǎn)換為地質(zhì)分布，必須把施工、地質(zhì)、設(shè)計等已知資料與雷達(dá)資料有機(jī)地結(jié)合起來，才能獲得正確的地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)模式。

現(xiàn)場監(jiān)測時依據(jù)客觀條件和檢測對象選用不同主頻的天線進(jìn)行施測，采用剖面法進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，并對現(xiàn)場采集的雷達(dá)記錄進(jìn)行靜校正、道偏移歸位、補(bǔ)償增益、帶通濾波、道平均等處理獲得相應(yīng)測線的雷達(dá)剖面圖像供分析、解釋說明之用。

土方填筑內(nèi)部質(zhì)量狀況，主要根據(jù)波的同相性、相似性和波形特征，區(qū)分不同層位的反射波組，并研究他們的相互關(guān)系和變化趨勢，建立各類波組的地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)模式，達(dá)到地質(zhì)解譯的目的。各層介質(zhì)主要根據(jù)雷達(dá)圖像反射波同相軸連續(xù)性、頻率和振幅的變化特征實施評價。若反射波同相軸連續(xù)性好、振幅強(qiáng)、平行無雜波，表明相應(yīng)介質(zhì)連續(xù)性、密實度較好；反之若反射波同相軸出現(xiàn)彎曲、錯斷、紊亂等不連續(xù)性異常，表明相應(yīng)介質(zhì)連續(xù)性、密實度或介質(zhì)均一性較差，且存在不均勻沉降現(xiàn)象。

當(dāng)填筑土體的均勻性和密實度存在差異時，其電磁參數(shù)具有一定的差異，同時填筑土體與原狀土體也具有電磁參數(shù)差異，具備開展探地雷達(dá)監(jiān)測工作的物理前提。

根據(jù)測區(qū)的雷達(dá)圖像變化特征和現(xiàn)場施工資料綜合分析，探地雷達(dá)圖像在進(jìn)行時深轉(zhuǎn)換時，填筑土體的綜合雷達(dá)電磁波速度取值0.08 m/ns。

2 監(jiān)測過程及成果分析

2.1 監(jiān)測內(nèi)容

高填方渠堤填筑土體不均勻沉降變形特征。

2.2 監(jiān)測過程

現(xiàn)場采用探地雷達(dá)法進(jìn)行監(jiān)測，分4個階段實施，其中第一階段于2015-08-13施測、第二階段于2015-12-05施測(且于2015-12-31、2016-01-16分別進(jìn)行了復(fù)測和補(bǔ)測)、第三階段于2016-03-04施測、第四階段于2016-06-19施測。

2.3 監(jiān)測成果

通過對76+860—77+916樁號段左右岸渠堤的雷達(dá)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)左堤樁號77+500附近高填方土體內(nèi)部存在較明顯的沉降變形。其他測試樁號段局部高填方土體雖有變形，但變化量很小，一般屬正常變形范圍。下面以左堤樁號77+500附近高填方土體監(jiān)測結(jié)果為例說明其沉降變化過程(詳見圖1)。

圖1 左岸堤頂77+379—77+528雷達(dá)測試剖面圖

(1)圖1(a)為2015-08-13施測的左岸堤頂樁號77+500附近雷達(dá)剖面圖，除空架電線及下游生產(chǎn)橋等干擾外未見明顯的雷達(dá)反射波同相軸彎曲、錯斷、紊亂等不連續(xù)性異常，說明高填方土體未出現(xiàn)不均勻沉降變形現(xiàn)象。

(2)圖1(b)為2015-12-05施測的左岸堤頂樁號77+500附近雷達(dá)剖面圖，除空架電線及下游生產(chǎn)橋等干擾外，在樁號77+500處雷達(dá)反射波同相軸呈現(xiàn)明顯的強(qiáng)反射弧，說明以77+500為中心，長約8 m，頂部埋深約3 m，分布深度3～8 m范圍內(nèi)，高填方土體呈現(xiàn)明顯的沉降變形，推測為集中拉裂裂縫所致。

(3)圖1(c)為2015-12-31施測的左岸堤頂樁號77+500附近雷達(dá)剖面圖，除空架電線及下游生產(chǎn)橋等干擾外，在樁號77+500處雷達(dá)反射波同相軸呈現(xiàn)較明顯的強(qiáng)反射弧，與2015-12-05測試結(jié)果基本一致，但反射波幅值及強(qiáng)度稍微降低，說明高填方土體內(nèi)部沉降變形幅度逐漸變小。

(4)圖1(d)為2016-01-16施測的左岸堤頂樁號77+500附近雷達(dá)剖面圖，除空架電線及下游生產(chǎn)橋等干擾外，在樁號77+500處雷達(dá)反射波同相軸呈現(xiàn)明顯的雜亂、錯斷等現(xiàn)象，與2015-12-05、2015-12-31兩次測試結(jié)果對比反射波幅值及強(qiáng)度進(jìn)一步降低，影響范圍稍有擴(kuò)大，說明高填方土體內(nèi)部沉降變形逐漸平穩(wěn)。

(5)圖1(e)、(f)分別為2016-03-04、2016-06-19施測的左岸堤頂樁號77+500附近雷達(dá)剖面圖，除空架電線及下游生產(chǎn)橋等干擾外，在樁號77+500處雷達(dá)反射波同相軸呈現(xiàn)雜亂、不連續(xù)等現(xiàn)象，相對2016-01-16第二階段補(bǔ)測結(jié)果反射波幅值及強(qiáng)度更低，影響范圍逐漸擴(kuò)大，并有向小樁號(上游)發(fā)展之趨勢，說明高填方土體內(nèi)部沉降變形相對平穩(wěn)。

2.4 成因分析

針對第二階段(即2015-12-05)雷達(dá)測試成果發(fā)現(xiàn)的左岸堤頂樁號77+500附近高填方土體內(nèi)部存在明顯的沉降變形區(qū)域，分別于2015-12-31、2016-01-16對該異常區(qū)域進(jìn)行了復(fù)測和補(bǔ)測，以進(jìn)一步確定該異常區(qū)域的范圍和空間展布形態(tài)(見圖2、3)，同時收集該樁號段施工基礎(chǔ)清基平面圖和樁號77+500施工換填斷面圖(見圖2)，經(jīng)綜合分析后得出：

(1)由施工基礎(chǔ)清基平面圖知：樁號77+500附近施工基礎(chǔ)清基高程(即建基面高程)在左堤中心線右側(cè)一般為115～116 m，相對平坦；左堤中心線左側(cè)由116～117 m，急劇升高為122 m，高差約6 m，高程變化較大，而左側(cè)坡角附近高程一般為122～123 m，相對平坦。

(2)由圖2知：在施工填筑土體時，首先在左堤中心線右側(cè)回填土體至高程122 m左右，使其與左堤中心線左側(cè)的建基面高程基本一致。然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行高填方堤身的填筑，直至堤頂設(shè)計高程128.64 m。

(3)結(jié)合圖2施工特點，說明高程122 m以下由建基原狀土體及后填土體(厚度約6 m)組成，加立上覆堤身填筑土體(堤高約6m)的自重應(yīng)力的作用，且正好在122 m以下原狀土體及后填土體接觸變化較大地段，導(dǎo)致122 m以下的后填土體產(chǎn)生不均勻沉降變形，引起堤身填筑土體的拉裂變形，隨時間的推移該沉降變形逐漸向上游外側(cè)發(fā)展，但強(qiáng)度漸低，此為探地雷達(dá)監(jiān)測異常產(chǎn)生的主要原因(圖2中給出雷達(dá)檢測異常區(qū))。說明該段填筑土體不均勻沉降變形與下部采空區(qū)(已回填灌漿)關(guān)系不大。

(4)圖3給出了雷達(dá)監(jiān)測填筑土體沉降變形的平面范圍及位置，經(jīng)對比76+860—77+916樁號段堤頂沉降監(jiān)測埋設(shè)斷面成果，其樁號77+500附近堤頂沉降數(shù)值最大(一個觀測周期為6～8 mm)。說明探地雷達(dá)監(jiān)測成果反映了高填方土體沉降變形的客觀實際。

3 結(jié) 語

工程實踐表明，采用探地雷達(dá)技術(shù)對高填方土體不均勻沉降變形特征進(jìn)行實時監(jiān)測，具有方法科學(xué)、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)適用、可操作性強(qiáng)、便于大面積測試等優(yōu)點，必將在工程建設(shè)質(zhì)量控制和既有建筑物健康診斷中發(fā)揮越來越重要的作用。

盡管如此，由于高填方土體各種質(zhì)量缺陷的復(fù)雜性和不確定性，我們自身還有很多技術(shù)需要學(xué)習(xí)和研究，以適應(yīng)現(xiàn)代水工建筑物質(zhì)量檢測、監(jiān)測和健康診斷的需要。

[1] 劉康和，王志豪，雷杰，等.引調(diào)水工程物理探測與檢測技術(shù)應(yīng)用研究[M].鄭州：黃河水利出版社，2016.

[2] 劉康和，練余勇.深埋長隧洞地球物理勘察及施工超前預(yù)報[M].天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，2010.

[3] 劉康和，段偉，王光輝，等.深埋長隧洞勘測技術(shù)及超前預(yù)報[M]，北京：學(xué)苑出版社，2013.

[4] 劉康和.地質(zhì)雷達(dá)在水利工程質(zhì)量檢測中的應(yīng)用[J].長江職工大學(xué)學(xué)報，2001(1)：10-13.

[5] 劉康和.堤防隱患的綜合物探勘察[J].長江職工大學(xué)學(xué)報，2000(2)：15-19,34.

[6] 王孝起，劉康和.物探在南水北調(diào)中線天津干渠勘探中的應(yīng)用[J].西北水資源與水工程，2001(1)：41-43,48.

[7] 鄭思慧，童廣偉，劉康和.探地雷達(dá)測試土體含水率及壓實度的可行性分析[J].山西建筑，2014(3)：110-112.

[8] 劉康和.土石壩老化病害無損探測技術(shù)及應(yīng)用[J].江淮水利科技，2007(1)：17-19.

[9] 王晶，劉康和.探地雷達(dá)在南水北調(diào)中線工程中的應(yīng)用[J].水利水電工程設(shè)計，2016(1)：48-50.

[10] 劉康和.探地雷達(dá)及其應(yīng)用[J].水利水電工程設(shè)計，1998(4)：38-39.

TN959

A

1007-6980(2017)02-0046-04

2017-03-22)

顧耀民 男 高級工程師 寧夏水務(wù)投資集團(tuán) 寧夏銀川750002

劉康和 男 教授級高級工程師 中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司 天津 300222

劉華亮 男 工程師 北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院 北京 100871